Study of Different Strategies to Improve the Internal Combustion Engine (ICE) Operating at Cold Conditions

Abstract

[ES] Las actuales y futuras normativas, en términos de emisiones contaminantes y movilidad sostenible, continuarán fijando una difícil etapa para el desarrollo y mejoramiento de los motores de combustión interna alternativos (MCIA). Los nuevos parámetros conocidos como, emisiones reales de conducción, los cambios de altitud y las condiciones extremas de operación a bajas temperaturas, son los mayores desafíos para cumplir bajo estas nuevas normativas. Por esta razón, la academia y los fabricantes de la industria de la automoción continúan trabajando en colaboración, tratando de desarrollar más eficientes y menos contaminantes sistemas de propulsión.

En este trabajo experimental de investigación, los principales resultados de un proyecto de colaboración llevado a cabo entre la empresa Valeo Systèmes Thermiques y la Universitat Poltècnica de València son presentados. La recirculación de gases de escape, en sus dos configuraciones, de alta y de baja presión, y la desactivación de cilindros, son las principales estrategias que se estudiarán en este trabajo, debido a su alto potencial y su bajo costo de implementación. Estas estrategias son evaluadas en un motor Diesel, instalado en una cámara de ensayos climática y operando a bajas temperaturas ambiente (-7°C).

La primera estrategia, es la activación de la EGR de alta presión desde el inicio de un arranque de motor y el desarrollo de un modelo de condensación simple capaz de predecir si hay o no condensación dentro de la línea de EGR bajo estas condiciones. En particular, el ratio de humedad y las condiciones internas del motor que caracterizan la aparición de este fenómeno son calculadas por el modelo. Este modelo es validado por medio de cámaras instaladas en el rail de EGR con el objetivo de visualizar la evolución de la condensación dentro de los componentes. El ratio de humedad calculado y el comportamiento de la condensación observado a través de las cámaras, muestran que durante un arranque de motor en frío, las condiciones de condensación en los gases están presentes hasta que se alcanzan aproximadamente 50°C, mientras que en las paredes sólidas y en los componentes, las condiciones se mantienen hasta que se alcanzan aproximadamente 30°C. En la segunda estrategia, una nueva línea de EGR compacta, equipada con un sistema de bypass para el intercambiador de calor es usada con el objetivo de acelerar el proceso de calentamiento del motor en comparación a la línea de EGR de baja presión original del motor. El objeto de esta estrategia es evaluar el impacto en el comportamiento del motor de realizar EGR de baja presión a bajas temperaturas con la activación del sistema de bypass para deshabilitar el intercambiador de calor. Siguiendo esta estrategia, una notable reducción en emisiones de NOx de aproximadamente 60% con respecto a un caso de referencia sin activación de la EGR de baja presión es lograda. Además, el proceso de calentamiento del motor ha sido reducido en aproximadamente 60 segundos y la temperatura de admisión del motor ha sido aumentada en 30°C, liderando una reducción en las emisiones de CO de aproximadamente 12%. En la tercera estrategia, el impacto de usar una nueva configuración de la desactivación de cilindros con el propósito de acelerar el proceso de calentamiento del motor es evaluada. Los resultados muestran un incremento en la temperatura de escape de alrededor de 100°C, el cual permite reducir la activación del catalizador en 250 segundos además de reducir el proceso de calentamiento del motor en aproximadamente 120 segundos. Esto permite reducir las emisiones de CO y HC en un 70% y 50%, respectivamente. Y finalmente, la última estrategia experimental realizada, evalúa el impacto de usar la EGR de alta presión mientras el filtro de partículas está en el modo activo de regeneración. Siguiendo esta posible condición de calibración de motor, una reducción en emisiones de NOx de aproximadamente 50% con respecto a un caso de referencia ha sido alcanzada.

[CA] Les actuals i futures normatives, en termes d'emissions contaminants i mobilitat sostenible, continuaran fixant una difícil etapa per al desenvolupament i millorament dels motors de combustió interna alternatius (MCIA). Els nous paràmetres coneguts com, emissions reals de conducció, els canvis d'altitud i les condicions extremes d'operació a baixes temperatures, són els majors desafiaments per a complir les noves normatives. Per aquesta raó, l'acadèmia i els fabricants de la indústria de l'automoció continuen treballant en col·laboració, tractant de desenvolupar més eficients i menys contaminants sistemes de propulsió.

En aquest treball experimental d'investigació, es presenten els principals resultats d'un projecte de col·laboració dut a terme entre l'empresa Valeo Systèmes Thermiques i la Universitat Politècnica de València. La recirculació de gasos del motor, en les seues dues configuracions, d'alta i de baixa pressió, i la desactivació de cilindres, són les principals estratègies que s'estudiaran en aquest treball, a causa del seu alt potencial i el seu baix cost d'implementació. Aquestes estratègies són avaluades en un motor Dièsel, instal·lat en una cambra d'assajos climàtica i operant a baixes temperatures ambient (-7 °C).

