Experimental analysis and multidimensional modeling of water condensation due to low-pressure exhaust gas recirculation activation during engine cold starts

Abstract

[ES] El creciente uso de la recirculación de gases de escape durante los últimos años debido a su impacto en la reducción de las emisiones NOx y a la alta demanda de soluciones por parte de los nuevos ciclos de homologación para reducir emisiones, ha provocado la necesidad de estudiar en profundidad el sistema de recirculación de gases de escape para su uso de forma continua y con independencia de las condiciones ambientales. Debido a esta necesidad y sabiendo que el principal problema de su uso en el ciclo de baja presión es la condensación generada que provoca el desgaste del rodete del compresor. Ha hecho necesaria la investigación en profundidad de esta técnica para conocer, entender y predecir la condensación durante el uso de la recirculación de gases de escape de baja presión.

Este trabajo se ha centrado en generar, mejorar y validar los modelos de predicción de condensados, así como de desarrollar técnicas experimentales que validaran y sirivieran para entender mejor el fenómeno de la condensación, con la visión puesta en calcular la condensación en ciclos completos de homologación.

Respecto al trabajo experimental de esta tesis, se han centrado los esfuerzos en medir la condensación generada en el intercambiador de calor de la línea de recirculación de gases de escape de baja presión para diferentes condiciones, simulando un arranque en frío de motor. Otro de los puntos que se ha estudiado, ha sido la condensación a la salida de la unión en la que se mezcla la recirculación de gases de escape de baja presión con el aire del ambiente proveniente de la entrada del motor. Desarrollando nuevas metodologías para la medida experimental mediante técnicas ópticas y medidas indirectas de la condensación por mezcla.

En cuanto al trabajo de modelado de la condensación, se ha investigado sobre dos grandes líneas. La primera ha sido el desarrollo de modelos 0D para el cálculo de la condensación en el intercambiado de calor de la línea de recirculación de gases de escape y la verificación experimental del modelo de condensación 3D-CFD desarrollado previamente a esta tesis. El segundo punto ha consistido en el desarrollo y aproximación de nuevas metodologías mediante métodos estadísticos de la reducción de la complejidad en el cálculo de la condensación, reduciendo el número de dimensiones necesarias para calcular de forma realista la condensación en un tiempo reducido. Esto ha posibilitado el cálculo de la condensación producida en ciclos de homologación y su posterior estudio mediante análisis de sensibilidad a diferentes condiciones, estimando una duración del rodete del compresor antes de sufrir desgaste debido a la erosión con el agua.

[CA] El creixent ús de la recirculació de gasos d'escapament durant els últims anys a causa del seu impacte en la reducció de les emissions NOx i a l'alta demanda de solucions per part dels nous cicles d'homologació per a reduir emissions, ha provocat la necessitat d'estudiar en profunditat el sistema per al seu ús de manera contínua i amb independència de les condicions ambientals. A causa d'aquesta necessitat i sabent que el principal problema del seu ús és la condensació generada que provoca el desgast del rodet del compressor, ha fet necessària la seua investigació en profunditat per conéixer, entendre i predir la condensació per l'ús de la recirculació de gasos d'escapament de baixa pressió.

Aquest treball s'ha centrat en generar i millorar els models de predicció de condensats així com de desenvolupar tècniques experimentals que validaren i serviren per entendre millor el fenomen de la condensació, amb l'objectiu d'estimar la condensació en cicles complets d'homologació.

Respecte al treball experimental d'aquesta tesi, s'han centrat els esforços a mesurar la condensació generada a l'intercanviador de calor de la línia de recirculació de gasos d'escapament de baixa pressió per a diferents condicions simulant una arrancada en fred de motor. Un altre dels punts que s'ha estudiat ha sigut la condensació a l'eixida de la unió en la qual es mescla la recirculació de gasos d'escapament de baixa pressió amb l'aire fresc que prové de l'entrada del motor, desenvolupant noves metodologies per a la mesura experimental mitjançant tècniques òptiques i mesures indirectes de la condensació per mescla.

Quant al treball de modelatge de la condensació, s'ha investigat sobre dues grans línies. La primera ha sigut el desenvolupament de models 0D per al càlcul de la condensació a l'intercanviat de calor de la línia de recirculació de gasos d'escapament i la verificació experimental del model de condensació 3D-CFD desenvolupat prèviament a aquesta tesi. El segon punt ha consistit en el desenvolupament i aproximació de noves metodologies mitjançant mètodes estadístics de la reducció de la complexitat en el càlcul de la condensació, reduint les dimensions necessàries per a calcular de manera realista la condensació en un temps reduït. Això ha possibilitat el càlcul de la condensació produïda en cicles d'homologació i el seu posterior estudi mitjançant anàlisi de sensibilitat a diferents condicions.

[EN] The increasing use of the exhaust gas recirculation during the last years due to the impact reduction on the NOx emissions and the high demand on solutions to fulfill the homologation restrictions has revealed the need of studying deeply the system to operate continuously and independently of the boundary conditions. As a consequence of this and knowing that the main drawback of employing the low pressure exhaust gas recirculation is the condensation generation that causes erosion on the compressor impeller, research is required to understand and to predict the condensation during the exhaust gas recirculation activation.

This work has been focused on generating and improving the modelling condensation prediction; and also, the development of experimental techniques that validates the proposed models for calculating the condensation water at cold warm-up homologation cycles.

Concerning the experimental work presented on the thesis, the eorts has been focused on the condensation measurements in two dierent locations. On one hand, on the low pressure exhaust gas recirculation cooler, changing inlet conditions while simulating warm-up conditions on an engine. On the other hand, the condensation has been measured at the three-way junction outlet where the exhaust gas recirculation is mixed with fresh air coming from the ambient. Also, novel methodologies has been developed for measuring with optical techniques and with indirect measurements the mixing condensation.

In terms of the condensation modeling, this thesis has been based in two main topics. The first topic regarding modeling was a 0D condensation model for calculating the condensation on heat exchangers and in particular, on low pressure exhaust gas recirculation coolers. Following this topic, it has been a quantitative validation of a 3D-CFD condensation submodel by means of experimental measurements. The second topic has been centered on developing new statistical methodologies for reducing the condensation calculation complexity on multi-dimensional simulations and reducing multi-fidelity parameters with the reduction of the computational cost. These methodologies have allowed to calculate the condensation on homologation cycles and to perform sensitivity analysis with different conditions.