Cfd Based Shape Optimization of Ic Engine

Optimisation de l'admission et des chambres de combustion des moteurs avec la modélisation 3D

Ford Motor Company

Abstract

Intense competition and global regulations in the automotive industry has placed unprecedented demands on the performance, efficiency, and emissions of today's IC engines. The success or failure of a new engine design to meet these often-conflicting requirements is primarily dictated by its capability to provide minimal restriction for the inducted and exhausted flow and by its capability to generate strong large-scale in-cylinder motion. The first criterion is directly linked to power performance of the engine, while the latter has been shown to control the burn rate in IC engines. Enhanced burn rates are favorable to engine efficiency and partial load performance. CFD based numerical simulations have recently made it possible to study the development of such engine flows in great details. However, they offer little guidance for modifying the ports and chamber geometry controlling the flow to meet the desired performance. This paper presents a methodology which combines 3D, steady state CFD techniques with robust numerical optimization tools to design, rather than just evaluate the performance, of IC engine ports and chambers.

Résumé

La forte concurrence et les réglementations dans l'industrie automobile entraînent aujourd'hui une exigence sans précédent de performance, de rendement et d'émissions pour les moteurs à combustion interne. Le succès ou l'échec de la conception d'un nouveau moteur satisfaisant à ces propriétés, souvent contradictoires, est dicté, dans un premier temps, par l'obtention d'une restriction minimale des débits d'admission et d'échappement, ensuite, par la nécessité de générer des écoulements forts de grande amplitude. Le premier critère est directement lié à la performance du moteur, tandis que le second est reconnu comme contrôlant la combustion. Des dégagements de chaleur accélérés améliorent le rendement et les performances à faible charge. La simulation 3D rend possible depuis peu d'étudier avec beaucoup de détails les écoulements moteur. Cependant, elle offre encore une aide réduite à la modification des conduits d'admission ou des chambres pour contrôler ces écoulements afin d'obtenir les performances désirées. Cet article présente une méthodologie combinant le calcul 3D et des outils numériques robustes d'optimisation pour concevoir l'admission et la chambre de combustion, au lieu d'en évaluer seulement les performances.