Análisis de la combinación de los sistemas de recirculación de gases de Alta y Baja presión sobre el comportamiento de un motor Diesel sobrealimentado

Abstract

[EN] The use of Exhaust Gas Recirculation (EGR) as a technique to reduce nitrogen oxides emissions (NOx) in Diesel engines started with the EURO regulations and continues to the present day. While aftertreatment systems were proposed as an alternative to replace EGR, the combination of both technologies has achieved the current strict regulations (EURO6, TIER 2). The fact that EGR reduces NOx originated into the combustion process with high effectiveness and with easy implementation in the engine, are the most important advantages which have kept EGR as one of the main techniques against NOx. Additionally, from another point of view, the use of EGR is spreading in other applications such as SI engines and HCCI, as a strategy to manage functional tasks on them. So far, the cooled high pressure EGR system (HPEGR) has been the most widespread configuration to perform EGR. Nonetheless, it is limited in achieving high EGR rates by its effects on Tintake, BSFC and particulate emissions (PM). In this context, low pressure EGR (LPEGR) was raised as an alternative to overcome these limitations. However, LPEGR has other disadvantages such as low value of Pexh-intk which prevents high EGR rates during some engine conditions or the effect on other pollutant emissions during engine warm up at the emissions cycle. Considering the new challenges that light vehicles will face in the future regulations (WLTP or TIER 3) and the aforementioned individual limitations for HPEGR and LPEGR systems, this PhD. Thesis propounds the analysis of the combination of both EGR techniques, HPEGR and LPEGR, in order to show the ability to reach high EGR rates and the effects on fuel consumption and pollutant emissions. To accomplish this objective, by means of experimental tests, two different combination strategies are evaluated: firstly, a simultaneous combination of both HPEGR and LPEGR systems and, secondly, a sequential combination of the individual systems.

For simultaneous combination of HPEGR and LPEGR, a sweep of EGR rates combining the use of both systems is performed at five engine operation points within the engine operating range of EGR. For all tested points, the ability of reaching higher rates of EGR with the combination than with individual systems is analyzed from the air management point of view. The analysis is performed by studying the evolution of the properties of the trapped mass into the cylinder, the engine volumetric efficiency and the turbocharger performance. Besides analyzing the evolution of BSFC and pollutant emissions.

Regarding the sequential combination of HPEGR and LPEGR, various tests of the NEDC emission cycle are performed in different ambient temperatures (20ºC, 0ºC and -7ºC). The sequential combination strategy involves starting the test cycle with HPEGR and, after a given time (600s and 800s), switching to LPEGR system. For these tests, the engine warm up evolution and pollutant emissions evolution are analyzed.

Finally, as a practical contribution, an estimation technique of LPEGR mass flow is proposed by means of an energy balance into the control volume defined at the joint between the LPEGR and the fresh air ducts, just before the compressor intake.

[ES] El uso de la técnica de Recirculación de Gases de Escape (EGR) para la reducción de las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) en motores Diésel se inicia con las primeras normativas EURO y se extiende hasta hoy en día. Si bien los sistemas post-tratamiento se planteaban como alternativa para sustituir al EGR, finalmente, ambas tecnologías se han complementado para lograr alcanzar las estrictas limitaciones impuestas por las actuales normativas vigentes (EURO6, TIER 2). El hecho de que el EGR actúe en la reducción de NOx desde su origen en el proceso de combustión de forma efectiva y la simplicidad de ser implementado en un motor, han sido algunas de las ventajas que han mantenido al EGR como una de las principales técnicas contra los NOx. Además, desde otro punto de vista, el uso del EGR se está extendiendo en otras aplicaciones como los MEP o HCCI para gestionar estrategias de funcionamiento propias de dichas motorizaciones. Hasta ahora el EGR de alta presión refrigerado (HPEGR) había sido la configuración más generalizada para llevar a cabo la tasa de EGR. Sin embargo, se ve limitado para alcanzar altas tasas de EGR por su efecto en la Tadm, el incremento del gef o en las emisiones de partículas (PM). Ante esta situación, se planteaba el EGR de baja presión (LPEGR) como alternativa para superar estas limitaciones, aunque conlleva otras desventajas como el bajo valor de Pesc-adm que impide realizar altas tasas de EGR o su efecto sobre otras emisiones contaminante durante el calentamiento motor en el ciclo de homologación. En el marco de los nuevo retos a los que se enfrentan los vehículos ligeros con las futuras normativas (WLTP o TIER 3) y con las citadas limitaciones individuales de los sistemas HPEGR y LPEGR, en esta Tesis Doctoral se plantea el análisis de la combinación de las técnicas de EGR de alta y baja presión para alcanzar altas tasas de EGR y sus efectos sobre el consumo y las emisiones. Para llevar a cabo este objetivo, desde el punto de vista experimental, se plantean dos estrategias diversas de combinación: por una parte la combinación simultánea de ambos sistemas y por otra la combinación secuencial. Para la combinación simultánea de los sistemas de HPEGR y LPEGR, se realiza un barrido de combinación de ambos sistemas en cinco puntos de funcionamiento del motor dentro del área de EGR. Para todos los puntos ensayados se analiza la capacidad de realizar mayores tasas de EGR que los sistemas individuales, desde el punto de vista de la renovación de la carga. Dicho análisis se lleva a cabo mediante el estudio de la evolución de las propiedades de la masa atrapada en el cilindro, el rendimiento volumétrico y las condiciones de funcionamiento del turbocompresor. Además se analizan las evoluciones del gef y de las emisiones contaminantes.

