Effects of EGR transient operation on emissions and performance of automotive engines during RDE cycles

Abstract

[ES] Hoy en día, las regulaciones sobre emisiones de los automóviles se están haciendo más estrictas. Además de los ciclos de homologación estándar, actualmente se están empezando a considerar nuevos métodos de homologación que tienen en cuenta las condiciones reales que se dan en la carretera. Los sistemas de Recirculación de Gases de Escape (EGR) son estrategias que han demostrado ser efectivas durante estacionarios y que también pueden ser usadas en ese tipo de ciclos dinámicos que corresponden a condiciones reales de conducción. Esta tesis se centra en la implementación de diferentes sistemas EGR para su uso en condiciones dinámicas en motores diésel turbosobrealimentados. En primer lugar, se lleva a cabo un análisis del ciclo de conducción para identificar las operaciones específicas de tipo transitorio más frecuentes en los ciclos dinámicos como WLTC y RDE. Los resultados muestran que la frecuencia en la que se producen fuertes transitorios en carga es mayor que en la que se producen transitorios de velocidad. Entre ellos, el número de operaciones de tipo Tip-out es superior a las de tipo Tip-Ins, especialmente en el rango de 1250-2000 rpm. Estos fuertes transitorios se repiten en el banco de ensayos de motor equipado con analizadores de gas de alta frecuencia, de forma que se registran la concentración instantánea de CO2 y NOx. También se ha realizado un estudio paramétrico de la actuación de la válvula de EGR durante la operación de varios transitorios fuertes, cuantificando el retraso en el transporte, la concentración de NOx y las partículas. El lazo de EGR de baja presión, LPEGR, ha resultado ser más efectivo cuando se operaba a plena carga, así como durante los transitorios, comparado con el lazo de EGR de alta presión, HPEGR. De esta forma, se propone la válvula de control más adecuada para LPEGR, lo que puede ser útil para la calibración de los transitorios de los motores diésel turbosobrealimentados. Además de ello, se señala el compromiso entre rendimiento y emisiones durante los transitorios de EGR. Al implementar la recirculación de los gases de escape a lo largo de todo el mapa del motor se minimiza la aparición de picos inesperados de emisión de NOx. Concretamente, las estrategias LPEGR consiguen reducir alrededor de un 20-60% los NOx emitidos durante los primeros pocos segundos con menos de un 5% de penalización en el rendimiento. Adicionalmente, en el documento también se presentan las simulaciones que se han realizado de los modelos unidimensionales de los transitorios. El control de la turbina de geometría variable juega un papel importante a la hora de calibrar el modelo para transitorios de EGR. Además de ello, se lleva a cabo una optimización de la separación de EGR para varios puntos estacionarios por medio de simulaciones que están basadas en el compromiso entre rendimiento y emisiones. Además, se propone un algoritmo para optimizar la separación de EGR, reduciendo en alrededor de un 80% el tiempo de cálculo de un DOE o un método de algoritmo genético. Finalmente, se crea un modelo simple de NOx 3D cuasi-estacionario para predecir las emisiones durante el transitorio en condiciones de conducción reales. La tasa de EGR, como tercera entrada del modelo, muestra una mejora significativa a la hora de predecir el transitorio de NOx con respecto al modelo 2D.

[EN] The automotive emission regulations are getting more stringent these days. New methods of homologation are being considered other than standard cycles considering the real driving behavior on road. The EGR system is one of the proven and well tested strategies in steady state which can be used on those dynamic real driving conditions too.

This dissertation focuses on implementation of different EGR systems during dynamic operations of turbocharged diesel engine. Firstly, a driving cycle analysis is carried out to identify the specific and frequent transient operations on dynamic cycles like WLTC and RDE. The results show that, the frequency of harsh load transients is higher than speed transients. Among them, the number of Tip-Out operations outnumber the Tip-Ins with higher density in 1250-2000 RPM range. Therefore, these harsh transients are repeated separately on the dynamic engine test bench equipped with high frequency gas analyzers to track the instantaneous CO2 and NOx concentration. A parametric study is carried out with EGR valve actuation during various severe load transients, quantifying the transportation delays, NOx concentration and particulate matter. The LPEGR is found to be more effective at the full load as well as during transient operations compared to HPEGR. The best suited LPEGR valve control is proposed, which can be helpful for transient calibration of a turbocharged diesel engine. Moreover, the trade-off between the performance and emission during EGR transients is also pointed out. The implementation of EGR all over the engine map minimizes the unexpected NOx peaks during transients. Specifically, LPEGR strategies manages to reduce around 20-60% of NOx in first few seconds with less than 5% of penalty in performance.

