Integrated engine and aftertreatment modeling for transient emissions prediction

Abstract

The need to achieve high fuel efficiency while substantially reducing tailpipe emissions has driven the development of more advanced engine and after-treatment systems, increasing complexity. This advancement encompasses both hardware and software components, underscoring the pivotal role of the control strategies and the interaction among the various systems of a powertrain in meeting the demanding targets set by legislation. In the frame of this work, the development of an integrated engine and after-treatment simulation approach for the prediction of transient emissions is discussed. These simulations are not only instrumental in examining how diverse operating conditions and after-treatment setups influence emissions performance but also in formulating strategies to enhance emissions control systems. At its core, this research seeks to foster a deeper comprehension of the complex interactions between the engine and after-treatment systems, thereby facilitating the development of more efficient emissions control technologies for upcoming vehicles. Initially, in chapter 1 an introduction is given in order to introduce the reader to the operating principles and recent advancements of both internal combustion engines and exhaust after-treatment 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 Compression Ignition (CI) internal combustion engine model using GT-suite® software is described, together with its validation procedure which is based on dedicated experimental measurements. Chapter 3 investigates the way that different calibration parameters can influence exhaust gas enthalpy to accelerate after-treatment system warm-up as well as their impact on engine-out emissions and fuel economy during the first part of a cold-start driving cycle. Both experimental and model based results are presented, while the development and validation of a model for a 2L Spark Ignition (SI) internal combustion engine using gasdyn® software is described. Chapter 4 introduces a model-based evaluation of two EU6 after-treatment systems for both CI and SI engines, but also discusses the potential of alternative configurations which integrate close-coupled catalytic converters, advance materials and active exhaust heating, towards the stringent upcoming legislations. Both baseline models undergo validation through dedicated experimental protocols, while after-treatment modeling is achieved via Exothermia suite®, whose fundamental equations for mass-momentum, energy and species balance are presented. Chapter 5 focuses on the methodology of coupling ICE and EAS models following the FMI® protocol. This approach allows for the integrated simulation of various components from different software, hosted on a common platform. Online communication among these components 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, aiming to significantly reduce computational time while maintaining the predictive nature and accuracy of the simulated results. Chapter 6 centers on a model-based investigation of fuel efficient EU7 technologies. A warm-up calibration mode optimization methodology that encompasses multiple thermal management technologies is discussed, while different advanced EAS configurations are evaluated through an integrated engine and after-treatment simulation approach based on validated models. In chapter 7, the main target is to assess the potential of different powertrain and EAS configurations in meeting future legislation limits, via the development of a comprehensive Plug-in Hybrid Electric Vehicle (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.

