Downsizing of Gasoline Engine: an Efficient Way to Reduce CO2 Emissions

Abstract

Résumé -Écosuralimentation des moteurs à essence : une voie efficace pour réduire les émissions de CO 2 -En vue d'atteindre les engagements pris pour 2008 en matière de réduction des émissions de CO 2 de l'ensemble du parc de véhicules, la R&D moteur explore différentes solutions. Du point de vue des émissions de CO 2 , les moteurs à essence souffrent d'un handicap en comparaison avec des motorisations Diesel. La réduction de la taille des moteurs à essence (downsizing) est une voie prometteuse pour améliorer le rendement des moteurs et fait donc l'objet de recherches intensives. À long terme, l'objectif pourrait être une réduction de moitié de la cylindrée des moteurs. Des résultats issus de calculs de simulation véhicule montrent que, même un downsizing aussi poussé que celui-ci ne sera pas suffisant pour amener l'ensemble du parc de véhicules à essence aux niveaux de CO 2 visés. Cela sera tout juste suffisant pour atteindre les objectifs de 2008 pour un véhicule du segment moyen, motorisé par un petit moteur de 0,8 l en remplacement d'un moteur à essence 1,6 l d'aujourd'hui. La réduction des émissions de CO 2 dans un tel cas est de 18 % dans des conditions de fonctionnement moteur chaud. Des améliorations supplémentaires doivent également être obtenues en ce qui concerne les consommations spécifiques des moteurs à essence, notamment pour les véhicules plus gros. L'IFP a développé une approche innovante en couplant deux technologies, bien placées en termes d'économie d'énergie, que sont l'injection directe d'essence et le turbocompresseur avec une redéfinition des lois de distribution des soupapes. Ceci a été testé sur un moteur de 1,8 l. Un balayage de la chambre de combustion, non conventionnel sur des moteurs turbocompressés, devient alors possible. La résistance au cliquetis du moteur et son rendement volumétrique sont améliorés. Les interactions fines entre la combustion, le turbocompresseur et la distribution ont été analysées et optimisées. On obtient une augmentation significative des performances spécifiques du moteur en termes de couple et de puissance, tout en conservant de bons niveaux de consommation spécifique sur l'ensemble de la plage de fonctionnement moteur. Le couple spécifique, atteint à 1250 tr/min, a été progressivement accru de 50 % et est aujourd'hui proche de 1,7 MPa de PME, alors que la puissance maximale est de 83 kW/l avec une consommation spécifique d'environ 300 g/kWh. Ce type de moteur 1,8 l se présente comme un compétiteur intéressant pour remplacer les actuels gros moteurs à essence de 2,5 à 3 l de cylindrée. Oil & Gas Science and Technology -Rev. IFP, Vol. 58 (2003) Abstract -Downsizing of Gasoline Engine: an Efficient Way to Reduce CO 2 Emissions -In order to meet commitments in terms of vehicle CO 2 emission reduction for the whole fleet of cars for the year 2008, engine research and development is today exploring several fields. From CO 2 point of view, gasoline engines suffer from an handicap in comparison to Diesel engines. Reduction of size of gasoline

Intake Manifold Boosting of Turbocharged Spark-Ignited Engines

“…An engine air mass flow that is too high can be counterbalanced by a reduced ignition efficiency, as indicated in Equation (1). Thus, the solution to the control problem is not unique.…”

“…Reducing the displacement of a spark-ignited (SI) engine reduces both engine friction [1] and pumping [2] losses in part-load engine operation. Since in every day driving as well as in various drive cycles the engine is mostly operated in part load, this measure reduces the overall fuel consumption.…”

Combustion Approach for Downsizing: the IFP Concept

“…This way offers a high CO 2 saving potential -20% and more ( [6][7][8])-and, looking to the future, presents high synergy with mild hybridisation for further gain.…”

“…To enable fast and stable combustion, high air tumble-motion is obtained thanks to tumble type air ducts and a piston with a bowl. A dedicated short duct, low plenum volume, engine air intake system is also fitted [7]. From an experimental point of view, conditions are as follows: -the relative air/fuel ratio (λ) is fixed at 1.0 while upstream turbine temperature in the hottest scroll is below the temperature limit (950°C for twin-scroll housing); -the exhaust back pressure is fixed at almost 45 kPa at maximum power (5500 rpm);…”

Observer Design for Downsized Gasoline Engine Control Using 1D Engine Simulation

“…Based at IFP on an innovative combination of homogeneous direct injection, turbocharging and variable valve timing [1,2], this approach allows reduction of burnt gas residuals thanks to a scavenging effect. Thus, with increasing knock resistance, the engine displacement can be reduced and the engine achieves higher efficiency at low and partial loads while maintaining attractive power output at full load.…”