Development and validation of a 1D fluid-dynamic model of a two-stroke engine for hybrid powertrains

The growing demand for fuel-efficient propulsion systems have driven renewed interest in two-stroke internal combustion engines, particularly in hybrid powertrain applications where their compact packaging and their high power density bring distinctive advantages over conventional four-stroke architectures. This thesis presents the development and validation of a zero-dimensional/one-dimensional (0D/1D) fluid-dynamic and thermodynamic model of a prototype two-stroke spark-ignition engine equipped with a volumetric compressor and port injection, intended for integration into a motorcycle hybrid powertrain. The numerical model was implemented in the Gasdyn simulation environment. Combustion is described using the Wiebe function, while in-cylinder heat transfer is modeled through the Woschni correlation. Engine friction is accounted for by means of the Friction Mean Effective Pressure (FMEP), and scavenging is characterized through mixing and short-circuit coefficients. Three progressively more complex engine architectures are investigated. The first is a portcontrolled single-cylinder configuration, representing the baseline hardware as tested by the industrial partner. The second replaces the exhaust ports with a rotary exhaust valve, which enables asymmetric timing and a variable degree of exhaust closure anticipation, with the aim of reducing short-circuit losses and improving trapping efficiency. The third architecture extends the rotary valve concept to a two-cylinder configuration, which constitutes the final target layout for the hybrid motorcycle application. For each configuration, the model parameters were systematically calibrated against experimental data acquired on an engine test bench at two operating points: 3500 rpm / 6.5 bar BMEP and 4000 rpm / 3.0 bar BMEP. Validation is assessed by comparing simulated and measured indicated cycles, brake power, brake specific fuel consumption, and other global quantities. The agreement obtained confirms the reliability of the modeling approach across both full-load and partial-load conditions. Sensitivity studies on the volumetric compressor are subsequently performed, evaluating the effect of different compressor drive ratios on power output, fuel consumption, and efficiency. Additionally, analyses on intake plenum geometry are carried out to assess the influence on cylinder filling. The two-cylinder model, derived directly from the validated single-cylinder version, demonstrates a near-doubling of power output while preserving the thermodynamic characteristics of the base configuration, confirming the scalability of the model. The rotary valve architecture, combined with appropriately selected plenum geometry, is shown to achieve total thermal efficiencies approaching those typical of four-stroke engines.

La crescente domanda di sistemi di propulsione a basso consumo di carburante ha suscitato un rinnovato interesse per i motori a combustione interna a due tempi, in particolare nelle applicazioni di propulsione ibrida, dove il loro packaging compatto e l’elevata densità di potenza offrono vantaggi distintivi rispetto alle architetture a quattro tempi convenzionali. Questa tesi presenta lo sviluppo e la validazione di un modello fluidodinamico e termodinamico zero-dimensionale/monodimensionale (0D/1D) di un prototipo di motore a due tempi ad accensione dotato di un compressore volumetrico e iniezione ai condotti di lavaggio, destinato all’integrazione in un propulsore ibrido per motociclette. Il modello numerico è stato implementato nell’ambiente di simulazione Gasdyn. La combustione è descritta utilizzando la funzione di Wiebe, mentre il trasferimento di calore all’interno del cilindro è modellato tramite la correlazione di Woschni. L’attrito del motore è considerato mediante la FMEP e lo scavenging è caratterizzato tramite coefficienti di miscelazione e di cortocircuito. Vengono studiate tre architetture di motore progressivamente più complesse. La prima è una configurazione monocilindrica dove il scambio di fluidi avviene trammite luci di lavaggio, che rappresenta l’hardware di base testato dal partner industriale. La seconda sostituisce le luci di scarico con una valvola di scarico rotativa, che consente una fasatura asimmetrica e un grado variabile di anticipazione della chiusura dello scarico, con l’obiettivo di ridurre le perdite da cortocircuito e migliorare l’efficienza di intrappolamento. La terza architettura estende il concetto di valvola rotativa a una configurazione bicilindrica, che costituisce il layout di destinazione finale per l’applicazione su motocicletta ibrida. Per ciascuna configurazione, i parametri del modello sono stati sistematicamente calibrati rispetto ai dati sperimentali acquisiti su un banco prova motore in due punti operativi: 3500 giri/min / 6,5 bar BMEP e 4000 giri/min / 3,0 bar BMEP. La validazione viene valutata confrontando i cicli indicati simulati e misurati, la potenza erogata, il consumo di carburante specifico e altre grandezze globali. La buona concordanza ottenuta conferma l’affidabilità dell’approccio modellistico sia in condizioni di pieno carico che di carico parziale. Successivamente vengono eseguiti studi di sensibilità sul compressore volumetrico, valutando l’effetto di diverse configurazioni dei rapporti di trasmissione del compressore su potenza erogata, consumo di carburante ed efficienza. Inoltre, vengono eseguite analisi sulla geometria del plenum di aspirazione per valutarne l’influenza sul riempimento dei cilindri. Il modello bicilindrico, derivato direttamente dalla versione monocilindrica convalidata, dimostra un quasi raddoppio della potenza erogata, pur preservando le caratteristiche termodinamiche della configurazione monocilindrica, confermando la scalabilità del modello. La configurazione a valvola rotativa, combinata con una geometria del plenum opportunamente selezionata, dimostra di raggiungere efficienze termiche totali prossime a quelle tipiche dei motori a quattro tempi.