Zero-dimensional turbulence modeling of a gasoline engine in a Miller cycle “Rightsizing” approach

New environmental regulations are encouraging automakers to focus on over-expanded cycles and to set aside the classic Otto cycle. The Miller cycle is part of this family of cycles and can be applied to spark ignition engines easily by modifying the intake valve closing event. The engine expands more than the actual compression phase. The millerization of an engine is done by increasing the size of the engine and closing the intake valves in advance. The closing time is chosen to follow the same effective compression phase as the reference engine. This process is known as "rightsizing". This paper describes a zero-dimensional approach to estimate the benefits obtained by millerization of a reference engine. The model includes a heat transfer sub-model, based on the Woschni coefficient, as well as a friction sub-model that allows us to take into account the effect of an increase in size. Premature closure of the intake valves in the Miller cycle tends to reduce the intensity of aerodynamic movements within the cylinder, so the level of turbulence at the end of compression is reduced. This phenomenon increases combustion duration and affects efficiency. A K-k-ε turbulence model is used to estimate the intensity of turbulence at the end of compression. A relationship between combustion time and turbulence is proposed. For the reference engine, the benefits obtained by millerisation allow an increase of one efficiency point, corresponding to an efficiency improvement of about 3%.

Les nouvelles restrictions environnementales poussent les constructeurs automobiles à s’intéresser aux cycles à détente prolongée et à laisser de côté le classique cycle de Beau de Rochas. Le cycle de Miller fait partie de cette famille de cycle et peut s’appliquer simplement aux moteurs à allumage commandé en modifiant le diagramme de fermeture des soupapes d’admission. Le moteur effectue une détente plus importante que la phase de compression effective. La millérisation d’un moteur se fait en augmentant la taille de celui-ci et en fermant les soupapes d’admission en avance. L’instant de fermeture est choisi de manière à suivre la même phase de compression effective que le moteur de référence. Cette démarche est connue sous le nom de « rightsizing ». Ce papier décrit une approche zéro dimensionnelle pour estimer les bénéfices obtenus par la millérisation d’un moteur de référence. Le modèle comprend un sous modèle de transfert thermique, basé sur la corrélation du coefficient de convection de Woschni, ainsi qu’un sous modèle de frottements qui permet de prendre en compte l’effet d’une augmentation de la taille. La fermeture prématurée des soupapes d’admission du cycle de Miller tend à réduire l’intensité des mouvements aérodynamiques internes au cylindre, le niveau de turbulence en fin de compression est donc réduit. Ce phénomène augmente la durée de combustion et affecte le rendement. Un modèle de turbulence K-k-ε est utilisé pour estimer l’intensité de la turbulence en fin de compression. Une relation entre la durée de combustion et la turbulence est proposé. Pour le moteur de référence, les gains obtenus par millérisation permettent l’augmentation d’un point de rendement, correspondant à une amélioration d’efficacité d’environ 3%, valeur très significative pour un rendement.

ICE Over-expanded cycle Miller cycle EIVC 0D model turbulence flame radius

MCI cycles à détente prolongée cycle de Miller EIVC modèle 0D turbulence rayon de flamme