ÚLTIMA TECNOLOGÍA EN EMISIONES DE MOTORES DIESEL. SIMULACIÓN DE RESULTADOS E INVESTIGACIÓN DE NUEVAS POSIBILIDADES. Autor: Vigara de Otazu, Jorge. Directores: Prieto Mozo, Cayetano: Puente Orench, Isabel. Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.

RESUMEN DEL PROYECTO A partir del 1 de enero de 2008, entra en vigor la normativa europea EURO 5, a la cual han de acogerse todos los vehículos de nuevo diseño. Dicha normativa supone una importante variación en la concepción de las técnicas de reducción de emisiones para motores diesel, debido a los restrictivos límites marcados entorno a la formación de material particualdo. Hasta ahora los fabricantes de automóviles eran capaces de acogerse a los valores límites impuestos por la normativa, mediante la optimización, en una determinada franja de funcionamiento del motor, de los parámetros gestionados por la unidad de control. Sin embargo a partir de EURO 5 esto ya no será posible, teniéndose que recurrir a la instalación de sistemas de post-tratamiento en el sistema de escape del vehículo. En este proyecto se ha desarrollado un método alternativo al ensayo en banco de rodillos, que permite simular la emisión de óxidos de nitrógeno, óxidos de carbono, partículas e hidrocarburos inquemados a la atmósfera por parte de un motor diesel con tecnología Common Rail de última generación. Por tanto ha sido posible cuantificar de forma concluyente la contaminación que se produciría durante un ensayo de ciclo de

emisiones real, sabiendo si se encuentra dentro de los límites de la normativa, sin la necesidad de realizar el costoso y largo ensayo en los rodillos. En un sistema Common Rail de última generación se utilizan sistemas de inyección que permiten la realización de múltiples inyecciones por ciclo del motor, de forma que la primera fase del proyecto ha sido un exhaustivo estudio de la influencia sobre el nivel de emisiones, de las diversas variables de inyección, como son la inyección piloto, la preinyección, la post-inyección y la inyección principal, actuando tanto en tasa, como en momento de inyección. La unidad estudiada estaba dotada de sistema de retroalimentación de gases de escape o válvula EGR, de forma que también se analizó el grado de apertura de dicha válvula y la presión del rail de alimentación de combustible dado que estos parámetros tienen una importante influencia en las emisiones. Partiendo de los ensayos realizados en banco motor, se ha construido un modelo de comportamiento de emisión de contaminantes, de forma que mediante simulación se puedan obtener los resultados de un ciclo real de emisiones. Para ello, en este proyecto se ha recurrido a la búsqueda de los puntos del motor más representativos del ciclo, de forma que mediante la optimización, únicamente de estos puntos, se reduzca cuantitativamente el nivel de emisiones del vehículo. La herramienta de simulación ha sido creada en base EES (Engineering Ecuation Solver) y es fácilmente aplicable a otros motores cambiando únicamente las ecuaciones de comportamiento de los contaminantes. La forma en la que se generan los contaminantes diesel, permite dos claras estrategias de optimización. Esto es debido a que la relación entre la formación de partículas y óxidos

de nitrógeno es inversa, de forma que en función de los diversos post-tratamientos que se vayan a instalar convendrá aplicar una u otra política de reducción. En la segunda fase del proyecto se procedió al estudio de las diversas tecnologías y técnicas de reducción de emisiones en el sistema de escape, tales como trampas de partículas, sistemas de oxidación catalítica o filtros de reducción de óxidos de nitrógeno. Finalmente se concluyó que la estrategia más eficiente para el motor sujeto a estudio, era reducir al máximo, mediante los parámetros de inyección, la formación de óxidos de nitrógeno, para posteriormente aplicar un sistema DPF+DOC (Diesel Particle Filter y Diesel Oxidation Catalyst). Los valores finales de contaminación arrojan una interesante reducción respecto a los límites legislados. Contaminante

Emisión final [g/km] Límites [g/km] Reducción [%]

CO

0.0176

0.5

-96%

NOx

0.0139

0.18

-92%

PART

0.0033

0.005

-34%

HC

0.0004

-

-

HC+NOx

0.0143

0.23

-94%

LAST TECHNOLOGY IN EMISSIONS OF DIESEL ENGINES. SIMULATION OF RESULTS AND INVESTIGATION OF NEW POSSIBILITIES. Author: Vigara de Otazu, Jorge. Directors: Prieto Mozo, Cayetano: Puente Orench, Isabel. Collaborating organization: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.

PROJECT SUMMARY From the first of January of 2008, the European norm EURO 5 takes effect, in which are taken refuge all the new designed vehicles again. This norm supposes an important variation in the conception of the techniques of reduction of emissions for diesel engines, due to the restrictive noticeable limits surroundings to the particles formation. Until now the manufacturers of automobiles were able to fulfill the limits imposed by the norm, by means of the optimization of the parameters managed by the control unit in a determined strip of operation of the engine,. Nevertheless from EURO 5 this will no be longer possible, having to be appealed to the installation of after-threatment systems in the escape fase of the vehicle. In this project an alternative method to the bench of rollers check has been developed, that allows to simulate the emission of nitrogen oxide, carbon monoxides, particles and unburned hydrocarbons to the atmosphere, on the part of a last generation diesel engine with Common technology Rail. Therefore it has been possible to quantify the contamination that would take place during a real cycle test of emissions, being known if the pollutants emissions are within the limits of the norm, being no longer necessity to make the expensive and long test in the bench of rollers. In a Common Rail system of last generation there is an injection system that allows accomplishment of multiple injections per engine cycle, so that first stage of the project has been an exhaustive study of the influence on the level of emissions, of the diverse variables of injection, as the pilot injection, the pre-injection, the after-injection and the main injection, acting as much in rate, as at moment of injecting.

The studied unit was equipped with system of exhaust gases recirculation , well known as the EGR valve, so that the degree of opening of this valve and the pressure of the rail of fuel supply , have been also analyzed since these parameters have an important influence in the emissions levels. Starting off of the tests made in an engine bench, a model of behavior of emission of polluting agents has been constructed, so that the results of a real cycle of emissions can be obtained by means of simulation. For it, in this project one has resorted to the search the points of the engine, that most represent the emissions cycle, so that by means of the optimization, only of these points, the emission level of the vehicle would be reduced quantitatively. The tool of simulation has been created in base EES (Engineering Ecuation Solver) and is easily applicable to other engines changing only the equations of behavior of the pollutants. The form in which the diesel pollutants are generated, allows two clear strategies of optimization. This is due to the fact that the relation between the formation of particles and oxides of nitrogen is inverse, so that depending on the diverse posttreatments that are going to be installed in the vehicle, it will suit one or another reduction policy. In the second phase of the project one proceeded to the study of the diverse technologies of reduction of emission in the exhaust system, such as particles traps, systems of catalytic oxidation or filters of reduction of nitrogen oxides. Finally one concluded that the most efficient strategy for the studied engine, was to reduce to the maximum, by means of the parameters of injection, the formation of nitrogen oxides, later to apply a DPF+DOC system (Diesel Particle Filter and Diesel Oxidation Catalyst). The final values of contamination throw an interesting reduction with respect to the legislated limits.

Pollutant

Emision [g/km]

Limits [g/km]

Reduction [%]

CO

0.0176

0.5

-96%

NOx

0.0139

0.18

-92%

PART

0.0033

0.005

-34%

HC

0.0004

-

-

HC+NOx

0.0143

0.23

-94%