Combustion Approach for Downsizing: the IFP Concept

L'approche combustion de l'écosuralimentation : le concept IFP

Institut français du pétrole

Corresponding author: alexandre.pagot@ifp.fr

Abstract

Individual transport is facing more and more constraints. In the past decade regulations and car manufacturers have focused above all on decreasing pollutant emissions. Even though it has always been a major part of research, fuel economy has now become the number one priority because of the CO₂ greenhouse effect. In the long term, hybridisation presents the best potential but in the short term, downsizing will allow for a substantial reduction in gasoline engine fuel consumption. To obtain the full benefits from downsizing, IFP has developed a combustion concept based on high knock resistance and high low-end torque potential due to scavenging. This approach has initially been developed by combining gasoline direct injection (GDI) variable valve timing and twin-scroll technologies (for 4-cylinder engines). This technology is used to develop lambda one partly stratified combustion due to split injection. These stratified mixtures improve engine knock resistance but with conventional injection systems they induce severe drawbacks on pollutant emissions. IFP's answer to this problem has shown very high potential according to the 1.89 MPa at 1500 rpm reached by a 2 litre engine with compression ratio of 11.2. In the car industry, cost is one of the most restrictive criteria. IFP has taken this into account when proposing 2 concrete solutions to reduce the cost of turbocharged gasoline engines. The first step was to replace twin-scroll turbine housings by mono-scroll turbines. Then the challenge was to maintain scavenging on 4-cylinder engines. Results have shown that this approach seems to be a very good trade-off between cost and performance. The 1.8 litre engine performs either 2.4 MPa BMEP at 2000 rpm and 90 kW/l or 2.4 MPa BMEP at 1400 rpm and 83 kW/l. In the latter case, the engine has also been evaluated in full lambda one operation with maximum upstream turbine temperature of 1050°C. Even if limited by lambda one combustion, maximum power density reaches 73 kW/l with a very attractive 260 g/kWh specific fuel consumption. As the cost of small gasoline engines is critical, IFP has started to develop the scavenging process in the case of port fuel injection. Current results show that it is possible to avoid fuel by-pass with a specifically designed engine that points the way to very interesting prospects.

Résumé

Le transport individuel doit faire face à de plus en plus de contraintes. Dans le passé, les normes et les constructeurs automobiles se sont avant tout attachés à réduire les émissions de polluants. Même si la réduction de consommation a toujours été un axe majeur de recherche, elle est devenue prioritaire à cause de l'effet de serre du CO₂. A long terme, l'hybridation présente le plus fort potentiel mais à court terme le downsizing permettra une réduction importante de la consommation des véhicules essence. Pour profiter au mieux de la réduction de cylindrée, l'IFP a développé un concept s'appuyant notamment sur le balayage pour, à la fois, offrir une très bonne résistance au cliquetis et un couple élevé à bas régime. Cette approche a initialement été développée en combinant l'injection directe d'essence (GDI), une distribution variable et des carters turbine à flux séparés (pour les moteurs à 4 cylindres). Cette technologie permet également de développer la stratification de richesse pour des combustions à la stoechiométrie grâce à la double injection. Cette stratification permet d'améliorer la résistance au cliquetis des moteurs mais augmente fortement les émissions de polluants dans la cas d'un système d'injection conventionnel. L'IFP a mis un ouvre une solution prometteuse qui à permit à un moteur de 2 l de cylindrée ayant un rapport volumétrique de 11.2:1 d'atteindre 1.89 MPa de PME à 1500 tr/min. Le facteur coût est omniprésent dans l'industrie automobile. L'IFP y est sensibilisé et a pris en compte cette contrainte en proposant deux solutions concrètes pour réduire le coût des moteurs essence suralimentés. La première étape a été de supprimer les carters turbine à flux séparés pour revenir à des étages turbine conventionnels tout en conservant le balayage sur les moteurs à 4 cylindres. Les résultats ont prouvé que cette technologie était un très bon compromis coût / performance. Le moteur de 1.8 l de cylindrée atteint ainsi soit 2.4 MPa de PME à 2000 tr/min et 90 kW/l soit 2.4 MPa de PME à 1400 tr/min et 83 kW/l. Cette dernière version a également été évaluée en fonctionnement entièrement stoechiométrique avec une température entrée turbine de 1050 °C. La puissance maximale est alors de 73 kW/l pour une consommation spécifique très attractive de 260 g/kWh. Pour les petits moteurs essence, l'aspect coût est encore plus discriminant ; l'IFP a donc commencé à développer un concept de moteur à balayage et à injection indirecte d'essence. Les résultats actuels confirment le potentiel de l'approche et sa capacité à ne pas court-circuiter de carburant, ce qui ouvre de nouvelles perspectives.