Respecto a la combinación secuencial de HPEGR y LPEGR, se realizan diversos ensayos de un ciclo de homologación NEDC a distintas temperaturas de funcionamiento (20ºC, 0ºC y -7ºC). La estrategia de combinación secuencial implica empezar el ciclo de homologación con el sistema HPEGR y en determinado instante del ciclo (600s y 800s) cambiar al sistema LPEGR. Para estos ensayos se ha realizado el estudio de la evolución del calentamiento motor y el efecto en las emisiones de NOx.

[CA] L'ús de la tècnica de Recirculació de Gasos d'Escapament (EGR) per a la reducció de les emissions d'òxids de nitrogen en motors Dièsel s'inicia amb les primeres normatives EURO i s'ha anat utilitzant fins l'actualitat. Si bé els sistemes post-tractament es plantejaven com a alternativa per a substituir al EGR, finalment ambdós tecnologies s'han complementat per a aconseguir les estrictes limitacions imposades a hores d'ara (EURO6, TIER 2). El fet de que l'EGR actua en la reducció de NOx des del seu origen en el procés de combustió de forma efectiva i la simplicitat per a ser implementat en un motor, han sigut alguns dels avantatges que han mantingut al EGR com una de les principals tècniques contra els NOx. A més, des d'un altre punt de vista, s'està estenent l'ús del EGR en altres aplicacions com en els MEP o HCCI per a gestionar estratègies de funcionament pròpies de dites motoritzacions. Fins ara l'EGR d'alta pressió refrigerat (HPEGR) havia sigut la configuració més generalitzada per a dur a terme la taxa de EGR. No obstant, això es veu limitat per a aconseguir altes taxes d'EGR pel seu efecte en la Tadm, l'increment del gef o en les emissions de partícules (PM). Davant d'aquesta situació, es planteja l'EGR de baixa pressió (LPEGR) com a alternativa per a superar estes limitacions, encara que comporta altres desavantatges com el seu efecte a les altres emissions en condicions de funcionament de motor fred o el baix valor de Pesc-adm que impedix realitzar altes taxes de EGR.

En el marc dels nous reptes als què s'enfronten els vehicles lleugers amb les futures normatives (WLTP o TIER 3) i de les esmentades limitacions individuals dels sistemes HPEGR i LPEGR, en esta Tesi Doctoral es planteja l'anàlisi de la combinació de les tècniques de EGR d'alta i baixa pressió per a aconseguir altes taxes de EGR, des del punt de vista del procés de renovació de la càrrega, i els seus efectes sobre el consum i les emissions. Per a dur a terme este objectiu es plantegen dos estratègies diverses de combinació: d'una banda la combinació simultània d'ambdós sistemes i per una altra la combinació seqüencial.

Per a la combinació simultània dels sistemes de HPEGR i LPEGR, es realitza un mostreig de combinació d'ambdós sistemes en cinc punts dins de l'àrea de EGR del motor. Per a tots els punts assajats es realitza una anàlisi de la capacitat de realitzar majors taxes de EGR que els sistemes individuals, des del punt de vista de la renovació de la càrrega. Aquest anàlisi es du a terme per mitjà de l'estudi de l'evolució de les propietats de la massa atrapada en el cilindre, el rendiment volumètric i les condicions de funcionament del turbocompressor. A més es realitza l'anàlisi de les evolucions del gef i de les emissions contaminants.

Respecte a la combinació seqüencial de HPEGR i LPEGR, es realitzen diversos assajos d'un cicle d'homologació NEDC a distintes temperatures de funcionament (20ºC, 0ºC i -7ºC). L'estratègia de combinació seqüencial implica comen car el cicle d'homologació amb el sistema HPEGR i en determinat instant del cicle (600s i 800s) canviar al sistema LPEGR. Per a estos assajos s'ha realitzat l'estudi de l'evolució del calfament del motor i l'efecte en les emissions de NOx.

Finalment, com a aportació pràctica, es planteja una tècnica d'estimació de gast màsic de LPEGR. per mitjà del balanç energètic en el volum de control definit en la unió del sistema de LPEGR amb el conducte d'aire fresc abans del compressor.