Étude numérique de l’injection directe d’air dans un cylindre d’un moteur à allumage commandé

Bigaouette, Francis (2025). Étude numérique de l’injection directe d’air dans un cylindre d’un moteur à allumage commandé. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’injection d’air comprimé dans les moteurs à allumage commandé constitue une piste prometteuse pour améliorer la combustion tout en réduisant les émissions polluantes. Ce mémoire s’inscrit dans la continuité des travaux de Niquet et al. (2025), en adaptant un concept initialement développé pour l’injection directe de gaz d’échappement recirculés (RGE) à l’air comprimé. L’objectif principal est d’évaluer, par simulation numérique, l’effet de différentes stratégies d’injection directe d’air sur les performances du moteur.

Un modèle tridimensionnel CFD du cylindre a été développé à l’aide des modèles k–ζ–f pour la turbulence et ECFM-3Z pour la combustion. Une étude de maillage a permis de garantir la fiabilité des résultats, tandis qu’une validation expérimentale des courbes de pression et de dégagement d’énergie a confirmé la pertinence du modèle.

Les simulations ont ensuite permis d’explorer les effets de l’injection d’air avant et après le point mort haut, à l’avance à l’allumage constante. Avant le point mort haut, les résultats montrent que l’augmentation de la masse et de la température de l’air injecté entraîne une hausse de la pression maximale, de la PMEI et de la turbulence. Certaines stratégies, notamment à 175° et 130° avant le point mort haut, se distinguent par leur capacité à accélérer la combustion. Après le point mort haut, l’injection modifie favorablement les conditions du cycle suivant, notamment en réduisant les gaz résiduels et en augmentant la température locale. Enfin, une stratégie exploratoire à 20° après le point mort haut révèle qu’une injection tardive permet d’accroître la pression en phase de détente, se traduisant par une amélioration du rapport PMEI sur la masse de carburant pouvant atteindre 15 %, sans compromettre la combustion.

Titre traduit

Numerical investigation of direct in-cylinder air injection in a spark-ignition engine

Résumé traduit

Compressed air injection in spark-ignition engines represents a promising approach to improve combustion while reducing pollutant emissions. This thesis builds on the work of Niquet et al. (2025), adapting a concept initially developed for direct injection of recirculated exhaust gases (EGR) to compressed air. The main objective is to numerically evaluate the impact of different injection strategies on engine performance.

A three-dimensional CFD model of the cylinder was developed using the k–ζ–f turbulence model and the ECFM-3Z combustion model. A mesh sensitivity study ensured the reliability of the results, while experimental validation of pressure and heat release curves confirmed the model’s accuracy.

The simulations were then used to explore the effects of air injection at various crank angles, with constant spark timing. When performed before top dead center (TDC), the injection increases peak pressure, indicated mean effective pressure (IMEP), and turbulence, depending on the injected air’s mass and temperature. Certain strategies, particularly at 175° and 130° before TDC, proved effective in accelerating combustion. After TDC, air injection favorably alters the conditions of the following cycle by reducing residual gases and increasing the local cylinder temperature. Finally, an exploratory strategy at 20° after TDC demonstrated that a late injection can significantly increase pressure during the expansion stroke, resulting in an improvement in the IMEP-to-fuel mass ratio of up to 15 %, without compromising the combustion.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maitrise avec mémoire en génie aérospatiale". "Comprend des références bibliographiques (pages 97-103).
Mots-clés libres:	moteur à allumage commandé, injection d’air comprimé, ECFM-3Z, CFD, combustion, émissions, turbulence
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Seers, Patrice
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	23 sept. 2025 18:59
Dernière modification:	23 sept. 2025 18:59
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3706

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