Use of Advanced Tools for the Analysis of Gasoline Direct Injection Engines

Utilisation d'outils avancés pour l'analyse des moteurs à injection directe d'essence

Institut Français du Pétrole

Corresponding author: michel. castagne@ifp. fr

Abstract

A methodology that uses simultaneously three dimensional (3D) calculations and advanced experimental tools has been developed in order to characterize air/fuel mixing and combustion of gasoline direct injection (GDI) engines at every stage of development. The experimental tools used in this analysis underline the great cycle-to-cycle variability and show that the air/fuel ratio variations at spark plug are closely linked to the fluctuations of combustion starting and development. Despite this variability, average measurements are reproducible and in good agreement with 3D computational results obtained with KIVA-MB code. The common use of both kinds of tools allows getting a very fine understanding of GDI engine concepts. This approach has been first applied to the analysis of wall-guided direct injection engine concept, through the analysis of Mitsubishi GDI engine. It has also been used for the analysis of the spray-guided direct injection engine concept. In both cases the robustness of the air/fuel ratio control at spark plug is clearly the greatest challenge for GDI stratified engines.

Résumé

Une méthodologie utilisant simultanément des calculs tridimensionnels (3D) et des outils expérimentaux avancés a été développée dans le but de caractériser le mélange air/carburant et la combustion des moteurs à injection directe d'essence (IDE) à tous les stades de développement. Les outils expérimentaux utilisés soulignent la grande variabilité cyclique et montrent que les dispersions de la richesse du mélange à la bougie sont étroitement liées aux fluctuations du démarrage et du développement de la combustion. Malgré ces dispersions, les mesures moyennes sont reproductibles et en bon accord avec les résultats des calculs 3D obtenus avec le code KIVA-MB. L'utilisation conjointe de ces deux types d'outils permet une compréhension très fine des différents concepts de moteurs IDE. Cette approche a d'abord été appliquée au concept de moteur IDE à jet dévié par la paroi, à travers l'analyse du moteur Mitsubishi GDI. Elle a également été utilisée pour analyser le concept de moteur IDE à stratification par le jet. Dans les deux cas, la robustesse du contrôle de la richesse du mélange à la bougie apparaît clairement comme le challenge le plus difficile pour la mise au point des moteurs IDE stratifiés.