1D fluid dynamic modelling of internal combustion engines for Formula One applications

Formula One Power Units are one of the most technologically advance examples of engineering applied to motorsport. The Internal Combustion Engine is one of the six components that constitute the Power Unit. Together with the electrical motors (MGU-H and MGU-K) it provides well over a thousand horsepower to the fastest cars on the planet while reaching efficiencies over 50%, a milestone taught to be unachievable before for such an application. The present thesis aimed at developing a one-dimensional thermo-fluid dynamic model of a Formula One Internal Combustion Engine by means of the Gasdyn software. To model the machine successfully and faithfully, the research activity focused on finding sources able to describe the most relevant features of modern Formula One Internal Combustion Engines. The most relevant one came from Japan in the form of a very detailed technical magazine recalling Honda’s Power Unit development from 2015 onwards; therefore, many interesting features present in the model take inspiration from Honda’s Internal Combustion Engine. The present paper examines the designing and simulation of the mono-cylinder version of the model and the pluri-cylinder one, up to the addition of the turbocharger sub-model; across all of them, a particular attention is given to the Variable Intake Trumpet system and its role in influencing the engine outputs. The generation of the engine map and the examining of an additional feature (Charge Air Cooler Bypass system) completes the analysis of the obtained model.

Le Power Unit di Formula Uno rappresentano uno dei più tecnologicamente avanzati esempi di ingegneria applicata al motorsport. Il motore a combustione interna è uno dei sei componenti che costituiscono la Power Unit. Assieme ai motori elettrici (MGU-H, MGU-K), fornisce più di mille cavalli alle automobili da corsa più veloci del pianeta raggiungendo efficienze superiori al 50%, un traguardo ritenuto impensabile fino a pochi anni fa. Il lavoro di tesi qui presentato punta a sviluppare un modello termodinamico uno-dimensionale di un moderno motore a combustione interna di Formula Uno mediante il software Gasdyn. In modo tale da modellare in maniera fedele il propulsore e ottenere risultati soddisfacenti, l’attività di ricerca delle fonti si è concentrata sul trovare riferimenti affidabili rispetto i componenti e le peculiarità delle unità più recenti. Tra queste, la più importante è risultato essere un magazine tecnico proveniente dal Giappone, nel quale viene raccontato lo sviluppo della Power Unit Honda dal 2015 in poi; conseguentemente, diversi tra i più interessanti aspetti del modello sviluppato prendono spunto dai componenti del motore a combustione interna nipponico. L’elaborato esamina la progettazione e la simulazione delle versioni mono e pluricilindriche del modello, fino all’aggiunta del sotto-modello del turbocompressore. Nella trattazione particolare attenzione viene data al ruolo del sistema di trombette d’aspirazione a geometria variabile, soffermandosi sulla loro influenza nelle prestazioni della macchina. La generazione delle mappe motore e lo studio di un componente addizionale (il sistema Charge Air Cooler Bypass) completa l’analisi del modello ottenuto.