Analysis of the high pressure EGR dispersion among cylinders in automotive diesel engines

Abstract

[ES] Los objetivos son 2: 1- Determinar el efecto de la dispersión de la recirculación de gases de escape de alta presión (HP EGR) en las emisiones de NOx y humos en motores diésel de automoción en operaciones de funcionamiento constantes. La investigación cuantifica las emisiones de NOx y humos en función del nivel de dispersión de EGR de alta presión entre cilindros. 2- Explorar los límites del modelado 1D para predecir el movimiento del flujo de los gases en la compleja situación en la que estos entran en los cilindros desde el colector de admisión. Los experimentos se realizaron en un banco de pruebas con un motor diésel de 1.6 litros. Para detectar la dispersión de EGR de alta presión se instaló un sistema de válvulas en los conductos de admisión de cada cilindro para medir la concentración de CO2, por tanto la tasa de EGR, en cada conducto. Se instaló también un sistema de válvulas en el escape para medir las emisiones de NOx en cada cilindro. Se instaló un sensor de humos en la línea de escape, aguas abajo de la turbina, para medir el efecto de la dispersión de EGR de alta presión en las emisiones de humos además del sensor para medir el resto de las emisiones contaminantes aguas abajo de la turbina. Se han estudiado 9 puntos de funcionamiento diferentes con distintas velocidades y niveles de carga. El mapa motor se ha estudiado en profundidad, desde 1250 hasta 3000 rpm y entre 3 y 20 bar de presión media efectiva (BMEP). La tasa de EGR varía entre 5 y 42%, dependiendo del punto de funcionamiento. La geometría del modelo reproduce la del motor diésel de automoción de 1.6 litros en el que se realizaron los ensayos experimentales. Incluyendo la línea de EGR de alta presión que fue instalada para controlar los niveles de dispersión durante los ensayos experimentales. La metodología centrada en las herramientas experimentales combina aparatos de medida tradicional con un sistema de válvulas específico que ofrecen una información precisa en cuanto a la concentración de especies tanto en el colector de admisión como en el de escape. El estudio se realizó a emisiones de NOx constantes para observar el efecto de la dispersión de EGR en los valores de opacidad. La metodología está centrada en las herramientas de modelado, las condiciones de contorno y toda la información necesaria para poner en marcha el modelo proviene de los resultados de los ensayos experimentales medidos con los diferentes sensores y aparatos mencionados anteriormente. Muchos de ellos necesarios para ajustar el modelo. La parte más importante para estudiar la capacidad de predicción del modelo es el diseño del colector de admisión. Es necesario poner especial atención en la orientación de los conductos, y en la estructura interna y la superficie para tratar de ser muy fiel a la geometría real, ya que ello determina la predicción de la dispersión. Esta aproximación de modelado cuasi tridimensional (3D) es posible gracias a un programa específico que importa la información necesaria desde un archivo CAD al programa de modelado 1D. Respecto a la parte experimental, el estudio concluye que cuando la dispersión de EGR es baja, los niveles de opacidad se reducen en todos los puntos de funcionamiento. Sin embargo, por encima de ciertos niveles de dispersión de EGR, la opacidad crece seriamente con diferentes pendientes según el punto de operación. El estudio permite cuantificar este límite de dispersión de EGR. La dispersión de EGR incrementa el consumo de combustible por encima del 6.9%. Respecto a la parte de modelado, el estudio concluye que cuando la distribución de EGR entre conductos medida experimentalmente es asimétrica y presenta un alto patrón de concavidad o convexidad, el modelo no predice adecuadamente la distribución del EGR. El estudio concluye que, aunque en los ensayos experimentales la tasa de EGR afecta a la dispersión de EGR, el modelo 1D no es tan sensible como para predecir esta influencia cuando la tasa de EGR está por debajo del 10%.

