Optimización de la combustión de un motor Diesel para el cumplimiento de normativa de emisiones contaminantes

Abstract

Los motores de combustión interna alternativos se han visto sometidos al cumplimiento de unas normativas de gases contaminantes cada vez más restrictivas fomentado el desarrollo e investigación en nuevas técnicas más vanguardistas y estrategias de reducción de emisiones como EGR, sistemas de pos tratamiento, entre otros. El proyecto realizado en el Instituto Universitario CMT consiste en la optimización de la combustión de un motor diesel de 4T de 1.9l de cilindrada Euro IV mediante la herramienta predictiva 0D siciclo. Para ello, se ha implementado un modelo predictivo de NOx el cual ha sido calibrado mediante datos experimentales que se tomaron previamente en la sala de ensayos. Una vez calibrado y validado el modelo con un error promedio relativo del 18% de NOx, se ha realizado el estudio de optimización del rendimiento indicado mediante una herramienta de algoritmos genéticos reduciendo al mismo tiempo las emisiones por debajo de las exigencias de las normativas: Euro IV, Euro V, etc. Para la realización del estudio, la variable a manipular ha sido únicamente la ley de liberación de calor a partir de la cual se ha conseguido optimizar un ciclo de homologación NEDC en normativa EURO V disminuyendo los valores de NOx por debajo de 2 g/kWh. Por otro lado, se ha realizado un estudio en paralelo analizando el impacto de los NOx en puntos de alta carga donde existen dos variables a manipular: la ley de liberación de calor y la tasa de EGR. Con ello se consigue reducir considerablemente la formación de NOx térmicos y a su vez, conseguir mejores rendimientos indicados. Finalmente, se trata de un modelo teórico, y se pretende seguir estudiando en trabajos futuros cómo afectan diferentes parámetros al rendimiento y las emisiones, como por ejemplo, variar el inicio de la inyección, la presión de rail, presión y número de inyecciones, entre otros.

Internal combustion engines have been required to fulfill with increasingly stringent polluting gas regulations, encouraging development and research into new techniques and emission reduction strategies such as EGR, aftertreatment systems, etc. The project carried out at the Instituto Universitario CMT consists of optimizing the combustion of a 4T diesel engine using a 0D predictive tool. The studied engine is a 1.9-liter Euro IV. Therefore, for the research study it has been implemented a NOx emissions model which has been calibrated by experimental data that were previously measured in the test cell. Once the model has been calibrated and validated with an average error of 18% of NOx, it is ready to carry out the indicated performance optimization study. With this aim I have implemented a genetic algorithm tool to enhance the efficiency while reducing emissions below the requirements of the regulations: Euro IV, Euro V. For the realization of the study, the variable to be manipulated was only the law of heat release from which it has been possible to optimize a NEDC homologation cycle in EURO V regulations by decreasing the NOx values below 2 g / kWh. On the other hand, a parallel study has been carried out analyzing the impact of NOx in high load points where there are two variables to be manipulated: the law of heat release and the EGR rate. This considerably reduces the thermal NOx formation and, in turn, achieves better indicated performances. Finally, it is a theoretical model, and it is intended to continue studying in future works how different parameters affect performance and emissions, such as varying the start of injection, rail pressure, pressure and number of injections, between others. Finally, since it is a theoretical model it is intended to represent this results in future works by varying the settings of injection.

Els motors de combustió interna alternatius s'han vist sotmesos al compliment d'unes normatives de gasos contaminants cada vegada més restrictives fomentant el desenrotllament i investigació en noves tècniques més avantguardistes i estratègies de reducció d'emissions com EGR, sistemes de pos-tractament, entre altres. El projecte realitzat en l'Institut Universitari CMT consisteix en la optimització de la combustió d'un motor dièsel de 4T de 1.9l de cilindrada Euro IV per mitjà de la ferramenta predictiva 0D siciclo. Per consehuir-ho s'ha implementat un model predictiu de NOx que ha sigut calibrat per mitjà de dades experimentals que es van prendre prèviament en la sala d'assajos. Una vegada calibrat i validat el model amb un error mitjà relatiu del 18% de NOx, s’ha realitzat l'estudi d'optimització del rendiment indicat per mitjà d'una ferramenta d'algoritmes genètics reduint al mateix temps les emissions per davall de les exigències de les normatives: Euro IV, Euro V, etc. Per a la realització de l’estudi, la variable a manipular ha sigut únicament la llei d'alliberament de calor a partir de la qual s'ha aconseguit optimitzar un cicle d'homologació NEDC en normativa EURO V disminuint els valors de NOx per davall de 2 g/kWh. D'altra banda, s'ha realitzat un estudi en paral·lel analitzant l'impacte dels NOx en punts d'alta càrrega on hi ha dos variables a manipular: la llei d'alliberament de calor i la taxa d'EGR. Amb això s'aconseguix reduir considerablement la formació de NOx tèrmics i al seu torn, aconseguir millors rendiments indicats. Finalment, es tracta d'un model teòric, i es pretén continuar estudiant en treballs futurs com afecten diferents paràmetres al rendiment i les emissions, com per exemple, variar l'inici de la injecció, la pressió de rail, pressió i nombre d'injeccions, entre altres.