Modeling study for diesel engine and exhaust aftertreament system performance enhancement under extreme ambient conditions

Abstract

[ES] La industria automotriz está constantemente haciendo esfuerzos para ofrecer motores cada vez más robustos y limpios. Esta acción está impulsada por los exigentes requisitos impuestos por las regulaciones de emisiones a nivel mundial. En este sentido, la temperatura ambiente y la altitud de conducción son nuevas condiciones de operación a considerar. Aunque se han estudiado los principios básicos de como estas variables afectan a las prestaciones del motor, todavía existen grandes desafíos parecen cumplir con los límites de emisión y garantizar una elevada eficiencia de conversión del sistema de post-tratamiento. En este contexto, este trabajo explora los beneficios de la limitación de pérdidas de calor en el sistema de escape a fin de alcanzar un aumento de la temperatura de entrada al sistema de post-tratamiento de gases de escape al mismo tiempo que se mejora el consumo de combustible. Así mismo, se busca la maximización del par del motor cuando se opera a gran altitud en un amplio rango de temperatura ambiente. Para hacerlo, se ha modelado un motor diésel utilizando un modelo de acción de ondas, poniendo especial atención a los procesos de transferencia de calor en el escape. En particular, el modelado de la combustión, el turbocompresor y el sistema de post-tratamiento de gases de escape han centrado los principales esfuerzos. La investigación cubre la definición de diferentes estrategias de aislamiento térmico de las pipas y colector de escape así como de la turbina, que se evalúan en un rango representativo de condiciones de operación estacionaria. Junto con la evaluación del potencial de incremento de temperatura en la línea de escape, se han evaluado las emisiones brutas del motor y las propiedades del flujo de escape cuando se optimiza el par a plena carga operando bajo condiciones ambientales extremas. Finalmente, estas nuevas condiciones de contorno en la línea de escape se aplican al sistema de post-tratamiento de gases de escape para analizar el impacto en la eficiencia de conversión del catalizador y en la pérdida de presión y la eficiencia de filtrado del filtro de partículas.

[EN] The automotive industry is constantly doing efforts to offer increasingly robust and clean engines. This action is driven by the exigent requirements imposed by the worldwide emission regulations. In this regard, ambient temperature and driving altitude are new boundaries to be considered. Although the basis of the impact of these variables has been studied concerning the engine performance, new challenges appear to meet the emission limits and the aftertreatment conversion efficiency. Under this context, this work explores the benefits of heat losses limitation looking for aftertreatment inlet temperature increase at the same time fuel economy is improved. As a next step, it is pursued the maximization of the engine torque when operating at high altitude in a wide range of ambient temperatures. To do so, a baseline diesel engine has been modeled using a gas dynamic software taking special care of the heat transfer processes in the exhaust. The modelling of the combustion, the turbocharger and the exhaust aftertreatment system sub-models represent a substantive contribution to the realization of the study. The investigation covers the definition of different strategies for exhaust ports and turbine thermal insulation, which are evaluated in a representative range of steady-state operating conditions. After evaluating aftertreatment temperature increment potential, the proposed methodology accounts for mechanical criteria as well as the impact on the engine raw emissions and exhaust flow properties to define new combustion settings for altitude operation. Finally, these boundaries are applied to the exhaust aftertreatment system to analyze the impact on the catalyst conversion efficiency and the particulate filter performance concerning pressure drop and filtration efficiency.