Integrated engine and aftertreatment modeling for transient emissions prediction
Creators: name: Τζιόλας, Βασίλειος Δ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Συνδυασμένη προσομοίωση
Εκπομπές ρύπων
Θερμική διαχείριση καυσαερίων
Βελτιστοποίηση
Integrated simulation
Tailpipe emissions
Thermal management
Optimization

description: Η ανάγκη επίτευξης υψηλής απόδοσης με σημαντική μείωση των εκπομπών ρύπων οδήγησε στην ανάπτυξη προηγμένων συστημάτων κινητήρων και αντιρρύπανσης αυξάνοντας την πολυπλοκότητα. Αυτή η εξέλιξη περιλαμβάνει εξαρτήματα και λογισμικά, τονίζοντας τον κρίσιμο ρόλο των στρατηγικών ελέγχου και των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των διαφόρων συστημάτων ενός συστήματος κίνησης για την επίτευξη των στόχων που έχουν θέσει οι νομοθεσίες. Συζητείται η ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης προσέγγισης προσομοίωσης κινητήρα και συστήματος αντιρρύπανσης για την πρόβλεψη εκπομπών ρύπων υπό μεταβατική λειτουργία. Αυτές οι προσομοιώσεις αποτελούν εργαλείο όχι μόνο για να εξετάσουν πώς διάφορες συνθήκες λειτουργίας και διατάξεις επηρεάζουν τις τελικές εκπομπές, αλλά και για το σχεδιασμό στρατηγικών για τη βελτίωση των συστημάτων ελέγχου εκπομπών. Συνολικά, αυτή η έρευνα στοχεύει στην εις βάθος κατανόηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ κινητήρα και συστημάτων αντιρρύπανσης, επιτρέποντας την ανάπτυξη πιο αποδοτικών τεχνολογιών ελέγχου εκπομπών για τα επερχόμενα οχήματα. Στο πρώτο κεφάλαιο παρέχεται μια εισαγωγή ώστε να ενημερωθεί ο αναγνώστης για τις αρχές λειτουργίας και τις πρόσφατες εξελίξεις στους κινητήρες και στα συστήματα μετεπεξεργασίας καυσαερίων. Επιπλέον, αναλύονται οι ισχύουσες και μελλοντικές διατάξεις της νομοθεσίας και συζητείται ο σκοπός και η δομή της διατριβής. Στο δεύτερο κεφάλαιο αξιολογείται ο αντίκτυπος διαφόρων μέτρων θερμικής διαχείρισης του κινητήρα στις εκπομπές NOX κατά την εκκίνηση, στην ενθαλπία εισόδου στο σύστημα αντιρρύπανσης και στην κατανάλωση καυσίμου κατά την ψυχρή εκκίνηση με τη χρήση ενός λεπτομερούς, πιστοποιημένου 1D μοντέλου κινητήρα. Περαιτέρω, παρουσιάζεται η ανάπτυξη ενός μοντέλου 3 λίτρων Diesel κινητήρα χρησιμοποιώντας το λογισμικό GT-suite®, μαζί με τη διαδικασία πιστοποίησης που βασίζεται σε πειραματικές μετρήσεις. Το τρίτο κεφάλαιο διερευνά πώς διάφορες παράμετροι βαθμονόμησης μπορούν να επηρεάσουν την ενθαλπία των καυσαερίων για την επιτάχυνση της προθέρμανσης του συστήματος αντιρρύπανσης και τον αντίκτυπό τους στις εκπομπές ρύπων και στην οικονομία καυσίμου κατά το πρώτο μέρος ενός κύκλου οδήγησης με ψυχρή εκκίνηση. Παρέχονται πειραματικά αποτελέσματα καθώς και αποτελέσματα μοντελοποίησης, ενώ περιγράφεται η ανάπτυξη και επικύρωση ενός μοντέλου για κινητήρα βενζίνης 2 λίτρων χρησιμοποιώντας το λογισμικό gasdyn®. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται αξιολόγηση βάσει μοντέλου δύο συστημάτων μετεπεξεργασίας καυσαερίων EU6 για κινητήρες CI και SI, ενώ συζητούνται εναλλακτικές διατάξεις, προηγμένα υλικά και ενεργή θέρμανση καυσαερίων. Και τα δύο βασικά μοντέλα υφίστανται επικύρωση μέσω ειδικών πειραματικών πρωτοκόλλων, ενώ η μοντελοποίηση των συσκευών αντιρρύπανσης επιτυγχάνεται μέσω του Exothermia suite®. Στο πέμπτο κεφάλαιο εξετάζεται η μεθοδολογία σύζευξης μοντέλων κινητήρα και αντιρρύπανσης σύμφωνα με το πρωτόκολλο FMI®, επιτρέποντας την ολοκληρωμένη προσομοίωση διαφόρων στοιχείων από διαφορετικά λογισμικά σε μια κοινή πλατφόρμα. Το έκτο κεφάλαιο επικεντρώνεται σε διερεύνηση διαφορετικών τεχνολογιών EU7. Συζητείται μια μεθοδολογία βελτιστοποίησης της λειτουργίας προθέρμανσης του κινητήρα που περιλαμβάνει πολλαπλές τεχνολογίες θερμικής διαχείρισης, ενώ διαφορετικές προηγμένες διαμορφώσεις αντιρρυπαντικού συστήματος αξιολογούνται μέσω ολοκληρωμένης προσέγγισης προσομοίωσης κινητήρα και συσκευών μετεπεξεργασίας καυσαερίων. Στο τελευταίο κεφάλαιο, ο στόχος είναι να αξιολογηθεί η δυνατότητα διαφορετικών συστημάτων μετάδοσης κίνησης και διαμορφώσεων συσκευών αντιρρύπανσης για την εκπλήρωση των μελλοντικών νομοθετικών ορίων, μέσω της ανάπτυξης ενός ολοκληρωμένου μοντέλου υβριδικού οχήματος τύπου Plug-in (PHEV) εξοπλισμένου με κινητήρα SI. Η απόδοση του κινητήρα όσο και του συστήματος αντιρρύπανσης αξιολογείται κάτω από διαφορετικές οριακές και αρχικές συνθήκες, όπως ποικίλες στρατηγικές ελέγχου λάμδα, πρωτόκολλα προσομοίωσης και θερμοκρασίες περιβάλλοντος.
