Study of the Potential of Electrified Powertrains with Dual-Fuel Combustion to Achieve the 2025 Emissions Targets in Heavy-Duty Applications

Abstract

[ES] El transporte de personas, así como de carga ha evolucionado y crecido tremendamente en los últimos años. El desarrollo tecnológico debió ser adaptado a las diferentes medidas gubernamentales en términos de control de emisiones contaminantes. Desde el acuerdo de Paris en 2015 para mantener el crecimiento de la temperatura global por debajo de 1.5oC, se han impuesto también límites para las emisiones de CO2 por parte de vehículos de carretera. Para el sector del transporte pesado, se han impuesto límites de flota de 15% para 2025 y 30% para 2030 de reducción del CO2 con respecto a 2019. Por lo tanto, esta doble restricción de muy bajos niveles de emisiones contaminantes, así como de gases de efecto invernadero hacen que el sector del transporte este ante un gran desafío tecnológico. En 2022, el transporte de carga tiene un 99% de vehículos propulsados a motor de combustión interna con Diesel como combustible y sin ningún tipo de ayuda eléctrica en el sistema de propulsión. Los límites de emisiones contaminantes como Euro 6 son alcanzados con complejos sistemas de postratamiento que además agregan el consumo de Urea. Trabajos previos en la bibliografía, así como sistemas prototipo han demostrado que es posible alcanzar los objetivos de emisiones contaminantes con métodos avanzados de control de la combustión y así disminuyendo la complejidad del post tratamiento en la salida de gases. Con mayor éxito, el concepto de Reactivity Controlled Combustion Ignition puede alcanzar valores por debajo de Euro 6 con eficiencia similar a la combustión de Diesel. Sin embargo, no soluciona los problemas de emisiones de CO2. Por otro lado, en vehículos de pasajeros fue demostrado con suceso la aplicación de motores eléctricos en el sistema de propulsión para mejorar la eficiencia global del vehículo. El caso extremo son los vehículos puramente electicos donde se alcanza eficiencias por arriba del 70% contra 35% de los vehículos no electrificados. Sin embargo, limitaciones de autonomía, tiempo de carga y la no clara reducción global de la contaminación debido a las emisiones de la energía de la red eléctrica y la contaminación de las baterías de ion-litio hacen que este sistema de propulsión este bajo discusión. Para los vehículos con algún grado de electrificación, las emisiones de gases contaminantes siguen siendo un problema como para el caso no electrificado. Por lo tanto, esta tesis doctoral aborda el problema de emisiones contaminantes, así como de CO2 combinado modos avanzados de combustión con sistemas de propulsión electrificado. La aplicación de estas tecnologías se centra en el sector del transporte de carretera pesado. En particular, un camión de 18 toneladas de carga máxima que originalmente en 2022 equipa un motor seis cilindros de 8 litros con combustión convencional Diesel. El presente trabajo utiliza herramientas experimentales como son medidas en banco motor, así como en carretera para alimentar y validar modelos numéricos de motor, sistema de postratamiento, así como de vehículo. Este último es el punto central del trabajo ya que permite abordar sistemas como el mild hybrid, full hybrid y plug-in hybrid. Calibración de motor experimental dedicada a sistemas de propulsión hibrido es presentada con combustibles sintéticos y/o para llegar a los límites de Euro 7.

