Powertrain optimization, SIL traction control development and performance analysis for a FSAE vehicle

This thesis presents a model-based workflow for improving the longitudinal performance of a Formula SAE vehicle equipped with a restrictor-limited internal-combustion engine. A calibrated one-dimensional GT-ISE model of the Honda CBR600RR PC40 engine is used to assess alternative intake, exhaust and cam-phasing configurations. Two single-objective, multi-parameter optimization methods are compared: the internal GT-ISE Design Optimization Tool based on CMA-ES and an external MATLAB--GT-SUITE procedure using \texttt{surrogateopt}. The MATLAB-driven workflow provides greater flexibility in defining the objective function, while also enabling detailed logging, failed-run management and direct control of the torque-curve regularity criterion. The selected configuration increases the maximum brake torque from 47.57~Nm to 59.79~Nm and the maximum brake power from 54.66~HP to 65.12~HP. Its torque map is then implemented in a VI-CarRealTime--Simulink Software-in-the-Loop environment to evaluate complete-vehicle performance. A custom traction-control system combines a gear-dependent feedforward torque estimate with a feedback correction based on rear-wheel slip. The final torque command is selected as the lower value between the driver request and the torque considered admissible by the controller. Straight-line acceleration simulations are performed for the baseline and optimized engines under different control configurations. Compared with the baseline vehicle without traction control, the optimized engine with the complete feedforward--feedback controller reduces the 0--60~km/h time from 2.175~s to 2.053~s, the 0--100~km/h time from 4.433~s to 4.027~s and the 100~m time from 5.495~s to 5.356~s. The maximum longitudinal acceleration increases from 0.936~g to 0.980~g. These results show that the additional engine torque becomes fully effective at vehicle level only when it is coordinated with the traction available at the tyres.

La presente tesi propone un workflow basato su modelli finalizzato al miglioramento delle prestazioni longitudinali di una vettura Formula SAE equipaggiata con un motore a combustione interna soggetto alla limitazione imposta dal restrittore. Un modello monodimensionale calibrato in GT-ISE del motore Honda CBR600RR PC40 viene utilizzato per valutare configurazioni alternative dei sistemi di aspirazione e scarico e della fasatura delle valvole. Vengono confrontati due metodi di ottimizzazione mono-obiettivo e multiparametrica: il Design Optimization Tool interno di GT-ISE, basato sull'algoritmo CMA-ES, e una procedura esterna MATLAB--GT-SUITE basata su \texttt{surrogateopt}. Il workflow gestito da MATLAB offre maggiore flessibilità nella definizione della funzione obiettivo e consente inoltre una registrazione dettagliata delle valutazioni, la gestione delle simulazioni fallite e il controllo diretto del criterio di regolarità della curva di coppia. La configurazione selezionata incrementa la coppia massima al freno da 47,57~Nm a 59,79~Nm e la potenza massima al freno da 54,66~HP a 65,12~HP. La relativa mappa di coppia viene successivamente implementata in un ambiente Software-in-the-Loop VI-CarRealTime--Simulink per valutarne le prestazioni a livello di veicolo completo. Un sistema di controllo della trazione personalizzato combina una stima feedforward della coppia dipendente dalla marcia con una correzione feedback basata sullo slittamento delle ruote posteriori. Il comando finale di coppia viene determinato selezionando il valore minore tra la richiesta del pilota e la coppia ritenuta ammissibile dal controllore. Le simulazioni di accelerazione in rettilineo vengono eseguite per il motore baseline e per quello ottimizzato, considerando differenti configurazioni di controllo. Rispetto al veicolo baseline privo di controllo della trazione, il motore ottimizzato abbinato al controllore completo feedforward--feedback riduce il tempo di accelerazione 0--60~km/h da 2,175~s a 2,053~s, il tempo 0--100~km/h da 4,433~s a 4,027~s e il tempo sui 100~m da 5,495~s a 5,356~s. L'accelerazione longitudinale massima aumenta da 0,936~g a 0,980~g. Questi risultati mostrano che l'incremento della coppia motore diventa pienamente efficace a livello veicolo soltanto quando viene coordinato con l'aderenza disponibile agli pneumatici.