Additionally, 1D model simulation results of load transient operations are presented in the document. The VGT control plays important role to calibrate the model for transient operations with EGR. Apart from this, the EGR split optimization on various steady points is carried out by simulations following the trade-off between performance and emissions. Furthermore, an algorithm to search the optimum split is proposed, reducing around 80% of the calculation time consumed by DOE or genetic algorithm method. Finally, a simple 3D quasi steady NOx model is created to predict the transient emissions in real driving conditions. EGR rate, as 3rd input in model shows significant improvement in prediction of transient NOx over the 2D model.

[CA] En els darrers temps, les regulacions sobre emissions contaminants dels vehicles s'han fet més estrictes. A més dels cicles d'homologació estàndards, actualment s'estan començant a considerar nous mètodes d'homologació que tinguen en compte les condicions reals que es donen en la carretera. Els sistemes de Recirculació de Gasos d'Escapament (EGR) són estratègies que s'han demostrat com a efectives durant condicions estacionàries i que també poden ser emprades en aquest tipus de cicles dinàmics, que corresponen a condicions reals de conducció. Aquesta tesi està centrada en la implementació de diferents sistemes EGR per al seu ús en condicions dinàmiques en motors dièsel turbosobrealimentats. En primer lloc, es du a terme un anàlisi del cicle de conducció per a identificar les operacions específiques de tipus transitori més freqüents en els cicles dinàmics WLTC i RDE. Els resultats mostren que la freqüència a la que s'obtenen forts transitoris de càrrega és major que en aquella en la que es produeixen transitoris de velocitat. Entre aquestos, el nombre d'operacions de tipus Tip-out és superior a les del tipus Tip-ins, especialment en l'interval de 1250-2000 rpm. Aquestos forts transitoris es repeteixen en el banc d'assajos de motor equipat amb analitzadors de gasos d'alta freqüència, de manera que es registren les concentracions de CO2 i NOx. També s'ha realitzat un estudi paramètric de l'actuació de la vàlvula d'EGR durant l'operació de diversos transitoris forts, quantificant el retard en el transport, la concentració de NOx i les partícules. El llaç d'EGR de baixa pressió, LPEGR, ha resultat ser més efectiu quan s'operava a plena càrrega, així com durant els transitoris, comparat amb el llaç d'EGR d'alta pressió, HPEGR. D'aquesta forma, es proposa la vàlvula de control més adequada per a LPEGR, el que pot resultar útil per a la calibratge dels transitoris dels motors dièsel turbosobrealimentats. A banda d'això, s'ha assenyalat el compromís entre rendiment i emissions durant els transitoris d'EGR. Al implementar la recirculació dels gasos d'escapament a tot arreu del mapa del motor es minimitza l'aparició de pics inesperats d'emissió de NOx. Més concretament, les estratègies LPEGR aconsegueixen reduir al voltant d'un 20-60% els NOx emesos durant els primers pocs segons amb menys d'un 5% de penalització en el rendiment. Addicionalment, en el document també es presenten les simulacions que s'han realitzat dels models unidimensionals dels transitoris. El control de la turbina de geometria variable juga un paper important a l'hora de calibrar el model per a transitoris d'EGR. A més d'això, s'ha dut a terme una optimització de la separació d'EGR en diversos punts estacionaris per mitjà de simulacions que estan basades en el compromís entre rendiment i emissions. També es proposa un algoritme per a optimitzar la separació d'EGR, reduint al voltant d'un 80\% el temps de càlcul d'un DOE o un mètode d'algoritme genètic. Finalment, es crea un model simple de NOx 3D quasi-estacionari per a predir les emissions durant el transitori en condicions de conducció real. La taxa d'EGR, com a tercera entrada del model, mostra una millora significativa a l'hora de predir el transitori de NOx respecte al model 2D.