Development of an Installation to Emulate Altitude, Ambient Temperature, and Ambient Humidity on Thermal Engines. Application to the Study of the Impact over E6 Engine Performance

Abstract

[ES] Las normativas cada vez más restrictivas sobre las emisiones contaminantes de los vehículos de motor impuestas por la Unión Europea han obligado a los fabricantes de equipos originales (OEM) a proporcionar a los centros de investigación herramientas e instalaciones que pueden reproducir de forma precisa y repetida diferentes condiciones atmosféricas durante las primeras etapas del desarrollo del motor. En la actualidad la legislación europea incluye pruebas de emisiones reales en conducción (RDE) en diferentes condiciones atmosféricas, con altitudes de hasta 1300 metros sobre el nivel del mar y temperaturas que alcanzan los -7 ºC. Esto se ha hecho típicamente utilizando cámaras climáticas y altimétricas que permiten la reproducción de las condiciones atmosféricas en toda la celda de prueba, y más recientemente conectando a motor simuladores de altitud acoplados con unidades de tratamiento de aire (AHU). En esta Tesis Doctoral, se presenta la mejora del simulador de altitud comercializado por la empresa HORIBA denominado MEDAS, utilizando procedimientos tanto inductivos como deductivos, con el objetivo de ampliar el rango de prestaciones de la instalación, así como mejorar la precisión del control de la presión del aire comburente y reducir el consumo energético global. Además, durante esta fase, se lleva a cabo el desarrollo de un modelo 1D del simulador de altitud, con el que es posible obtener resultados precisos sobre el desempeño de la instalación para diferentes condiciones de contorno, como puede ser el punto operativo del motor, la presión de la sala o la temperatura del agua de refrigeración. A continuación, se han desarrollado dos nuevos equipos: el Módulo de Temperatura del MEDAS (MTM) y el Módulo de Humedad del MEDAS (MHM); mejorando las estrategias de control y algunos componentes clave (por ejemplo, la columna de agua de burbujas) para controlar con precisión la temperatura y la humedad del aire de combustión. Estos dos junto con el MEDAS crean un simulador de atmósfera completo, que permite el control independiente de las tres variables psicrométricas del aire de combustión del motor: presión, temperatura y humedad. Por último, el simulador de atmósfera desarrollado se utiliza para estudiar el efecto que las tres variables psicométricas del aire ambiente tienen sobre el rendimiento y las emisiones contaminantes de un motor Diesel Euro 6 turboalimentado, demostrando el gran efecto que tiene la humedad ambiental sobre las emisiones contaminantes de los motores Diesel y la necesidad de considerar este parámetro en las estrategias de calibración. Algunos resultados obtenidos podrían ser la reducción de potencia que el motor sufre al operar en condiciones de altitud, los cambios que la temperatura ambiente causa en el punto de operación del turbo grupo o como las emisiones de NOx se reducen cuando la humedad ambiente aumenta.

[CA] Les normatives cada vegada més restrictives sobre les emissions contaminants dels vehicles de motor imposades per la Unió Europea han obligat als fabricants d'equips originals (OEM) a proporcionar als centres d'investigació eines i instal·lacions que poden reproduir de manera precisa i repetida diferents condicions atmosfèriques durant les primeres etapes del desenvolupament del motor. En l'actualitat la legislació europea inclou proves d'emissions reals en conducció (RDE) en diferents condicions atmosfèriques, amb altituds de fins a 1300 metres sobre el nivell de la mar i temperatures que aconsegueixen els -7 °C. Això s'ha fet típicament utilitzant cambres climàtiques i altimètriques que permeten la reproducció de les condicions atmosfèriques en tota la cel·la de prova, i més recentment connectant a motor simuladors d'altitud acoblats amb unitats de tractament d'aire (AHU). En aquesta Tesi Doctoral, es presenta la millora del simulador d'altitud comercialitzat per l'empresa HORIBA denominat MEDAS, utilitzant procediments tant inductius com deductius, amb l'objectiu d'ampliar el rang de prestacions de la instal·lació així com millorar la precisió del control de pressió de l'aire de combustió i reduir el consum energètic global. A més, durant aquesta fase, es du a terme el desenvolupament d'un model 1D del simulador d'altitud, amb el qual és possible obtindre resultats precisos sobre l'acompliment de la instal·lació per a diferents condicions de contorn, com pot ser el punt d'operació del motor, l'altitud d'instal·lació o la temperatura de l'aigua de refrigeració. A continuació, s'han desenvolupat dos nous equips: el Mòdul de Temperatura del MEDAS (MTM) i el Mòdul d'Humitat del MEDAS (MHM); millorant les estratègies de control i alguns components clau (per exemple, la columna d'aigua de bambolles) per a controlar amb precisió la temperatura i la humitat de l'aire de combustió. Aquests dos juntament amb el MEDAS creen un simulador d'atmosfera complet, que permet el control independent de les tres variables psicromètriques de l'aire de combustió del motor: pressió, temperatura i humitat. Finalment, el simulador d'atmosfera desenvolupat s'utilitza per a estudiar l'efecte que les tres variables psicomètriques de l'aire ambient tenen sobre el rendiment i les emissions contaminants d'un motor Dièsel Euro 6 *turboalimentado, demostrant el gran efecte que té la humitat ambiental sobre les emissions contaminants dels motors Dièsel i la necessitat de considerar aquest paràmetre en les estratègies de calibratge. Alguns resultats obtinguts podrien ser la reducció de potència que el motor pateix en operar en condicions d'altitud, els canvis que la temperatura ambient causa en el punt d'operació del turbo grup o com les emissions de NOx es redueixen quan la humitat ambiente augmenta.

[EN] Increasingly restrictive regulations on pollutant emissions for motor vehicles imposed by the European Union have forced original equipment manufacturers (OEMs) to provide research centers with tools and facilities that can accurately and repeatedly reproduce different atmospheric conditions during the early stages of engine development. Nowadays, the European legislation includes real driving emissions (RDE) tests at different atmospheric conditions, with altitudes up to 1300 meters above sea level and temperatures reaching -7 ºC. This has been done typically using altimetric and climatic chambers, which allow the reproduction of the atmospheric conditions in the whole test cell. More recently, connecting to the engine altitude simulators coupled with air handling units (AHU). In this Ph.D. Thesis, the improvement of the altitude simulator commercialized by the company HORIBA called MEDAS, carried out by inductive and deductive procedures, is presented to extend the installation's performance range, improve the combustion air pressure control accuracy, and reduce the installation global energy consumption. Furthermore, during this phase, the development of a 1D model of the altitude simulator is carried out, with which it is possible to obtain accurate results about the performance of the installation for different boundary conditions such as the engine operation point, the room pressure, or the cooling water temperature. Following, two new pieces of equipment have been developed: MEDAS Temperature Module (MTM) and MEDAS Humidity Module (MHM), improving the control strategies and some key components (i.e., the bubbles water-column) to increase the accuracy of the combustion air temperature and humidity control. Together with the MEDAS, these two create a complete atmosphere simulator, which allows the independent control of the three psychrometric variables of the engine combustion air: pressure, temperature, and humidity. Lastly, the atmosphere simulator developed is used to study the effect that the three psychometric variables of the ambient air have on the performance and the pollutant emissions of a Euro 6 turbocharged diesel engine, proving the significant effect that the ambient humidity has on the diesel engines pollutant emissions and the necessity of considering this parameter in the calibration strategies. Some results could be the reduction in power that the engine suffers when operating in altitude conditions, the changes that the ambient temperature causes at the turbocharger operative point, or the decrease in NOx emissions that happen when the ambient humidity increases.