Advancement in Understanding the Extreme Altitude and Ambient Temperature Impact on Diesel Engine and Aftertreatment Performance

Abstract

[ES] El carácter cada vez más estricto de las normativas de emisiones ha provocado el desarrollo de motores de combustión más respetuosos con el medioambiente. La última normativa europea aplicada al sector del transporte ha ampliado el rango de condiciones de operación en el que se realizan las pruebas de homologación. Las variables de temperatura ambiente y altitud de conducción son ahora requisitos adicionales que deben tenerse en cuenta con la intención de reducir la diferencia entre el resultado de esas pruebas y en condiciones de conducción real. La comprensión del impacto de las condiciones ambientales sobre el funcionamiento del motor es algo fundamental para superar los inconvenientes que pueden representar la respuesta del motor y teniendo un gran impacto sobre las emisiones del mismo.

Como consecuencia de la variación de la altitud y de la temperatura ambiente, las condiciones de contorno de los sistemas de postratamiento de los gases de escape (EATS) se modifican, comprometiendo su funcionamiento y repercutiendo en las emisiones liberadas a la atmosfera. En el caso concreto de los motores Diesel, los dos EATS más comunes son el catalizador de oxidación diesel (DOC) y el filtro de partículas diesel (DPF). En este contexto, la presente tesis doctoral propone diferentes enfoques a fin de comprender los principales efectos que las condiciones ambientales extremas provocan en el motor y en el funcionamiento del DOC y del DPF. Una parte importante de este trabajo ha consistido en la puesta en marcha de un banco de pruebas experimental equipado con un simulador de altitud y de una herramienta de modelización termo fluidodinámica unidimensional (1D) para un amplio análisis.

Tras los resultados experimentales en condiciones de estado estacionario a baja temperatura, los mapas de contorno de las emisiones de CO y HC condujeron a la evaluación como las condiciones ambientales extremas repercuten en la temperatura de activación del DOC y en la eficiencia de conversión de las emisiones contaminantes. El análisis computacinal ayudó a elaborar directrices que determinan la contribución de las propiedades del flujo causadas por dichas condiciones. Asimismo, se ha abordado el efecto de la aplicación de soluciones computacionales de aislamiento térmico del escape sobre el DOC y la respuesta del motor. Por otro lado, se ha realizado experimentalmente la actuación de la turbina de geometría variable (VGT) sobre el proceso de regeneración del DPF. El impacto que la estrategia de presión de sobrealimentación tiene sobre la tasa de consumo de hollín durante la regeneración activa en función de la altitud de conducción se considera con la orientación de las herramientas de modelado.

La discusión de la reducción de la tasa de regeneración en altitud con las estrategias de sobrealimentación estándar ha conducido a la reevaluación de la actuación de la de la turbina de geometría variable (VGT) para condiciones de altitud extrema. Por último, se ha analizado experimentalmente la sensibilidad de la posición del VGT y la tasa de EGR de baja presión (LP-EGR) sobre el comportamiento del motor a cargas parciales en un amplio rango de condiciones ambientales. Los resultados han conducido a la redefinición de la calibración del motor a fin de aumentar la temperatura de entrada del EATS al tiempo que se reduce el consumo específico de combustible.

[CA] El caràcter cada vegada més estricte de les normatives d'emissions ha provocat el desenvolupament de motors de combustió més respectuosos amb el medi ambient. L'última normativa europea aplicada al sector del transport ha ampliat el rang de condicions d'operació en el qual es realitzen les proves d'homologació. Les variables de temperatura ambient i altitud de conducció són ara requisits addicionals que han de tindre's en compte amb la intenció de reduir la diferència entre el resultat d'aqueixes proves i en condicions de conducció real. La comprensió de l'impacte de les condicions ambientals en el compliment de la normativa pel motor es fonamental per a superar els inconvenients que poden representar per a la resposta del motor amb un ampli impacte en les emissions d'aquest.