[CA] L'objectiu de l'estudi és doble. Per una banda, determinar l'efecte de la dispersió de la recirculació de gasos d'escapament d'alta pressió (HP EGR per les seues sigles en anglès) en les emissions d'òxids de nitrogen (NOx) i fums en motors dièsel d'automoció en operacions de funcionament constants. La investigació quantifica les emissions de NOx i fums en funció del nivell de dispersió d'EGR d'alta pressió entre cilindres. Per una altra banda, l'objectiu és explorar els límits del modelatge unidimensional (1D) per predir el moviment del flux dels gasos en la complexa situació en què aquests entren als cilindres des del col·lector d'admissió. Els experiments van ser realitzats en un banc de proves amb un motor dièsel de 1.6 litres. Per detectar la dispersió d'EGR d'alta pressió es va instal·lar un sistema de vàlvules en els conductes d'admissió de cada cilindre per mesurar el percentatge de CO2 i per tant la taxa d'EGR. De la mateixa manera es va instal·lar també un sistema de vàlvules d'escapament, cilindre a cilindre, per mesurar les emissions de NOx. A més també es va instal·lar un sensor de fums en la línia d'escapament, aigües avall de la turbina, per mesurar l'efecte de la dispersió d'EGR d'alta pressió en les emissions de fums, així com el sensor de mesura de la resta d'emissions aigües avall de la turbina. S'han estudiat 9 punts de funcionament diferents amb distintes velocitats i nivells de càrrega, per la qual cosa el mapa motor s'ha estudiat en profunditat, des de 1250 fins a 3000 rpm i entre 3 i 20 bar de pressió mitjana efectiva (BMEP per les seues sigles en anglès). La taxa d'EGR varia entre 5 i 42 %, depenent del punt de funcionament. La geometria del model reprodueix la geometria del motor dièsel d'automoció d'1.6 litres en el qual es van realitzar tots els assajos experimentals. La metodologia centrada en les ferramentes experimentals combina aparells de mesura tradicional amb un sistema de vàlvules específic que ofereixen una informació precisa quant a la concentració d'espècies tant al col·lector d'admissió com al d'escapament. L'estudi es va realitzar a emissions de NOx constants per observar l'efecte de la dispersió d'EGR en els valors d'opacitat. Quant a la metodologia centrada en les ferramentes de modelatge, les condicions de contorn i tota la informació necessària per posar en marxa el model prové dels resultats dels assajos experimentals mesurats amb els diferents sensors i aparells mencionats anteriorment, molts d'ells necessaris per ajustar el model. La part més important per estudiar la capacitat de predicció del model és el disseny del col·lector d'admissió. És necessari posar especial atenció a l'orientació dels conductes, i a l'estructura interna i la superfície per tractar de ser molt fidel a la geometria real, ja que determina la predicció de la dispersió. Esta aproximació del model quasi-tridimensional (3D) és possible gràcies a un programa específic que importa la informació necessària des d'un arxiu de disseny assistit per ordinador (CAD) al programa de modelat 1D. Respecte a la part experimental, l'estudi conclou que quan la dispersió d'EGR és baixa, els nivells d'opacitat es redueixen en tots els punts de funcionament. Tanmateix, per damunt de certs nivells de dispersió d'EGR, l'opacitat creix seriosament amb diferents pendents segons el punt d'operació. L'estudi permet quantificar aquest límit de dispersió d'EGR. A més, la dispersió d'EGR podria contribuir a incrementar el consum de combustible per damunt del 6.9%. Respecte a la part de modelatge, l'estudi conclou que quan la distribució d'EGR entre conductes mesurada experimentalment és asimètrica i presenta un alt patró de concavitat o convexitat, el model no prediu adequadament la distribució d'EGR. A més, l'estudi conclou que, tot i que en els assajos experimentals la taxa d'EGR afecta a la dispersió d'EGR, el model 1D no és tan sensible com per predir aquesta influència quan la taxa d’EGR està per baix del 10%.

[EN] The objective of the study is twofold. On the one hand, it is to determine the effect of the high pressure (HP) exhaust gas recirculation (EGR) dispersion in automotive diesel engines on NOx and smoke emissions in steady engine operation. The investigation quantifies the smoke emissions as a function of the dispersion of the HP EGR among cylinders. On the other hand, it is to explore the limits of the one-dimensional (1D) modeling to predict the movement of the flow in a complex situation as the gases get into the cylinders from the intake manifold. The experiments are performed on a test bench with a 1.6 liter automotive diesel engine. In order to track the HP EGR dispersion in the intake pipes, a valves system to measure CO2, hence EGR rate, pipe to pipe was installed. In the same way, a valves device to measure NOx emissions cylinder to cylinder in the exhaust was installed too. Moreover a smoke meter device was installed in the exhaust line, downstream the turbine, to measure the effect of the HP EGR dispersion on smoke emissions. A probe to measure the other raw emissions was installed downstream the turbine, too. Nine different engine running conditions were studied at different speed and load, thus the engine map was widely studied, from 1250 rpm to 3000 rpm and between 3 and 20 bar of BMEP. The EGR rate variates between 5 and 42 % depending on the working operation point. The geometry of the model reproduces the geometry of a 1.6 liter diesel automotive engine where the tests were performed. It includes an HP-EGR line and the device that was installed to perform the experiments to control the dispersion. The methodology focused on experimental tools combining traditional measuring devices with a specific valves system which offers accurate information about species concentration in both the intake and the exhaust manifolds. The study was performed at constant raw NOx emissions to observe the effect of the EGR dispersion in the opacity values. Regarding the methodology focused on modeling tools, the boundary conditions and all the necessary information to run the model comes from experimental results measured with the different sensors and devices mentioned before. Much of them were needed to adjust the model. The most important part of the modeling to study the capacity of the prediction of the EGR dispersion is the layout of the intake manifold. It is necessary put special attention to the orientation of the pipes, and the internal structure and surface trying to mimic the real geometry because it determinates the prediction of the dispersion. This approximation to quasi-three-dimensional (3D) modeling is possible thanks to a specific software that imports the necessary information from a computer-aided design (CAD) file to the 1D modeling software. Concerning the experimental results, the study leads to conclude that when the EGR dispersion is low, the opacity presents reduced values in all operation points. However, above a certain level of EGR dispersion, the opacity increases dramatically with different slopes depending on the engine running condition. This study allows quantifying this EGR dispersion threshold. In addition, the EGR dispersion could contribute to an increase in the engine fuel consumption up to 6.9%. Regarding to the modeling part, the study concludes that when the experimental EGR distribution among pipes is asymmetric and presents high concavity or convexity spatial pattern, the model does not predict properly the EGR distribution. In addition, the study concludes that, although in the experimental tests the EGR rate affects to the EGR dispersion, the 1D model is not too sensitive to predict this influence when the EGR rate is lower than 10%.