description: The need to achieve fuel efficiency while reducing emissions has driven the development of more engine and aftertreatment systems, increasing complexity. This advancement encompasses hardware and software components, underscoring the pivotal role of control strategies and the interaction among various systems of a powertrain in meeting the targets set by legislation. In this work, the development of an integrated engine and aftertreatment simulation approach for the prediction of transient emissions is discussed. These simulations are not only instrumental in examining how diverse operating conditions and aftertreatment setups influence emissions performance but also in formulating strategies to enhance emissions control systems. At its core, this research seeks to foster deeper comprehension of the complex interactions between engine and aftertreatment systems, thereby facilitating the development of more efficient emissions control technologies for upcoming vehicles. In chapter 1 an introduction is given to introduce the reader to the operating principles and recent advancements of both internal combustion engines and aftertreatment systems. The current and future legislation limits is presented, while the thesis objective and structure are discussed. In chapter 2 the impact of various engine-based thermal management measures on engine-out NOX, EAS inlet enthalpy and fuel consumption is evaluated under transient, cold-start conditions with the use of a detailed, validated 1D engine model. The development of a 3L Diesel engine model using GT-suite® software is described, together with its validation based on dedicated experimental measurements. Chapter 3 investigates the way that different calibration parameters can influence exhaust enthalpy to accelerate aftertreatment warm-up and their impact on engine-out emissions and fuel economy during the cold-start. Experimental and model results are presented, while the development and validation of a 2L Gasoline engine model using gasdyn® is described. Chapter 4 introduces a model-based evaluation of EU6 after-treatment systems for both CI and SI engines, but also discusses the potential of alternative configurations integrating close-coupled catalysts, advance materials and active exhaust heating, towards the stringent legislations. Both baseline models undergo validation through dedicated experimental protocols, while modeling is achieved via Exothermia suite®. Chapter 5 focuses on the ICE and EAS models coupling following the FMI® protocol. This approach allows the integrated simulation of various components from different software, hosted in a common platform. Online communication is ensured, facilitating the evaluation of complete systems across a wide range of applications. The chapter also delves into the generation of reduced-order models, decreasing computational time while maintaining predictivity and accuracy of the simulated results. Chapter 6 centers on a model-based investigation of EU7 technologies. A warm-up mode optimization methodology is discussed, while different EAS configurations are evaluated through integrated engine and aftertreatment simulations based on validated models. In chapter 7, the main target is to assess the potential of different powertrain and EAS configurations in meeting legislation limits, via the development of a comprehensive PHEV model equipped with a SI engine. The efficiency of both the engine and the EAS are evaluated under diverse boundary and initial conditions, such as varying lambda control strategies, simulation protocols and ambient temperatures.