La primera estratègia, és l'activació de la EGR d'alta pressió des de l'inici d'una arrancada de motor i el desenvolupament d'un model de condensació simple capaç de predir si hi ha o no condensació dins de la línia de EGR. En particular, el ràtio d'humitat i les condicions internes del motor que caracteritzen l'aparició d'aquest fenomen són calculades pel model. Aquest model és validat per mitjà de càmeres instal·lades a el rail de EGR amb l'objectiu de visualitzar l'evolució de la condensació dins dels components. El ràtio d'humitat calculat i el comportament de la condensació observat a través de les càmeres, mostren que durant una arrancada de motor en fred, les condicions de condensació en els gasos són presents fins que s'aconsegueixen aproximadament 50 °C, mentre que a les parets i als components, les condicions es mantenen fins que s'aconsegueixen aproximadament 30 °C. En la segona estratègia, una nova línia de EGR compacta, equipada amb un sistema de bypass per a l'intercanviador de calor és usada amb l'objectiu d'accelerar el procés de calfament del motor en comparació a la línia de EGR de baixa pressió original del motor. L'objecte d'aquesta estratègia és avaluar l'impacte en el comportament del motor de realitzar EGR de baixa pressió a baixes temperatures amb l'activació del sistema de bypass per a evitar l'intercanviador de calor. Seguint aquesta estratègia, s'aconsegueix una notable reducció en emissions de NOx d'aproximadament 60% respecte a un cas de referència sense activació de la EGR de baixa pressió. A més, el procés de calfament del motor ha sigut reduït en aproximadament 60 segons i la temperatura d'admissió del motor ha sigut augmentada en 30 °C, produint una reducció en les emissions de CO d'aproximadament 12%. Per a la tercera estratègia, és avaluat l'impacte d'usar una nova configuració de la desactivació de cilindres amb el propòsit d'accelerar el procés de calfament del motor. Els resultats mostren un increment a la temperatura dels gasos de al voltant de 100 °C, el qual permet reduir l'activació del catalitzador en 250 segons a més de reduir el procés de calfament del motor en aproximadament 120 segons. Això permet reduir les emissions de CO i HC en un 70% i 50%, respectivament. Finalment, l'última estratègia experimental realitzada, avalua l'impacte d'usar la EGR d'alta pressió mentre el filtre de partícules està en la manera activa de regeneració. Seguint aquesta possible condició de calibratge de motor, ha sigut aconseguida una reducció en emissions de NOx d'aproximadament 50% respecte a un cas de referència sense activar la EGR d'alta pressió.

[EN] Current and future legislations, regarding pollutant emissions reduction and green mobility, will continue fixing a difficult stage for the development and improvement of internal combustions engines (ICEs). The Real Driving Emissions (RDE) parameters, the changes of altitude, and the extreme ambient temperature conditions in operation, are the major challenges to fulfill under these new legislations. By these reason, academy and automotive manufacturers continue working in collaboration, trying to develop more efficient and less polluting powertrains.

In this experimental research work, the main results of a collaboration project between the private company Valeo Systèmes Thermiques and the Universitat Poltècnica de València are presented. Exhaust gas recirculation (EGR), in both configurations, high-pressure and low-pressure, and Cylinder Deactivation (CDA), are the main strategies studied in this work due to its high potential and low-cost implementation. These strategies are evaluated in a Light-duty Diesel engine, fitted in a climatic test bench and operating under low ambient temperature (-7ºC).

The first strategy is the High-pressure EGR activation from the beginning of the engine start and the development of a simple condensation model able to predict whether or not there is condensation inside the EGR line under these conditions. In particular, the humidity ratio and the internal engine conditions that characterize the appearance of this phenomenon are estimated by the model. This model is validated by means of cameras fitted on the EGR rail in order to visualize the condensation evolution. The humidity ratio estimate and the condensation behavior observed through the cameras, shows that during an engine cold start, condensation conditions in the gases are present until reach approximately 50ºC, while in solid walls and components, the conditions remains until reach approximately 30ºC. In the second strategy, a new compact line fitted with a bypass system for the cooler is used with the aim of accelerating the engine warm-up process as compared to the original low-pressure EGR line. The aim of this strategy is to evaluate the impact on the engine behavior of performing Low-pressure EGR at cold conditions and to activate the bypass system in order to disable the cooler. Following this strategy, a noticeable NOx emissions reduction of approximately 60% with respect to a reference case without low-pressure EGR has been achieved. In addition, the engine warm-up process has been reduced in approximately 60 seconds and the engine intake temperature has been increased 30ºC, leading a CO emissions reduction of approximately 12%. In the third strategy, the impact of using a new cylinder deactivation configuration with the aim of improving the engine warm-up process is evaluated. The results show an increase of the exhaust temperatures of around 100ºC, which allows to reduce the diesel oxidation catalyst light-off by 250 seconds besides of reducing the engine warm-up process in approximately 120 seconds. This allows to reduce the CO and HC emissions by 70% and 50%, respectively. And finally, the last experimental strategy evaluates the impact of using the high-pressure exhaust gas recirculation while the diesel particulate filter is under active regeneration mode. Following these possible engine calibration conditions, a NOx emissions reduction of approximately 50% with respect to a reference case without high-pressure EGR during a DPF regeneration process has been achieved.