Applicazione di tecniche di modellazione per lo sviluppo virtuale di componenti e sistemi di propulsione ibridi per vetture ad alte prestazioni

Despite the increasingly stringent legislations, hybrid powertrains will retain a relevant market share in the upcoming years, thus the optimization of their powertrain systems will be of paramount importance. In this context, modelling techniques for the virtual development of high performance hybrid systems is crucial in order to achieve the best trade-off between reducing tailpipe emissions and reaching best in class levels of vehicle performance. In HEVs, the presence of different energy sources increases powertrain complexity. At each time instant, the choice of the power-split depends on the objective of the hybridization. The design of this powertrain control strategy represents a typical optimal control problem. The first part of the research focused on the development, of a methodology based on optimal control theory to maximize fuel economy and minimize lap time in sport driving conditions. The analysis considered a P1-P4 HEV as a test case. DP is used to assess the maximum powertrain capabilities relying on simplified vehicle models. The information collected from the DP, in both scenarios, is used to create policy maps depending on the main states of the powertrain, which are given as inputs to high fidelity models used for the final assessment of the proposed control strategy. Therefore, the results can be used as a benchmark for developing real-time implementable control strategies: possibility to learn from the optimal solution. In addition, such a benchmark enables a fair comparison among different component variants. A second topic moves the after-treatment operation at engine cold start is a key area for achieving a significant reduction in tailpipe emissions. In fact, a typical three-way catalyst (TWC) loses its effectiveness below a brick temperature of roughly 500-600 K, nearly nullifying pollutant conversion at the cold start. In order to properly simulate these aspects and investigate new possible solutions, a brand new 3D CFD methodology has been developed in the Open FOAM framework. It includes the whole exhaust system until the first TWC brick, complex multi-physics, mass/heat transfer, chemical reactions, flow through porous media. The study focuses on the light-off process, enabling optimization of new hardware; the burner showed a good potential combined with a pre-heating strategy in order to have enough TWC temperature, thus efficiency for pollutant conversion, before the engine start. A third topic moves inside the engine heart, to the understanding of pollutant formation, both particulate and gaseous emissions by means of 3D CFD in-cylinder simulations. From a numerical standpoint, a simplified approach is dedicated to gaseous emissions, while a more detailed and customized one is reserved to soot modeling. The present study is a novelty in providing guidelines for a fair comparison between the experimental and the numerical dataset, via a dedicated post-processing of the simulation outcomes, eventually forging new parts, new combustion chambers layouts, leading to less emission at the end of the combustion process. As last, the engine oil tank is investigated with a new 3D CFD approach based on Eulerian Multi-Phase (EMP). Its advantage is that it accounts for the interaction between liquid and gaseous phases, modeling mist and foam formation and its subsequent separation. From the emission point of view, the correct prediction of these phenomena are crucial for the HC and SOOT emissions contribution due to the blow-by recirculation. This dissertation presents therefore several virtual design methodologies aimed to reach the above-mentioned goal: designing the best sport car by optimizing its components as part of a holistic system.

Nonostante le crescenti limitazioni normative, nei prossimi anni i propulsori ibridi manterranno una quota di mercato rilevante. L’ottimizzazione dei loro sottosistemi appare quindi fondamentale. In questo contesto, tecniche di modellazione virtuale di sistemi ibridi permettono di ottenere il miglior compromesso tra la riduzione delle emissioni dallo scarico e il raggiungimento dei target prestazionali veicolo. Nei veicoli ibridi (HEVs), la presenza di diverse sorgenti di energia aumenta la complessità del gruppo propulsore: la scelta ottimale della suddivisione di potenza dipende dall'obiettivo dell'ibridizzazione. La progettazione di questa strategia di controllo del gruppo propulsore rappresenta dunque un tipico problema di controllo ottimale. La prima parte della ricerca riguarda lo sviluppo di una metodologia basata sulla teoria del controllo ottimale per minimizzare consumo e tempo sul giro in condizioni di guida sportiva. L'analisi considera un P1-P4 HEV come architettura di riferimento. La Programmazione Dinamica (DP) viene utilizzata per valutare le capacità massime del powertrain basandosi su modelli di veicoli semplificati. Le informazioni raccolte dalla DP, in entrambi gli obiettivi, vengono utilizzate per creare le mappe a seconda dei principali stati del powetrain, che vengono fornite come input a modelli più dettagliati per la valutazione finale della strategia di controllo proposta. I risultati possono fungere da riferimento per lo sviluppo di strategie di controllo implementabili in tempo reale, nonché consentire un confronto equo tra diverse varianti di componenti e architetture, utile nella fase di impostazione veicolo. Il secondo tema di ricerca riguarda lo studio del sistema di post-trattamento nella fase di avviamento a freddo del motore, che rappresenta un'area chiave per ottenere una significativa riduzione delle emissioni dallo scarico. Infatti, un tipico catalizzatore a tre vie (TWC) perde la sua efficacia al di sotto di una temperatura delle matrici di circa 500-600 K, inficiando la conversione degli inquinanti all'avvio a freddo. Al fine di simulare correttamente questi aspetti e studiare nuove possibili soluzioni, è stata sviluppata una metodologia CFD 3D in Open FOAM che comprende l'intero sistema di scarico fino al primo brick del TWC e modelli multi-fisici complessi. Lo studio si concentra sull’utilizzo di un burner che, combinato con una strategia di preriscaldamento, mira a raggiungere una temperatura TWC sufficiente per innescare in maniera efficace la conversione. Il terzo tema di ricerca trattato si focalizza sul processo di combustione per la comprensione della formazione di inquinanti, sia di particolato che di emissioni gassose mediante simulazioni 3D CFD interno cilindro. Un approccio semplificato è stato dedicato alle emissioni gassose, mentre uno più dettagliato è riservato alla modellazione del particolato. La metodologia sviluppata ha permesso un equo confronto tra il set di dati sperimentale e numerico, fornendo linee guida progettuali per il design dei componenti al fine di minimizzare le emissioni. L’ultimo tema di ricerca riguarda il serbatoio dell'olio motore che viene studiato con un nuovo approccio CFD basato su Eulerian Multi-Phase (EMP), che tiene conto dell'interazione tra fasi liquide e gassose, modellando la formazione di nebbia e schiuma e la successiva separazione. Dal punto di vista delle emissioni, la corretta previsione di questi fenomeni è cruciale per il contributo delle emissioni di HC e particolato dovuto al ricircolo blow-by. Questa tesi presenta dunque diverse metodologie di analisi virtuale volte a raggiungere l'obiettivo sopra menzionato: progettare la migliore auto sportiva ottimizzando i suoi componenti come parte di un sistema olistico.