Acoustic and Fluid-Dynamic Characterization of State-of-the-Art Exhaust After-Treatment Systems

Abstract

[ES] Las normativas sobre emisiones contaminantes y sonoras, cada vez más estrictas, han sido la principal motivación para la investigación, el desarrollo y la optimización de los motores de combustión y demás tecnologías relacionadas. Esta tendencia ha dado lugar a la introducción paulatina de sistemas de postratamiento para reducir las emisiones contaminantes provenientes de la automoción. Se emplearon diferentes enfoques experimentales y de modelado computacional para estudiar y caracterizar el comportamiento acústico y fluidodinámico de un conjunto diverso de sistemas de postratamiento, abarcando así una amplia gama de elementos y características representativos de las aplicaciones de postratamiento más avanzadas de uso comercial. La pérdida por transmisión y la caída de presión fueron seleccionadas como parámetros clave de estudio para cuantificar la atenuación acústica y la contrapresión generada por cada dispositivo. Para la caracterización experimental se utilizaron procedimientos de medición bien establecidos. Por su parte, para el modelado computacional se emplearon distintos enfoques de simulación, tales como el unidimensional, el CFD e incluso la co-simulación 1D-3D, siguiendo en la medida lo posible el concepto o principio "gemelos digitales", en programas comerciales con el objetivo de replicar los resultados experimentales, a fin de obtener información complementaria y ayudar a profundizar en la comprensión de los fenómenos internos, los efectos tridimensionales del flujo y los efectos acústicos. Previo a la caracterización minuciosa de los dispositivos, se verificó la validez y significancia de las medidas acústicas en condiciones frías como las que se iban a tomar, para representar los dispositivos respecto a sus condiciones reales de funcionamiento, es decir, expuestos a flujo caliente y pulsante como en el extremo caliente de las líneas de escape donde habitualmente se sitúan los sistemas de postratamiento. Una vez realizada esta validación. Comenzó se dio paso a la caracterización experimental, para cada sistema o dispositivo se registraron mediciones de caída de presión para un rango de caudales násicos, normalmente entre 0 y 800 kg/h. Del mismo modo, se efectuaron mediciones de pérdida de transmisión en condiciones de ausencia de flujo y con tres caudales masicos diferentes superpuestos, por lo general 100, 200 y 300 kg/h. La información producida, tras cierto post-procesamiento, análisis por descomposición y comparativo, sumado al uso del razonamiento inductivo fueron empleados para cuantificar y relacionar cada elemento con sus efectos. Adicionalmente otros temas fueron evaluados, como el cumplimiento de la propiedad aditiva en los resultados de caída de presión y pérdida por transmisión cuando varios dispositivos de postratamiento se disponen juntos formando un sistema, la importancia real de los dispositivos auxiliares que a menudo son pasados por alto , los cambios en los inicios de la vida útil de un dispositivo con filtro de partículas tipo GPF, las ventajas de realizar análisis por descomposición en los resultados de pérdida por transmisión, las capacidades de 1D y 3D CFD para producir información útil y los beneficios eventuales de la co-simulación 1D-3D. En conjunto, se elaboró una base de datos exhaustiva sobre la caída de presión y la pérdida de transmisión de los dispositivos y sistemas de postratamiento más avanzados. Las metodologías experimentales utilizadas, con su correspondiente posprocesado, demostraron ser adecuadas y producir información significativa. Especialmente tras la validación realizada con las mediciones acústicas en condiciones ambientales relativas a condiciones similares a las reales en el motor.

