0D-1D modeling of turbocharged ic engines: integrating temperature and composition effects to optimize mass conservation in GASDYN

This thesis focuses on the implementation of new thermodynamic models within Gasdyn, a code developed by the ICE research group at Politecnico di Milano for 0D-1D simulation of internal combustion engines, with the objective of enhancing its accuracy. The discussion begins with an introduction to the numerical methods adopted, namely the Method of Characteristics (MOC) and the CG-TVD method. Following this, attention shifts to the turbocharger, providing an in-depth analysis of both its operational principles and its numerical modeling. The modifications introduced specifically concern the routines for the compressor and turbine, previously implemented based on the approach proposed by R.S. Benson [1]. This approach is valid only for perfect gases, therefore it presents certain limitations: when employed with species transport, it generates mass conservation errors across the two components. The objective of this work is therefore the development of new, more general equations and thermodynamic models, applicable to ideal gases with variable properties, in order to achieve accurate and realistic numerical results, thereby eliminating the aforementioned mass conservation errors. The new models were tested on two different engine configurations, yielding excellent results by ensuring perfect mass conservation and correct dynamic behavior of the relevant physical quantities. The results were compared with those from the previous routines, highlighting the improvements achieved. Lastly, under the perfect gas assumption, the new models match exactly with the previous ones, confirming their consistency and effectiveness.

Il presente lavoro di tesi si focalizza sull'implementazione di nuovi modelli termodinamici all'interno di Gasdyn, un codice sviluppato dal gruppo di ricerca ICE del Politecnico di Milano per la simulazione 0D-1D dei motori a combustione interna, con l’obiettivo di migliorarne l’accuratezza. La trattazione inizia con una presentazione dei metodi numerici adottati, ovvero il Metodo delle Caratteristiche (MOC) e il CG-TVD. Successivamente, l'attenzione si sposta sul turbocompressore, approfondendone sia i principi di funzionamento che la modellazione numerica. Le modifiche apportate riguardano specificamente le routine del compressore e della turbina, precedentemente implementate seguendo l’approccio di R.S. Benson [1]. Tale approccio, valido per gas perfetti, presenta limitazioni: applicato con trasporto di specie, esso genera errori nella conservazione della massa a cavallo dei due componenti. L’obiettivo del presente lavoro è pertanto lo sviluppo di nuove equazioni e modelli termodinamici più generali, validi per gas ideali a proprietà variabili, al fine di ottenere risultati numerici accurati e realistici, eliminando gli errori di conservazione della massa sopra menzionati. I nuovi modelli sono stati sottoposti a test su due diverse configurazioni di motore, evidenziando risultati eccellenti: essi garantiscono infatti sia la perfetta conservazione della massa che un corretto comportamento dinamico delle variabili fisiche di interesse. I risultati sono stati confrontati con quelli ottenuti dalle precedenti routine, mostrando i miglioramenti conseguiti. Infine, in condizioni di gas perfetto, i nuovi modelli coincidono esattamente con quelli precedenti, confermandone la coerenza e l'efficacia.