[CA] El transport de persones, així com de càrrega ha evolucionat i crescut tremendament en els últims anys. El desenvolupament tecnològic degué ser adaptat a les diferents mesures governamentals en termes de control d'emissions contaminants. Des de l'acord de Paris en 2015 per a mantindre el creixement de la temperatura global per davall de 1.5oC, s'han imposat també límits per a les emissions de CO¿ per part de vehicles de carretera. Per al sector del transport pesat, s'han imposat limites de flota de 15% per a 2025 i 30% per a 2030 de reducció del CO¿ respecte a 2019. Per tant, aquesta doble restricció de molt baixos nivells d'emissions contaminants, així com de gasos d'efecte d'hivernacle fan que el sector del transport aquest davant un gran desafiament tecnològic. En 2022, el transport de càrrega té un 99% de vehicles propulsats a motor de combustió interna amb Dièsel com a combustible i sense cap mena d'ajuda elèctrica en el sistema de propulsió. Els limites d'emissions contaminants com a Euro 6 són aconseguits amb complexos sistemes de posttractament que a més agreguen el consum d'Urea. Treballs previs en la bibliografia, així com sistemes prototip han demostrat que és possible aconseguir els objectius d'emissions contaminants amb mètodes avançats de control de la combustió i així disminuint la complexitat del post tractament en l'eixida de gasos. Amb major èxit, el concepte de Reactivity Controlled Combustion Ignition pot aconseguir valors per davall d'Euro 6 amb eficiència similar a la combustió de Dièsel. No obstant això, no soluciona els problemes d'emissions de CO¿. D'altra banda, en vehicles de passatgers va ser demostrat amb succés l'aplicació de motors elèctrics en el sistema de propulsió per a millorar l'eficiència global del vehicle. El cas extrem són els vehicles purament electicos on s'aconsegueix eficiències per dalt del 70% contra 35% dels vehicles no electrificats. No obstant això, limitacions d'autonomia, temps de càrrega i la no clara reducció global de la contaminació a causa de les emissions de l'energia de la xarxa elèctrica i la contaminació de les bateries d'ió-liti fan que aquest sistema de propulsió aquest baix discussió. Per als vehicles amb algun grau d'electrificació, les emissions de gasos contaminants continuen sent un problema com per al cas no electrificat. Per tant, aquesta tesi doctoral aborda el problema d'emissions contaminants, així com de CO¿ combinat maneres avançades de combustió amb sistemes de propulsió electrificat. L'aplicació d'aquestes tecnologies se centra en el sector del transport de carretera pesat. En particular, un camió de 18 tones de càrrega màxima que originalment en 2022 equipa un motor sis cilindres de 8 litres amb combustió convencional Dièsel. El present treball utilitza eines experimentals com són mesures en banc motor, així com en carretera per a alimentar i validar models numèrics de motor, sistema de posttractament, així com de vehicle. Est ultime és el punt central del treball ja que permet abordar sistemes com el mild hybrid, full *hybrid i plug-in hybrid. Calibratge de motor experimental dedicada a sistemes de propulsió hibride és presentada amb combustibles sintètics i/o per a arribar als límits d'Euro 7.

[EN] The transport of people, as well as cargo, has evolved and grown tremendously over the recent years. Technological development had to be adapted to the different government measures for controlling polluting emissions. Since the Paris agreement in 2015 limits have also been imposed on the CO2 emissions from road vehicles to keep global temperature growth below 1.5oC. For the heavy transport sector, fleet limits of 15% for 2025 and 30% for 2030 CO2 reduction have been introduced with respect to the limits of 2019. Therefore, the current restriction of very low levels of polluting emissions, as well as greenhouse gases, makes the transport sector face a great technological challenge. In 2021, 99% of freight transport was powered by an internal combustion engine with Diesel as fuel and without any type of electrical assistance in the propulsion system. Moreover, polluting emission limits such as the Euro 6 are achieved with complex post-treatment systems that also add to the consumption of Urea. Previous research and prototype systems have shown that it is possible to achieve polluting emission targets with advanced combustion control methods, thus reducing the complexity of post-treatment in the exhaust gas. With greater success, the concept of Reactivity Controlled Combustion Ignition can reach values below the Euro 6 with similar efficiency to Diesel combustion. Unfortunately, it does not solve the CO2 emission problems. On the other hand, in passenger vehicles, the application of electric motors in the propulsion system has been shown to successfully improve the overall efficiency of the vehicle. The extreme case is the purely electric vehicles, where efficiencies above 70% are achieved against 35% of the non-electrified vehicles. However, limitations of vehicle range, charging time, payload reduction and an unclear overall reduction in greenhouse emissions bring this propulsion system under discussion. For vehicles with some degree of electrification, polluting gas emissions continue to be a problem as for the non-electrified case. Therefore, this doctoral Thesis addresses the problem of polluting emissions and CO2 combined with advanced modes of combustion with electrified propulsion systems. The application of these technologies focuses on the heavy road transport sector. In particular, an 18-ton maximum load truck that originally was equipped with an 8-liter six-cylinder engine with conventional Diesel combustion. The present work uses experimental tools such as measurements on the engine bench as well as on the road to feed and validate numerical models of the engine, after-treatment system, and the vehicle. The latter is the central point of the work since it allows addressing systems such as mild hybrid, full hybrid, and plug-in hybrid. Experimental engine calibration dedicated to hybrid propulsion systems is presented with synthetic fuels in order to reach the limits of the Euro 7.