Diseño de una metodología para la optimización experimental del consumo y emisiones de un motor Diésel

Abstract

The present Master¿s thesis is focused on the development of a method that minimizes both consumption and NOx and soot particles emissions of a diesel engine through design of experiments. For this purpose, 2 characteristics working points of the single-cylinder engine Z19DTH will be studied and the influence on the mentioned variables of the injection parameters, i.e., rail pressure, main injection advance and injection strategy, will be analyzed. From experimental measures, statistical models have been developed that reproduce the behavior of engine variables as a function of injection parameters. Using these models, an optimization of these parameters that satisfy different desirability functions will be carried out. Finally, the influence of reducing the number of observations on the precision of the results will be studied and it will be checked whether by combining the experimental model with a predictive tool (Siciclo), whether substantial improvements are achieved. After analyzing the results, it can be concluded that the parameters that affect engine consumption and emissions the most are the rail pressure and the main injection advance. Also, the addition of a post-injection in low-load points is translated into a 50% reduction in soot particles emissions and a slight performance improvement, all this without increasing Nox formation. In mid-load points, the influence of additional injections is insignificant and, in order to reduce the complexity of this models in future studies, and provided the minimum required precision allows it, they can be neglected.

El presente Trabajo Fin de Máster está enfocado al desarrollo de un método para minimizar el consumo y las emisiones de NOx y partículas de hollín de un motor diésel a partir de diseños de experimentos. Con este propósito se estudiarán 2 puntos de funcionamiento característicos del motor monocilíndrico Z19DTH y se analizará la influencia de los parámetros de inyección (presión de inyección, avance de la inyección principal, masa de las inyecciones y separación entre ellas) sobre las variables citadas anteriormente. A partir de medidas experimentales se han desarrollado modelos estadísticos que reproducen el comportamiento de variables del motor en función de los parámetros de inyección. Utilizando estos modelos, se llevará a cabo una optimización de estos parámetros que satisfagan diferentes funciones de deseabilidad. Finalmente se estudiará la influencia de reducir el número de observaciones en la precisión de los resultados y se comprobará si combinando el modelo experimental con una herramienta predictiva (Siciclo), que incorpora modelos físicos, se obtienen mejoras sustanciales. Tras analizar los resultados obtenidos se concluye que los parámetros que más afectan al consumo y emisiones del motor son la presión de inyección y el avance de la inyección principal. Además, la adición de una post-inyección en puntos de baja carga supone una reducción del 50 % en emisiones de partículas de hollín y un ligero aumento del rendimiento y, todo esto sin incrementar la formación de NOx. En puntos de media carga la influencia de las inyecciones adicionales es insignificante y en aras de reducir la complejidad de estos modelos en futuros estudios y siempre que el nivel de precisión requerido lo permita, podrán ser despreciadas.

El present Treball Final de Màster està enfocat al desenvolupament d’un mètode per a minimizar el consum i les emissions de NOx i partícules de sutge d’un motor dièssel a partir de dissenys d’experiments. Amb aquest propòsit s’estudiaran 2 punts de funcionament característics del motor monocilíndric Z19DTH i s’analitzarà la influència dels paràmetres d’injecció (pressió d’injecció, avanç de la injecció principal, massa de les injeccions i separació entre elles) sobre les variables nomenades amb anterioritat. A partir de mesures experimentals s´han desenrotllat Models estadístics que reproduïxen el comportament de variables del motor en funció dels paràmetres d’injecció. Utilitzant estos models, es durà a terme una optimizació d’estos paràmetres que satisfacen diferents funcions de deseabilidad . Finalment s’estudiará la influència de reduir el nombre d’observacions en la precisió de resultats i es comprobarà si combinant el model experimental amb una ferramenta predictiva (Silici), que incorpora Models físics, s’obtenen millores substancials. Després d’haver analitzat els resultats assolits es conclou que els paràmetres que més afecten al consum i emissions del motor són la pressió d’injecció i l’avanç de la injecció principal. A més, l’addició d’una post-injecció en punts de baixa càrrega suposa una reducció del 50% en emissions de partícules de sutge i un lleuger augment del rendiment i, tot açò sense incrementar la formació de NOx. En punts de mitja càrrega la influència de les injeccions adicionals és insignificant i amb la intenció de reduir la complexitat d’aquestos models en futurs estudis i sempre que el nivell de precisió requerit ho permeta, podran ser rebutjades.