Riassunto analitico
La ricerca nel mondo dei motori a combustione interna è sempre stata rivolta alla
massimizzazione del trade off tra consumi e prestazioni, spesso vincoli in contrasto tra
loro. Negli ultimi anni c’è stato un interesse sempre crescente verso l’elettrificazione
dei veicoli stradali passando da motori ibridi termico-elettrico fin anche al totalmente
elettrico. Tale scelta può portare benefici sia riducendo il consumo di carburante in caso
il motore elettrico riesca a sopperire addirittura anche da solo al bisogno di trazione
sia in termini prestazionali riducendo ad esempio il turbo-lag nei veicoli con con turbocompressore.
L’esemplificazione di tale ricerca si osserva nella Formula 1 in cui ormai
il sistema MGU-H, MGU-K, evoluzione del KERS nelle moderne power unit consente
prestazioni elevatissime e consumi confrontabili con alcune super-car in commercio.
Il sistema MGU-H (Motor Generator Unit - Heat) è un motore elettrico sincrono che
può essere utilizzato sia da generatore che da motore.
L’energia che sarebbe persa tramite valvola west-gate dei gas di scarico viene invece
utilizzata per ricaricare il pacco batterie. Analogamente il sistema MGU-K (Motor
Generator Unit - Kinetic) riceve energia direttamente dall’albero motore durante la
frenata del veicolo e può restituirla quando è necessario ridurre al minimo il tempo per le
prestazioni massime.
L’elaborato presente ha come scopo l’analisi di fattibilità dell’utilizzo del sistema MGU-H
in motori automobilistici di differenti cilindrate. Con target sul mantenimento delle
stesse prestazioni massime della configurazione "base" si valuta il risparmio in termini
di carburante, la riduzione del turbo-lag e l’accumulo di energia elettrica. Si cercano
inoltre consumi ed emissioni inquinanti in un ciclo guida WLTP e, grazie ad ipotesi
semplificative, in un ciclo RDE.
Le configurazioni considerate comprendono l’utilizzo sia della valvola West-Gate sia del
motogeneratore lasciando alla strategia per il consumo a definire la condizione lavorativa
del powertrain.
Per avere coerenza all’interno delle simulazioni e successivamente nei confronti si utilizza
come target la BMEP - Brake Mean Effective Pressure in quanto indipendente dalla
cilindrata e sinonimo di ugual prestazioni interno cilindo.
• 1500 cc 3 cilindri in linea singolo turbo-compressore con mgu-h;
• 2000 cc 4 cilindri in linea singolo turbo-compressore con mgu-h;
• 3000 cc 6 cilindri V90° singolo turbo-compressore con mgu-h;
• 6000 cc 12 cilindri W singolo turbo-compressore con mgu-h;
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Abstract
In the Internal Combustion engine’s world research has always had the aim of maximise
the trade-off between fuel consumption and performance. In the last few years
the interest in electrification rises passing through hybrid solutions to totally-electric
power-trains.
The benefits of this choice can be both fuel consumption reduction, if the electric engine
can perform all the torque needed, and turbo-lag reduction in turbo-charged vehicle.
The best example of this research can be seen in Formula 1 where by now the MGU-H,
MGU-K system, an evolution of the KERS in modern power units, achieved very high
performance and fuel consumption comparable with some super-cars on the market.
The MGU-H (Motor Generator Unit - Heat) system is a synchronous electric motor
which can be used both in generator and engine configuration. The exhaust gas energy
that would be lost through the west-gate valve is instead used to recharge the battery
pack. Similarly, the MGU-K (Motor Generator Unit - Kinetic) receives energy directly
from the drive shaft during a brake and can return it when it is necessary.
This thesis attempt to analyse the positive or negative trend that an MGU-H system
can have on different turbo-charged engines. With targets on the maintenance of the
same maximum performance as the "basic" configuration, the savings are evaluated in
terms of fuel consumption, turbo-lag reduction and electrical energy storage. Moreover
is looking for fuel consumption and pollutant emissions in a WLTP driving cycle and,
thanks to hypothesis, in an RDE cycle.
The configurations considered include the use of both the West-Gate valve and the motorgenerator
leaving to the fuel consumption strategy to define the powertrain working
conditions. In order to have consistency between simulations and the post-processing
results comparison the BMEP parameter (Brake Mean Effective Pressure) is used as the
target. In fact it is independent from the displacement, unlike the torque, and is more
indicating for a single cylinder performance expression.
• 1500 cc in-line 3 cylinder single turbo-charger with mgu-h;
• 2000 cc in-line 4 cylinder single turbo-charger with mgu-h;
• 3000 cc V90° 6 cylinder single turbo-charger with mgu-h;
• 6000 cc W 12 cylinder single turbo-charger with mgu-h;
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