Estudio de las emisiones de escape en motores de combustión interna alternativos utilizando diferentes sistemas de control de contaminantes

Abstract

[EN] Nowadays, the improvements and developments carried out in reciprocating internal combustion engines are especially based on fuel consumption and pollutant emissions reduction. These reductions are promoted by the depletion of world fossil fuel reserves and the increase in health and environmental problems that have been reported over the years.

Actual regulations are forcing manufacturers to include different technologies which lead to a reduction in harmful compounds emissions, and therefore, the pollutants emission limits can be achieved. In this regard, the aftertreatment systems located in the exhaust line in all engine architectures have become commonly used as a solution to reduce such compounds. Furthermore, the manufacturers are also developing different strategies that directly affect the combustion process such as EGR systems or exploring new combustion modes, which are focus on the reduction of pollutants.

This PhD thesis has as a main objective the experimental evaluation of the pollutant emissions (CO, HC, NOx, PM and PN) obtained through the use of emerging strategies for reducing pollutant compounds in reciprocating internal combustion engines. In this context, this work also includes the development of a methodology for the evaluation and assessment of the soot concentration emitted by these engines during dynamic operating conditions.

On the one hand, the strategies that are use along this work and applied to compression ignition engines have been focused on aftertreatment systems, and more precisely on the diesel oxidation catalysts and diesel particle filters. Thus, the influence of the placement of these systems in the exhaust line over pollutants emissions has been analyzed. Following in the field of diesel particle filters, the analysis of the influence of pre-DPF water injection strategy on pollutants compounds has been carried out.

On the other hand, concerning spark ignition engines, the influence of low pressure EGR strategy in a turbocharged direct injection engine on pollutant emission, and the efficiency of the aftertreatment system incorporated (three way catalyst) has been studied.

Through these works it has been possible to determine the effects of different emission control techniques on pollutant compounds, establishing the advantages and disadvantages of each one and, as a results, proposing how to continue the development of these strategies.

[ES] Hoy en día, el desarrollo y mejora de los MCIA está especialmente forzado por la reducción en el consumo de combustible y las emisiones contaminantes. Estas reducciones están motivadas debido al agotamiento de las reservas mundiales de combustibles fósiles y el aumento de los problemas de salud y medioambientales que se han ido reportando a lo largo de los años.

Las actuales regulaciones anticontaminación están obligando a los constructores a incluir diferentes tecnologías que permitan la reducción de la emisión de compuestos nocivos y el cumplimiento de los límites máximos establecidos. En este sentido, los sistemas de post-tratamiento en la línea de gases de escape se han convertido en la solución comúnmente empleadas en todas las arquitecturas de motores existentes para la reducción de dichos compuestos; aunque también se están desarrollando diversas estrategias que afectan directamente al proceso de combustión, tales como los sistemas de recirculación de gases de escape, o nuevos modos de combustión, que buscan este fin.

Esta tesis tiene como objetivo principal la evaluación experimental de las emisiones (CO, HC, NOx, PM y PN) que se obtienen a través del uso de nuevas estrategias emergentes para la reducción de contaminantes en MCIA. En este contexto, este trabajo también contempla el desarrollo de una metodología que permita la evaluación y estimación de la concentración hollín emitido durante condiciones de operación dinámicas de motor.

Por un lado, las estrategias analizadas en esta tesis aplicadas a motores de encendido por compresión han estado centradas en los sistemas de post-tratamiento; concretamente, en los DOC y DPF. Así pues, se ha analizado la influencia sobre las emisiones contaminantes de la arquitectura de estos sistemas en la línea de escape, situándolos aguas arriba de la turbina de sobrealimentación, en configuración conocida como pre-turbo. Siguiendo con el campo de los DPFs, también se ha llevado a cabo el análisis de la influencia de la estrategia de inyección de agua en este sistema sobre las emisiones contaminantes con este tipo de motor.

Por otro lado, y concerniente a las motorizaciones MEP, se ha estudiado la influencia de la estrategia de EGR sobre las emisiones de un motor turboalimentado y de inyección directa, así como sobre el sistema de post-tratamiento que incorpora (TWC).

A través de estos trabajos se han podido evaluar los efectos de diferentes técnicas de control de emisiones, estableciendo las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas y proponiendo finalmente como continuar el desarrollo de las mismas.

[CA] En l'actualitat, el desenvolupament i millora dels MCIA està especialment forçat per la reducció del consum de combustible i les emissions contaminants. Aquestes reduccions estàn promogudes per l'esgotament de les reserves mundials de combustibles fòssils i l'augment dels problemes de salut i medioambientals que s'han produït durant el últims anys.

Les actuals regulacions anticontaminants han fet que els fabricants incloguen distintes tecnologies que permeten la reducció de l'emissió de compostos nocius i el compliment dels límits màxims establerts. En aquest sentit, els sistemes de post-tractament en la línia dels gasos d'escapament s'han convertit en la solució més utilitzada en totes les arquitectures de motors existents per a la reducció dels compostos mencionats anteriorment; encara que també estàn desenvolupant-se diverses estratègies que afecten directament al procés de combustió, com son els sistemes de recirculació de gasos d'escapament, o nous tipus de combustió, que busquen aquest fi.

Aquesta tesi té com a objetiu principal l'avaluació experimental de les emissions (CO, HC, NOx, PM y PN) que s'obtenen a través de l'ús de noves estratègies emergents per a la reducció de contaminants en MCIA. En aquest context, el treball també contempla el desenvolupament d'una metodologia que permeta l'avaluació i estimació de la concentració de sutja emés durant condicions d'operació dinàmiques del motor.

Per una banda, les estratègies analitzades en aquesta tesi aplicades a motors d'encesa per compressió han estat centrades en els sistemes post-tractament; concretament, en els DOC i DPF. Així doncs, s'ha analitzat la influència sobre les emissions contaminants de l'arquitectura d'aquestos sistemes en la línia d'escapament, situant-los aigües amunt de la turbina de sobrealimentació, en configuració coneguda com pre-turbo. Seguint amb el camp dels DPF, també s'ha dut a terme l'anàlisi de la influència de la estrategia d'injeccio d'aigua en aquest sistema sobre les emissions contaminants amb aquest tipus de motor.

Per altre costat, pel que concerneix a les motoritzacions MEP, s'ha estudiat la influència de l'estratègia de EGR sobre les emissions d'un motor turboalimentat i d'injecció directa, així com sobre el sistema de post-tractament que incorpora (TWC).

Mitjançant aquests treballs s'han pogut avaluar els efectes de diferents tècniques de control d'emissions, establint els avantatges i inconvenients de cadascuna d'elles i propossant finalment com continuar amb el desenvolupament de les mateixes.