Downsizing of Gasoline Engine: an Efficient Way to Reduce CO2 Emissions
Écosuralimentation des moteurs à essence: une voie efficace pour réduire les émissions de CO2
Institut Français du Pétrole
Corresponding author: pierre. leduc@ifp. fr
In order to meet commitments in terms of vehicle CO2 emission reduction for the whole fleet of cars for the year 2008, engine research and development is today exploring several fields. From CO2 point of view, gasoline engines suffer from an handicap in comparison to Diesel engines. Reduction of size of gasoline engine (downsizing) appears to be a promising way to improve engine efficiency and is subject to extensive research. Having a look to the long term, the aim should be to reduce by half the engine displacement volume. Calculation results from a vehicle simulation illustrate that even a so extensive downsizing will not be enough to bring the entire gasoline fleet to the requested CO2 levels. It would just be sufficient to reach the targeted levels for year 2008 for a mid-class vehicle powered by a downsized 0. 8 l engine instead of a current 1. 6l gasoline engine. Reduction of CO2 emission is in that case about 18% in warm engine conditions. Then, further improvements have to be achieved in terms of gasoline engine specific fuel consumption, especially for bigger cars. IFP has developed an innovative approach combining two energy saving technologies that are gasoline direct injection and turbocharger with renewed definition of valve timing. This has been applied on a 1. 8l engine. An unconventional combustion chamber scavenging process becomes then feasible on a turbocharged engine. Knock resistance and volumetric efficiency are improved. The close interactions between combustion, turbocharger and valve timing have been analysed and optimised. Result is a significant increase in specific engine output in terms of torque and power, while keeping low specific fuel consumption level over the whole range of engine running conditions. Specific torque obtained at 1250rpm has been progressively increased by 50% and is today close to 1. 7MPa BMEP while maximum power is now 83 kW/l with a specific fuel consumption of about 300g/kWh. This type of 1. 8 l engine would be an interesting competitor to downsize current big gasoline engines with displacement from 2. 5 to 3. 0 l.
Résumé
En vue d'atteindre les engagements pris pour 2008 en matière de réduction des émissions de CO2 de l'ensemble du parc de véhicules, la R&D moteur explore différentes solutions. Du point de vue des émissions de CO2, 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 CO2 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 CO2 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 300g/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.
© IFP, 2003