A conseqüència de la variació de l'altitud o de la temperatura ambient, els límits dels sistemes de posttractament dels gasos de fuita (EATS) es modifiquen, comprometent el seu funcionament i repercutint en les emissions alliberades a la atmosfera. En el cas concret dels motors Dièsel, els dos EATS més comuns són el catalitzador d'oxidació dièsel (DOC) i el filtre de partícules dièsel (DPF). En aquest context, aquesta tesi doctoral proposa diferents enfocaments per a entendre els principals factors que les condicions ambientals extremes imposen al motor i al funcionament del DOC i del DPF. Una part important d'aquest treball ha consistit en la posada en marxa d'un banc de proves experimental equipat amb un simulador d'altitud i d'una eina de modelització termo fluidodinámica unidimensional (1D) per a una ampla anàlisi.

Després dels resultats experimentals en condicions d'estat estacionari a baixa temperatura, els mapes de contorn de les emissions de CO i HC ha conduí a l'avaluació de com les condicions ambientals extremes repercuteixen en la temperatura d'activació del DOC i en l'eficiència de conversió de les emissions contaminants. L'anàlisi computacinal ha ajudat a elaborar directrius que determinen la contribució de les propietats del flux causades per aquestes condicions. Així mateix, l'efecte de l'aplicació de solucions d'aïllament tèrmic del tubo d'escapament sobre el DOC i la resposta del motor. D'altra banda, s'ha realitzat experimentalment l'actuació de la turbina de geometria variable (VGT) sobre el procés de regeneració del DPF. L'impacte que l'estratègia de pressió de sobrealimentació té sobre la taxa de consum de sutge durant la regeneració activa en funció de l'altitud de conducció es considera amb l'orientació de les eines de modelatge.

La discussió de la reducció de la taxa de regeneració en altitud amb les estratègies de sobrealimentació estàndard ha conduït a la reavaluació de l'actuació de la de la turbina de geometria variable (VGT) per a condicions d'altitud extrema. Finalment, s'ha analitzat experimentalment la sensibilitat de la posició del VGT i la taxa de EGR de baixa pressió (LP-EGR) sobre el comportament del motor a càrregues parcials en un ampli rang de condicions ambientals. Els resultats han conduït a la redefinició del calibratge del motor a fi d'augmentar la temperatura d'entrada del EATS al mateix temps que es redueix el consum específic de combustible.

[EN] The increasingly stringent emission standards act as a guide for the development of cleaner vehicles in a context of climate change. The latest European regulations applied to the transportation sector widened the operation range where homologation tests are carried out. The variables of ambient temperature and driving altitude are now extra requirements that must be considered in a way to shorten the gap between those tests and real driving. The understanding of the ambient conditions impact on the engine response becomes fundamental to overcome the drawbacks represented by them, being determinant for the engine response with an extended impact on engine-out emissions.

As a consequence of altitude or ambient temperature variation, the exhaust aftertreatment systems (EATS) boundaries are modified, compromising their operation and impacting on tailpipe emissions. In the specific case of Diesel engines, the two most common EATS are the diesel oxidation catalyst (DOC) and the diesel particulate filter (DPF). In this context, this doctoral thesis proposes different approaches to understand the main factors that extreme ambient conditions impose to the engine and to the DOC and DPF operation. An important part of this work consisted of the set up of an experimental test bench equipped with an altitude simulator and of a one-dimensional (1D) thermo-fluid dynamic modelling tool for a wide-ranging analysis.

Following low temperature steady state conditions experimental outcomes, CO and HC emission contour maps led to the evaluation of how extreme ambient conditions impact on the DOC light-off and pollutant emissions conversion efficiency. The modelling analysis helped to build guidelines that determine the contribution of the flow properties caused by such conditions. Besides, the effect of applying computational exhaust line thermal insulation solutions on the DOC and engine response is additionally addressed. On the other hand, the variable geometry turbine (VGT) actuation on the DPF regeneration process is performed experimentally. The impact that the boost pressure strategy has on the rate of soot depletion during active regeneration as a function of the driving altitude is considered with the guidance of the modelling tools.

The reduction of the regeneration rate in altitude with standard boosting strategies is discussed, leading to the re-evaluation of the VGT actuation for high altitude practices. Finally, the sensitivity of the VGT position and low pressure exhaust gases recirculation (LP-EGR) rate at a vast array of ambient conditions is experimentally analysed for regular engine operation at partial loads. The results led to the engine calibration redefinition based on EATS inlet temperature increase and the reduction of the specific fuel consumption.