Reducción de emisiones contaminantes en vehículos de pasajeros combinando métodos de combustión avanzados y trenes de potencia electrificados.

Abstract

[ES] Las estrictas regulaciones gubernamentales para vehículos de transporte en términos de emisiones contaminantes, el aumento de la temperatura global del planeta debido a los gases de efecto invernadero (mayormente CO2 y CH4), y la demanda por parte de los clientes de vehículos con bajo consumo de combustible, han llevado a rápidos desarrollos de diferentes alternativas de propulsión en la última década, con especial atención en los vehículos electrificados. Esta tecnología ayuda a reducir el consumo de combustible, por la alta eficiencia de los motores eléctricos, y por tanto las emisiones finales de CO2. Sin embargo, en términos de otros contaminantes como los óxidos de nitrógeno (NOx), puede ser incluso más nociva. Para poder alcanzar ambos objetivos, los métodos de combustión avanzados, como los de baja temperatura, con lo cuales se evita la generación de NOx y hollín durante el proceso de combustión, se presentan como una potencial alternativa a los modos de combustión convencionales. El objetivo principal del presente trabajo de fin de máster es evaluar los beneficios de acoplar una arquitectura de vehículo híbrido con un motor de combustión interna operando mediante modos de combustión avanzados. En concreto, se evaluarán dos conceptos de combustión: el de ignición por compresión controlada por reactividad (RCCI) y el concepto de combustión en pre-cámara activa (PCIS), y tres arquitecturas hibridas: vehículo eléctrico suave (MHEV), completo (FHEV) y enchufable (PHEV). Además, se hará uso de distintos combustibles: Diesel-Gasolina y Diesel-Etanol, en el caso del concepto RCCI, y Etanol-Hidrogeno en el caso del concepto PCIS. Un objetivo secundario de este trabajo es definir una metodología para optimizar los sistemas de propulsión híbridos basados en un motor de combustión ya desarrollado. Los valores de consumo de combustible y las emisiones de cada uno de los conceptos serán evaluados en las condiciones propuestas por la normativa de homologación en Europa (WLTP). Esto permitirá analizar el impacto de diferentes ciclos de conducción y condiciones de operación sobre las emisiones de CO2, las estrategias de gestión de energía, la selección de parámetros y las arquitecturas híbridas. Además, se llevará a cabo un análisis del ciclo de vida del CO2 para comparar el potencial de dichos conceptos híbridos de alcanzar los futuros objetivos de CO2 comparado con el parque automotor actual.

[CAT] Les estrictes regulacions governamentals per a vehicles de transport en termes d'emissions contaminants, l'augment de la temperatura global del planeta degut als gasos d'efecte d'hivernacle (majorment CO2 i CH4), i la demanda per part dels clients de vehicles amb baix consum de combustible, han portat a ràpids desenvolupaments de diferents alternatives de propulsió en l'última dècada, amb especial atenció en els vehicles electrificats. Aquesta tecnologia ajuda a reduir el consum de combustible, per l'alta eficiència dels motors elèctrics, i per tant les emissions finals de CO2. No obstant això, en termes d'altres contaminants com els òxids de nitrogen (NOx), pot ser fins i tot més nociva. Per a poder aconseguir tots dos objectius, els mètodes de combustió avançats, com els de baixa temperatura, amb el quals s'evita la generació de NOx i sutge durant el procés de combustió, es presenten com una potencial alternativa a les maneres de combustió convencionals. L'objectiu principal del present Treball de Fi de Màster és avaluar els beneficis d'acoblar una arquitectura de vehicle híbrid amb un motor de combustió interna operant mitjançant maneres de combustió avançats. En concret, s'avaluaran dos conceptes de combustió: el d'ignició per compressió controlada per reactivitat (RCCI) i el concepte de combustió en pre-cambra activa (PCIS), i tres arquitectures hibrides: vehicle elèctric suau (MHEV), complet (FHEV) i enchufable (PHEV). A més, es farà ús de diferents combustibles: Dièsel-Gasolina i Dièsel-Etanol, en el cas del concepte RCCI, i Etanol-Hidrogene en el cas del concepte PCIS. Un objectiu secundari d'aquest treball és definir una metodologia per a optimitzar els sistemes de propulsió híbrids basats en un motor de combustió ja desenvolupat. Els valors de consum de combustible i les emissions de cadascun dels conceptes seran avaluats en les condicions proposades per la normativa d'homologació a Europa (WLTP). Això permetrà analitzar l'impacte de diferents cicles de conducció i condicions d'operació sobre les emissions de CO2, les estratègies de gestió d'energia, la selecció de paràmetres i les arquitectures híbrides. A més, es durà a terme una anàlisi del cicle de vida del CO2 per a comparar el potencial d'aquests conceptes híbrids d'aconseguir els futurs objectius de CO2 comparat amb el parc automotor actual.

[EN] The strict government regulations for transport vehicles in terms of polluting emissions, together with the increase of the global temperature of the planet due to greenhouse gases (mainly CO2 and CH4) and the demand by customers for vehicles with low fuel consumption has pushed the development of new propulsion technologies in the last decade, with special attention on electrified vehicles. The electrified powertrains allow to reduce fuel consumption due to the high efficiency of electric motors. However, in terms of other pollutants like NOx, this type of vehicles can be even more harmful. In order to reduce the emissions and increase the efficiency simultaneously, the application of advanced combustion strategies, such as the low temperature combustion (LTC), appears as possible alternative to the conventional combustion modes. The main objective of this Master's Thesis is to evaluate the benefits of coupling hybrid powertrains with different advanced combustion modes for internal combustion engines. Two advanced combustion will be evaluated: reactivity-controlled compression ignition (RCCI) and active pre-chamber combustion (PCIS). Three hybrid architectures will be tested: mild hybrid electric vehicle (MHEV), full hybrid electric vehicle (FHEV) and plug-in hybrid electric vehicle (PHEV). In addition, conventional and renewable fuels will be used: Diesel-Gasoline and Diesel-Ethanol, in the case of the RCCI concept, and Ethanol-Hydrogen in the case of the PCIS concept. Other objective of this work is to define a methodology for the optimization hybrid propulsion systems for already developed internal combustion engines. The fuel consumption and emissions of each concept will be evaluated under the conditions proposed by the European homologation regulations (WLTP). This allows to analyze the impact of different driving cycles and operating conditions on CO2 emissions. In addition, a life cycle analysis will be carried out to compare the potential of these hybrid concepts to achieve future CO2 targets compared to the current fleet.