Potential of a two-stage variable compression ratio downsized spark ignition engine for passenger cars under different driving conditions

Abstract

[ES] Con el objetivo de reducir las emisiones contaminantes de los motores de combustión interna (MCI), la aplicación de motores de encendido provocado (EP) operados estequiométricamente, para vehículos leves, ha superado la cuota de mercado de los motores de encendido por compresión (EC) en los últimos años. La capacidad de una reducción sustancial de las emisiones nocivas primarias (HC, CO y NOx) mediante el uso del catalizador de tres vías es la razón principal para eso. No obstante, con una atención cada vez mayor a las emisiones de CO2, el desarrollo de motores de EP downsized de gran eficiencia resultó ser de gran interés. Las sinergias de múltiples sistemas, como la inyección directa de combustible, el turbocompresor y el accionamiento de válvula variable, pueden acercar las eficiencias de motores de EP a las de los motores de EC. Sin embargo, para permitir la operación de alta carga en tales motores de tamaño reducido, la relación de compresión (RC) debe reducirse debido a las limitaciones por detonación, reduciendo la eficiencia de las operaciones en carga parcial. La implementación de sistemas de relación de compresión variable (VCR) de doble-etapa permite la extracción de alta eficiencia térmica con alta RC a cargas más bajas y una operación a carga alta, sin detonación, extendida con bajo RC. En este estudio, la evaluación de un sistema VCR de doble-etapa aplicado a un motor de EP downsized de última generación se realizó mediante simulaciones de ciclo de conducción estándar. El mecanismo VCR se compone de un elemento excéntrico en el extremo pequeño de la biela, que se gira para aumentar / disminuir la longitud efectiva de la biela, presentando los RC de 12.11: 1 y 9.56: 1. El motor fue operado en un banco de pruebas de dinamómetro de corriente-parasita a lo largo del rango de operación esencial para obtener el mapa de consumo de combustible específico de eje (BSFC). La demora de conmutación RC del mecanismo VCR también se caracterizó experimentalmente para derivar una función dependiente de las condiciones de operación del motor. El mapa medido se introdujo en la simulación del ciclo de conducción, basado en los mapas de consumo de las dos RC, con un submodelo para tener en cuenta los efectos aislados del período transitorio que abarca el cambio de la RC. Los resultados muestran que las transiciones lentas de RC conducen a penalizaciones por consumo de combustible, lo que sugiere la necesidad de optimizar las estrategias de control del sistema VCR. A pesar de esta penalización, una vez que se optimiza la velocidad de cambio de marcha hacia arriba para cada ciclo de conducción, el sistema VCR aún permite reducciones de consumo de combustible de hasta un 3% en el ciclo de conducción WLTC, hasta un 4% en los ciclos de conducción urbanos propuestos y hasta 3% en ciclos de conducción en carretera con respecto a la RC fija.

[EN] With the aim of reducing the pollutant emissions from internal combustion engines (ICE), the application of stoichiometrically operated spark ignition (SI) engines, for light-duty vehicles, has been overcoming the compression ignition (CI) engines market share throughout the past years. The ability of a substantial reduction of the primary harmful emissions (HC, CO, and NOx) through the use of the simple three-way catalyst (TWC) is the main reason for that. Nonetheless, with increasing attention to CO2 emissions, the development of highly efficient downsized SI engines turned to be of enormous interest. The synergies of multiple systems such as direct injection, turbocharger, and variable valve actuation are able to lead the SI efficiencies closer to those of CI engines. However, to enable high load operation on such downsized engines, the compression ratio (CR) must be reduced due to knock limitations, reducing the partial-load operations efficiencies. The implementation of two-stage variable compression ratio (VCR) systems enables the extraction of high thermal efficiency with high CR at lower loads and extended knock-free high load operation with low CR. In this study, the evaluation of a two-stage VCR system applied to a state-of-the-art downsized SI engine was made through standard driving cycle simulations. The VCR mechanism is composed of an eccentric element in the small end of the connecting rod, which is rotated to increase/decrease the effective connecting rod length, featuring the CRs of 12.11:1 and 9.56:1. The engine was run in an eddy-current dynamometer test bench throughout the essential operating range to obtain the brake specific fuel consumption (BSFC) map. The VCR mechanism CR switching delay was also experimentally characterized to derive a function of the operating conditions. The measured map was entered into the map-based driving cycle simulation with a sub-model to account for the isolated effects of the transient period encompassing the compression ratio switching. The results show that slow CR transitions lead to fuel consumption penalties, which suggests the need for optimizing the control strategies of the VCR system. Even though this penalty, once the gear up-shift speed is optimized for each driving cycle, the VCR system still enables fuel consumption reductions up to 3% on the WLTC driving cycle, up to 4% on the proposed urban driving cycles and up to 3% on highway driving cycles with respect to the fixed CR.