[CA] Les normatives sobre emissions contaminants i sonores, cada vegada més estrictes, han sigut la principal motivació per a la investigació, el desenvolupament i l'optimització dels motors de combustió i altres tecnologies relacionades. Aquesta tendència ha donat lloc a la introducció gradual de sistemes de post-tractament per a reduir les emissions contaminants provinents de l'automoció. Es van emprar diferents enfocaments experimentals i de modelatge computacional per a estudiar i caracteritzar el comportament acústic i fluidodinàmic d'un conjunt variat de sistemes i dispositius de post-tractament, abastant així una àmplia gamma d'elements i característiques representatius de les aplicacions de post-tractament més avançades d'ús comercial. La pèrdua per transmissió i la caiguda de pressió van ser seleccionades com a paràmetres clau d'estudi per a quantificar l'atenuació acústica i la contrapressió generada per cada dispositiu. Per a la caracterització experimental es van utilitzar instal·lacions i procediments de mesura ben establits. Per part seua, per al modelatge computacional es van emprar diferents enfocaments de simulació, com ara l'unidimensional, el CFD (tridimensional) i fins i tot la co-simulació 1D-3D, seguint en la mesura del possible el concepte o principi ``bessons digitals'' (virtual twinning), en programes comercials amb l'objectiu de replicar els resultats experimentals, a fi d'obtindre informació complementària i ajudar a aprofundir en la comprensió dels fenòmens interns, els efectes tridimensionals del flux i els efectes acústics. Previ a la caracterització minuciosa dels dispositius, es va verificar la validesa i significança de les mesures acústiques en condicions fredes (ambient), com les que s'anaven a prendre, per a representar els dispositius respecte a les seues condicions reals de funcionament, és a dir, exposats a flux calent i periòdic com en l'extrem calent de les línies de escapament on habitualment se situen els sistemes de post-tractament. Una vegada realitzada aquesta validació, per a cada sistema o dispositiu es van registrar mesures de caiguda de pressió per a un rang de cabals màssics, normalment entre 0 i 800 kg/h. De la mateixa manera, es van efectuar mesures de pèrdua de transmissió en condicions d'absència de flux i amb tres cabals màssics diferents superposats, en general 100, 200 i 300 kg/h. La informació produïda, després d'un cert post-processament, anàlisi per descomposició i comparatiu, sumat a l'ús del raonament inductiu van ser emprats per a quantificar i relacionar cada element amb els seus efectes. Addicionalment altres temes van ser avaluats, com el compliment de la propietat additiva en els resultats de caiguda de pressió i pèrdua per transmissió quan diversos dispositius de post-tractament es disposen junts formant un sistema, la importància real dels dispositius auxiliars que sovint són passats per alt, els canvis en els inicis de la vida útil d'un dispositiu amb filtre de partícules tipus GPF, els avantatges de realitzar anàlisis per descomposició en els resultats de pèrdua per transmissió, les capacitats dels models 1D i 3D CFD per a produir informació útil, i els beneficis eventuals de la co-simulació 1D-3D. En conjunt, es va elaborar una base de dades exhaustiva sobre la caiguda de pressió i la pèrdua de transmissió dels dispositius i sistemes de post-tractament més avançats. Les metodologies experimentals utilitzades, amb el seu corresponent post-processament, van demostrar ser adequades i produir informació significativa. Especialment després de la validació realitzada amb les mesures acústiques en condicions ambientals relatives a condicions similars a les reals en el motor.

[EN] Continuously tightening pollutant and noise emission regulations have been the key motivation for engine -and engine related technology- research, development and optimization. Such trend gave rise to the gradual introduction of after-treatment systems to reduce pollutant emissions in automotive applications. Experimental and modelling approaches were used to study and characterize the acoustic and fluid-dynamic behavior of a diverse set of state-of-the-art after-treatment systems and devices, covering a wide range of elements and characteristics representative of after-treatment applications of commercial use. Transmission loss and pressure drop were selected as the key parameters to account for the sound attenuation and back-pressure generated by each device. Well established measurement facilities and procedures were used for the experimental characterization. In parallel, 1D, 3D CFD and even coupled 1D-3D simulation approaches on the basis of the "virtual twinning" concept were implemented on commercial software, aiming to replicate the experimental results in order to provide additional information and help deepen the understanding of internal phenomena, three-dimensional flow and acoustic effects. Prior to the thorough characterization of the devices, the validity and significance of acoustic cold (ambient) condition measurements, as those to be taken, to represent the devices in their actual operating condition, i.e. hot and pulsating-flow as in the hot-end of exhaust lines were after-treatment systems are usually placed, was verified. Once such validation was done, for each system or device pressure drop measurements were performed for a range of mass flow rates, usually between 0 to 800 kg/h. Similarly, transmission loss measurements were performed at no-flow condition and with three different superimposed mean mas flow rates, commonly 100, 200 and 300 kg/h. The information produced, with some post-processing, decomposition and comparative analysis, and the use of inductive reasoning were used to account and relate each element with their effects. Additionally, some other topics were assessed, such as the compliance of the additivity property of pressure drop and the transmission loss when several after-treatment devices are arranged together as an after-treatment system, the actual importance of auxiliary devices often overlooked, the changes in the early service life of a device with a GPF monolith, the benefits of performing decomposition analysis to the transmission loss, the capabilities of 1D and 3D CFD to produce useful information and the eventual benefits of 1D-3D co-simulation. Overall, a comprehensive database on the pressure drop and transmission loss of state-of-the-art after-treatment devices and systems was produced. The experimental methodologies used, with their corresponding post processing, proved to be adequate and to produce significant information, especially after the validation of ambient condition acoustic measurements regarding engine-like conditions.