Cfd Aided Development of a Si-Di Engine Aide au développement d'un moteur à injection directe d'essence par modélisation 3D

Abstract

Gasoline Direct Injection (GDI) appears to be the most relevant way to improve fuel efficiency of SI engines. But today, GDI is essentially regarded as a suitable technology for relatively high displacement engines, and the literature shows that the R&D effort on GDI engines is generally made for bores larger than 80 mm. For small bore engines (bore below 75 mm), locating an injector in already congested cylinder heads, with ultra lean stratified combustion capability while maintaining high engine specific power and proper cylinder head cooling is a real challenge. For such an engine, IFP is developing a 3-valve per cylinder engine (NSDI-3), based on a narrow spacingconcept, with a spark-plug-close-to-the-injector design and a suitable piston to confine the gasoline spray within the vicinity of the ignition location. This paper describes the contribution of 3D modeling to the development of this engine, from the initial work during the design of the prototype combustion chamber, to the development and tuning of the prototype engine on the test bench. Depuis quelques années, l'injection directe d'essence apparaÎt comme l'une des voies d'investigation les plus performantes pour améliorer le rendement des moteurs à allumage commandé. Cependant, cette technologie est, actuellement, plutôt réservée aux moteurs de cylindrée assez importante, et les travaux de R&D présentés dans la littérature font surtout état de développement pour des moteurs d'alésage supérieur à 80 mm. En ce qui concerne les petits moteurs (alésage inférieur à 75 mm), implanter un injecteur dans une culasse déjà largement encombrée, avec un fort potentiel de combustion en mélange très pauvre stratifié, tout en maintenant de bonnes performances moteur et un circuit de refroidissement bien dimensionné, constitue un véritable défi. Pour un tel moteur, l'Institut français du pétrole (IFP) développe une solution à 3 soupapes par cylindre (NSDI-3), basée sur un concept narrow-spacing. Une chambre a donc été dessinée avec une culasse comprenant une bougie et un injecteur proches l'un de l'autre, et un piston à bol devant permettre de conserver le carburant au voisinage de la bougie au moment du déclenchement de la combustion. Cet article décrit la contribution de la modélisation 3D au développement de ce moteur, depuis les travaux effectués tout au début de l'étude pendant la phase de conception au Bureau d'études, jusqu'à ceux réalisés pendant la phase de mise au point du moteur prototype au banc d'essais moteur, afin d'aider à la compréhension de son fonctionnement et proposer des améliorations de forme de chambre.