EXPERIMENTAL ANALYSIS OF THERMAL MANAGEMENT INFLUENCE ON PERFORMANCE AND EMISSIONS IN DIESEL ENGINES AT LOW AMBIENT TEMPERATURE

Abstract

La regulación mundial de emisiones contaminantes en el sector de la automoción está siendo cada día más estricta. La implantación de nuevos procedimientos está presionando la industria hacia la búsqueda de nuevas tecnologías que cumplan los objetivos de reducción de emisiones contaminantes. En el medio plazo se espera que las pruebas de emisiones a baja temperatura ambiente sean obligatorias en el proceso de homologación. La combustión a bajas temperaturas influye de forma importante en la velocidad de la reacción conllevando un aumento de las emisiones y finalmente al apagado de llama. Bajo estas condiciones, se produce un aumento de las emisiones de hidrocarburos (HC) y monóxido de carbono (CO) así como un aumento del consumo de combustible. Además, en condiciones de baja temperatura ambiente las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) pueden aumentar debido a la desactivación de los sistemas de recirculación de gases de escape. En la presente tesis, se ha analizado el efecto de la baja temperatura ambiente en un motor diesel HSDI. Los ensayos fueron realizados en ciclos de conducción NEDC y WLTC. La influencia directa de las bajas temperaturas en las emisiones se analizó por medio de las medida bruta de contaminantes, aguas arriba de los sistemas de postratamiento. El funcionamiento de los sistemas de postratamiento también fue evaluado a bajas temperaturas mediante la eficiencia de la oxidación catalítica de HC y CO. Los resultados de este estudio mostraron un deterioro de las emisiones y del rendimiento efectivo a bajas temperaturas. El efecto de las bajas temperaturas varió dependiendo de condiciones de carga. El ciclo NEDC se consolida como el peor escenario de conducción, para la realización de pruebas a baja temperatura, con un incremento del 270% en HC, 250% en NOx, 125% en CO y 20% en consumo específico. El mayor grado de carga junto con el carácter más transitorio del ciclo WLTC mostraron un efecto menor de las bajas temperaturas ambiente con un aumento del 150% en HC y 250% en NOx. A diferencia del ciclo NEDC, las emisiones de CO se redujeron en un 20% y no se detectó un aumento del consumo de combustible. Además del aumento de la formación de contaminates, el análisis del catalizador de oxidación mostró una reducción de la eficiencia en ambos ciclos de conducción NEDC y WLTC. El presente trabajo tiene por objetivo comparar dos sistemas de gestión térmica para la mejora del funcionamiento de MCIA a bajas temperaturas. El primer sistema estaba basado en la gestión del flujo de refrigerante para evitar subenfriamiento en condiciones de funcionamiento en frío. Por un lado, se propusieron estrategias de bajo y nulo flujo en el circuito de refrigerante motor. Por otro lado, se realizaron ensayos con 0 flujo en el circuito de refrigerante del WCAC para evitar el subenfriamiento del aire de admisión durante puntos de baja carga en condiciones de funcionamiento en frío. El otro sistema incluía la recuperación de energía térmica del escape (EGHR). El refrigerante del WCAC se empleó como fluido de recuperación conectándose con un intercambiador de escape. La primera parte de los resultados de la gestión térmica están centrados en el análisis individual de los distintos sistemas de gestión. En las conclusiones se comparan todos los sistemas propuestas explicando las diferencias entre ellos. Mediante el uso del EGHR las emisiones de HC fueron reducidas, durante los puntos de baja carga, en comparación con el resto de estrategias térmicas planteadas. El análisis energético del EGHR se centró en la eficiencia y en el estudio la recuperación por cambio de fase. El papel que la entalpia de cambio de fase juega en la recuperación de calor residual fue estudiado por medio de la medición de concentración de vapor de agua en el gas de escape en la entrada y salida del intercambiador del EGHR. La condensación del vapor de agua de escape representó el 25% de toda la