Η ανάγκη για επίτευξη υψηλής αποδοτικότητας με ταυτόχρονη σημαντική μείωση των τελικών εκπομπών ρύπων, οδήγησε στην ανάπτυξη πιο προηγμένων συστημάτων κινητήρων και συσκευών μετεπεξεργασίας καυσαερίων, αυξάνοντας την πολυπλοκότητα. Αυτή η εξέλιξη περιλαμβάνει τόσο εξαρτήματα όσο και λογισμικά, υπογραμμίζοντας τον καθοριστικό ρόλο των στρατηγικών ελέγχου και των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των διαφόρων συστημάτων ενός συστήματος κίνησης για την επίτευξη των απαιτητικών στόχων που έχουν τεθεί από τη νομοθεσία. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας, συζητείται η ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης προσέγγισης προσομοίωσης κινητήρα και συστήματος αντιρρύπανσης για την πρόβλεψη εκπομπών ρύπων σε συνθήκες μεταβατικής λειτουργίας. Αυτές οι προσομοιώσεις είναι εργαλείο όχι μόνο για να εξετάσουν πώς διάφορες συνθήκες λειτουργίας και διατάξεις αντιρρυπαντικών συστημάτων επηρεάζουν τις τελικές εκπομπές, αλλά και για τον σχεδιασμό στρατηγικών για τη βελτίωση των συστημάτων ελέγχου εκπομπών. Στην ουσία, αυτή η έρευνα έχει ως στόχο την προώθηση μιας βαθύτερης κατανόησης των πολύπλοκων αλληλεπιδράσεων μεταξύ του κινητήρα και των συστημάτων μετεπεξεργασίας αέριων ρύπων, διευκολύνοντας έτσι την ανάπτυξη πιο αποδοτικών τεχνολογιών ελέγχου εκπομπών για τα επερχόμενα οχήματα. Αρχικά, στο κεφάλαιο 1 παρέχεται μια εισαγωγή με σκοπό να εντάξει τον αναγνώστη στις λειτουργικές αρχές και τις πρόσφατες εξελίξεις τόσο στους κινητήρες εσωτερικής καύσης όσο και στα συστήματα μετεπεξεργασίας κασυαερίων. Παρουσιάζονται οι ισχύουσες και μελλοντικές περιοριστικές διατάξεις της νομοθεσίας, ενώ συζητούνται ο σκοπός και η δομή της διατριβής. Στο κεφάλαιο 2 αξιολογείται ο αντίκτυπος διάφορων μέτρων θερμικής διαχείρισης του κινητήρα στις εκπομπές NOX κατά την εκκίνηση, στην ενθαλπία εισόδου στο σύστημα αντιρρύπανσης και στην κατανάλωση καυσίμου υπό μεταβατικές συνθήκες ψυχρής εκκίνησης με τη χρήση ενός λεπτομερούς, πιστοποιημένου μοντέλου κινητήρα μίας διάστασης (1D). Περιγράφεται η ανάπτυξη ενός μοντέλου 3 λίτρων ανάφλεξης με συμπίεση (CI) κινητήρα εσωτερικής καύσης χρησιμοποιώντας το λογισμικό GT-suite®, μαζί με τη διαδικασία πιστοποίησής του που βασίζεται σε κατάλληλες πειραματικές μετρήσεις. Το κεφάλαιο 3 διερευνά τον τρόπο με τον οποίο διαφορετικές παράμετροι βαθμονόμησης μπορούν να επηρεάσουν την ενθαλπία των καυσαερίων για την επιτάχυνση της προθέρμανσης του συστήματος αντιρρύπανσης καθώς και τον αντίκτυπό τους στις εκπομπές ρύπων του κινητήρα και στην οικονομία καυσίμου κατά το πρώτο μέρος ενός κύκλου οδήγησης με ψυχρή εκκίνηση. Παρουσιάζονται τόσο πειραματικά όσο και αποτελέσματα μοντελοποίησης, ενώ περιγράφεται η ανάπτυξη και η επικύρωση ενός μοντέλου για κινητήρα εσωτερικής καύσης 2 λίτρων ανάφλεξης με σπινθήρα (SI) με χρήση του λογισμικού gasdyn®. Το κεφάλαιο 4 εισάγει μια αξιολόγηση βάσει μοντέλου δύο συστημάτων μετεπεξεργασίας καυσαερίων EU6 για κινητήρες CI και SI, αλλά επίσης συζητά τις δυνατότητες εναλλακτικών διατάξεων που ενσωματώνουν καταλυτικούς μετατροπείς σε θέση πλησίον του κινητήρα (close-coupled), προηγμένα υλικά και ενεργή θέρμανση καυσαερίων, προς την καυεύθυνση της αυστηρής επερχόμενης νομοθεσίας. Και τα δύο βασικά μοντέλα υφίστανται επικύρωση μέσω ειδικών πειραματικών πρωτοκόλλων, ενώ η μοντελοποίηση των συσκευών μετεπεξεργασίας καυσαερίων επιτυγχάνεται μέσω του Exothermia suite®, του οποίου παρουσιάζονται οι θεμελιώδεις εξισώσεις για την διατήρηση μάζας-ορμής, ενέργειας και χημικών στοιχείων. Το κεφάλαιο 5 εστιάζει στη μεθοδολογία σύζευξης μοντέλων κιντήρα και αντιρρύπανσης σύμφωνα με το πρωτόκολλο FMI®. Αυτή η προσέγγιση επιτρέπει την ολοκληρωμένη προσομοίωση διαφόρων στοιχείων από διαφορετικά λογισμικά, που φιλοξενούνται σε μια κοινή πλατφόρμα. Διασφαλίζεται η άμεση και διαρκής επικοινωνία μεταξύ αυτών των στοιχείων, διευκολύνοντας την αξιολόγηση πλήρων συστημάτων σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Το κεφάλαιο εμβαθύνει επίσης στη δημιουργία μοντέλων μειωμένης πολυπλοκότητας, με στόχο τη σημαντική μείωση του υπολογιστικού χρόνου, διατηρώντας παράλληλα την προγνωστική φύση και την ακρίβεια των αποτελεσμάτων προσομοίωσης. Το κεφάλαιο 6 επικεντρώνεται σε μια διερεύνηση βάσει μοντέλων διαφορετικών αποδοτικών τεχνολογιών EU7. Συζητείται μια μεθοδολογία βελτιστοποίησης βαθμονόμησης της λειτουργίας προθέρμανσης του κινητήρα που περιλαμβάνει πολλαπλές τεχνολογίες θερμικής διαχείρισης, ενώ διαφορετικές προηγμένες διαμορφώσεις αντιρρυπαντικού συστήματος αξιολογούνται μέσω μιας ολοκληρωμένης προσέγγισης προσομοίωσης κινητήρα και συσκευών μετεπεξεργασίας καυσαερίων που βασίζεται σε πιστοποιημένα μοντέλα. Στο κεφάλαιο 7, ο κύριος 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 τόσο 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.