Oil & Gas Science and Technology – Rev. IFP Energies nouvelles, Vol. 69 (2014), No. 1, pp. 107-128

Investigation of Boundary Condition and Field Distribution Effects on the Cycle-to-Cycle Variability of a Turbocharged GDI Engine Using LES

Études des effets des conditions aux limites et de la distribution des champs sur la variabilité cycle-à-cycle dans un moteur GDI turbocompressé en utilisant la LES

¹ DIMeC - University of Modena and Reggio Emilia, Strada Vignolese 905, 41 125 Modena - Italy
² CD-adapco Ltd., 200 Shepherds Bush Road, London, W6 7NL - England
e-mail: stefano.fontanesi@unimore.it - stefano.paltrinieri@unimore.it - alessandro.dadamo@unimore.it - stefano.duranti@cd-adapco.com

^⋆ Corresponding author

Abstract

The paper reports some preliminary results of a numerical activity aiming at characterizing cycle-to-cycle variability of a highlydownsized turbocharged DISI (Direct Injection Spark Ignition) engine for high-performance car applications, using a customized version of the commercial software Star-CD licensed by CD-adapco. During experimental investigations at the engine testbed, high cycle to cycle dispersion was detected even for relatively stable peak-power/full-load operations of the engine, thus limiting the overall engine performance.

Despite the complex architecture of the V-8 engine, the origin of such cyclic variability could not be related to cyclic fluctuations of the gas-dynamics within the intake and exhaust pipes. Several subsequent acquisitions of the instantaneous pressure traces were measured at both the intake port entrance and exhaust port junction, showing almost negligible differences in terms of both amplitude and phasing compared to those within the cylinder.

In order to explore the potentials of the LES application to the analysis and understanding of the cycle-to-cycle variability, which notoriously strongly limits the overall engine performance, a numerical activity is carried out using full-cycle LES simulations over several subsequent engine cycles. Despite the very early stage of the investigation, two main issues are addressed in the paper: the analysis of the possible causes originating the high cycle to cycle variability and the influence of the boundary conditions on the predicted cyclic dispersion.

Concerning the former aspect, a detailed investigation of local and global instantaneous fields is carried out aiming at identifying both a possible hierarchy of responsibilities on one side and limitations and possible improvements of the adopted numerical procedure on the other side.

Concerning the latter aspect, a set of simulations, performed applying cycle-independent averaged experimental conditions, is compared to those resulting from the application of cycle-specific variable pressure traces at both intake and exhaust sides, in order to analyze the influence of port fluctuations on the in-cylinder pressure history.

Results are also qualitatively compared to those resulting from a multi-cycle RANS simulation using the same grid-size, in order to better highlight the superior LES potentials.

Résumé

L’article présente les résultats préliminaires des activités numériques visant à caractériser la variabilité cycle-à-cycle d’un moteur DISI (Direct Injection Spark Ignition) turbochargé fortement downizé pour application automobile à haute performance en utilisant une version personnalisée du code commercial Star-CD sous licence de CD-adapco.

Au cours des études expérimentales au banc d’essai moteur, on a détecté une haute dispersion cycle-à-cycle, même pour des conditions de fonctionnement du moteur relativement stables à puissance maximale pleine charge, limitant ainsi les performances globales du moteur.

Malgré l’architecture complexe du moteur V-8, l’origine de la variabilité cyclique qui a été enregistrée ne pouvait pas être liée aux fluctuations cycliques de la dynamique du gaz entre les conduits d’admission et d’échappement. Plusieurs autres courbes de pression instantanées ont été mesurées à l’entrée du port d’admission et à la jonction de l’orifice d’échappement, montrant des différences presque négligeables en termes d’amplitude et de phase par rapport à celles dans le cylindre.

Pour explorer le potentiel de l’application de la technique LES pour l’analyse et la compréhension de la variabilité cycle-à-cycle, bien connue pour limiter fortement les performances globales du moteur, un travail numérique a été effectué et a concerné plusieurs cycles complets de simulations LES de cycles moteur consécutifs.

Malgré la précocité de l’étude, deux questions principales sont abordées dans l’article : l’analyse des causes possibles à l’origine de la variabilité cycle-à-cycle et l’influence des conditions aux limites sur la dispersion cyclique prévue.

En ce qui concerne la première question, une enquête détaillée a été conduite sur les champs instantanés locaux et globaux visant à identifier une possible hiérarchie des responsabilités d’un côté et les limites et les possibles améliorations de la procédure numérique adoptée de l’autre côté.

Quant au second point un ensemble de simulations réalisées, en appliquant des conditions expérimentales moyennées indépendantes du cycle, est comparé à celles résultant de l’application à l’admission et à l’échappement de pressions variables spécifiques au cycle, afin d’analyser l’influence des fluctuations des orifices sur l’historique des pressions dans le cylindre. Les résultats sont aussi qualitativement comparés à ceux résultant d’un ensemble de simulations multi-cycle RANS utilisant la même dimension de grille afin de mieux mettre en évidence les potentialités exceptionnelles développées par la technique LES.