Automotive world-wide pollutant emissions regulations are getting more stringent every day. New testing procedures are pushing the automotive industry towards researching new technologies to accomplish the emissions targets. In the mid-term future is expected that low ambient temperature emissions testing will become mandatory for any engine model type approval. Low ignition temperature greatly influences on combustion rate leading to emissions increase and eventually to misfiring events. In these conditions, high emissions of unburned hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) are released along with fuel consumption penalties. In addition, nitrogen oxides (NOx) emissions may rise under cold conditions owing to the disabling of Exhaust Gas Recirculation (EGR) systems at cold conditions. In this thesis the effect of low ambient temperature in a High Speed Direct Injection (HSDI) Light Duty (LD) engine is analysed. Tests were performed in New European Driving Cycles (NEDC) and Worldwide harmonized Light vehicles Tests (WLTC). Direct influence of low temperature on engine emissions was addressed by engine out pollutants sampling. The effect on aftertreatment systems was also evaluated by the CO and HC oxidation efficiency. The results of this survey indicated a general detriment of pollutant emissions and brake thermal efficiency at low ambient temperatures. The effect of low temperature varied depending on the engine load test conditions. NEDC comes up as the worst scenario for low temperature testing with an increase of 270% in HC, 250% in NOx, 125% in CO and 20% in Brake Specific Fuel Consumption (BSFC). Running at higher engine loads and transient conditions, as it's performed in WLTC tests, showed a lower effect of ambient temperature with an increase of 150% in HC and 250% in NOx. In contrast to NEDC, CO emissions were reduced in 20% and no engine efficiency penalty was spotted. In addition to the pollutant emission formation increase, the aftertreatment analysis showed a significant reduction of the Diesel Oxidative Catalyst (DOC) efficiency in both NEDC and WLTC. This work is aimed to analyse and compare two different thermal management approaches for engine enhancement running at low ambient temperature. The first approach relied on coolant management aimed to avoid overcooling when running at cold conditions. On one hand, low flow and 0 flow engine coolant strategies were performed while Water Charge Air Cooled (WCAC) coolant is recirculated. On the other hand, WCAC 0 flow was applied for avoiding overcooling at low ambient temperatures. The other layout was based on an exhaust gas heat recovery system (EGHR). WCAC coolant was directed to an exhaust tail pipe heat exchanger for waste heat recovery. Recovered heat was released in the WCAC for speeding up the intake air temperature increase. The first part of the thermal management results is focused on the analysis by thermal layout. Comparison of both thermal management is discussed in the conclusions section of that chapter. By enabling an EGHR system, HC emissions were reduced during low load driving phases in comparison with the other of layouts. EGHR energy analysis was also conducted, focusing on energy efficiency and phase change recovery analysis. The role that latent enthalpy plays on waste heat recovery was addressed by measuring the water vapour concentration in the exhaust stream at both EGHR heat exchanger inlet and outlet. Water vapour condensation represented the 25% of the total recovered energy.

La regulació mundial d'emissions contaminants en el sector de l'automoció està sent cada vegada més estricta. La implantació de nous procediments està pressionant la indústria cap a la cerca de noves tecnologies que complisquen els objectius de reducció d'emissions contaminants. En el mig termini s'espera que les proves d'emissions a baixa temperatura ambient siguen obligatòries en el procés d'homologació. La combustió a baixes temperatures influeix de forma important en la velocitat de la reacció comportant un augment de les emissions i finalment a l'apagat de flama. Sota aquestes condicions, es produeix un augment de les emissions d'hidrocarburs (HC) i monòxid de carboni (CO) així com un augment del consum de combustible. A més, en condicions de baixa temperatura ambiente les emissions d'òxids de nitrogen (NOx) poden augmentar a causa de la desactivació dels sistemes de recirculació de gasos d'escapament. En la present tesi, s'ha analitzat l'efecte de la baixa temperatura ambiente en un motor dièsel HSDI. Els assajos van ser realitzats en cicles de conducció NEDC i WLTC. La influència directa de les baixes temperatures en les emissions es va analitzar per mitjà de la mesura bruta de contaminants, aigües a dalt dels sistemes de postractament. El funcionament dels sistemes de postractament també va ser avaluat a baixes temperatures mitjançant l'eficiència de la oxidació catalítica de HC i CO. Els resultats d'aquest estudi van mostrar una deterioració de les emissions i del rendiment efectiu a baixes temperatures. L'efecte de les baixes temperatures variava depenent de les condicions de càrrega. El cicle NEDC es consolida com el pitjor escenari de conducció, per a la realització de proves a baixa temperatura, amb un increment del 270% en HC, 250% en NOx, 125% en CO i 20% en consum específic. El major grau de càrrega juntament amb el caràcter més transitori del cicle WLTC van mostrar un efecte menor de les baixes temperatures ambient amb un augment del 150% en HC i 250% en NOx. A diferència del cicle NEDC, les emissions de CO es van reduir en un 20% i no es va detectar un augment del consum de combustible. A més de l'augment de la formació de contaminants, l'anàlisi del catalitzador d' oxidació va mostrar una reducció de l'eficiència en tots dos cicles de conducció NEDC i WLTC. El present treball té per objectiu comparar dos sistemes de gestió tèrmica per a la millora del funcionament dels MCIA a baixes temperatures. El primer sistema estava basat en la gestió del flux de refrigerant per a evitar subrefredament en condicions de funcionament en fred. D'una banda, es van proposar estratègies de baix i nul flux en el circuit de refrigerant motor. D'altra banda, es van realitzar assajos amb 0 flux en el circuit de refrigerant del WCAC per a evitar el subrefredament de l'aire d'admissió durant punts de baixa càrrega en condicions de funcionament en fred. L'altre sistema incloïa la recuperació d'energia tèrmica de l'escapament (EGHR). El refrigerant del WCAC es va emprar com fluït de recuperació connectant-se amb un bescanviador d'escapament. La primera part dels resultats de la gestió tèrmica estan centrats en l'anàlisi individual dels diferents sistemes de gestió. En les conclusions es comparen tots els sistemes proposats explicant les diferències entre ells. Mitjançant l'ús del EGHR les emissions de HC van ser reduïdes, durant els punts de baixa càrrega, en comparació de la resta d'estratègies tèrmiques plantejades. L'anàlisi energètic del EGHR es va centrar en l'eficiència i en l'estudi de la recuperació per canvi de fase. El paper que l'entalpia de canvi de fase juga en la recuperació de calor residual va ser estudiat per mitjà del mesurament de concentració de vapor d'aigua en el gas d'escapament en l'entrada i eixida del bescanviador del EGHR. La condensació del vapor d'aigua de l'escapament va representar el 25% de tota l'energia recuperada.