From the last decades of the 20th century, internal combustion engines
have undergone a continuous improvement process aimed to the increase
of their efficiency and decrease of the pollutants emissions. The reduction
of the availability of fossil fuel and the increase of human-made pollution
observed in the last decades is leading worldwide to more stringent
emission standards that make the engine manufacturers to constantly
look for fuel consumption and emission reductions while keeping engine
performance.
To comply with current and incoming emission regulations, the exhaust
line of internal combustion engines has been gradually complicated by the
presence of aftertreatment systems. Among them, the particulate filter
is the device in charge of abating the emission of soot in the atmosphere.
Concerning compression ignition engines, diesel particulate filters (DPF)
were first commercially utilized in significant numbers in passenger car
and heavy-duty engines since the beginning of the 21st century. Euro
6 emission standards limits the emitted particulate matter from direct
injection engines, thus extending the use of particulate filters also to direct
injection gasoline engines.
A deep knowledge of the phenomena happening inside the DPF is
required for the correct understanding of the behaviour of this system and
its interaction with the engine. The precise knowledge of the filtration and
pressure drop processes is mandatory for the design of the particulate filter
and is also essential to wisely think up and analyse solutions aimed to
limit the negative impact of the filter on the fuel consumption maintaining
its capability of retaining soot particles.
Thus, the present work pretends to provide a contribution to the understanding
of these phenomena in wall-flow DPFs. The problem has been
faced on a computational and experimental basis. A notable part of the
work was dedicated to the development and validation of a one-dimensional
DPF filtration model to be coupled with the existing pressure drop model.
The model was implemented in OpenWAM¿, the open-source gas dynamics
software for internal combustion engines and components computation
developed at CMT - Motores Térmicos.
The developed computational tool was applied to the assessment of
the aftertreatment (DOC&DPF) volume downsizing potential in post- and
pre-turbo aftertreatment configuration. The study is completed with experimental
analysis to support theoretical insights discussing how the soot
deposition profile and the particulate layer properties impact on the DPF
pressure drop. / Desde las últimas décadas del siglo XX, se ha producido un proceso de
mejora continua de los motores de combustión interna alternativos con el
fin de aumentar su eficiencia y reducir las emisiones contaminantes. La
reducción de la disponibilidad de combustibles fósiles y el incremento de
la polución de origen antropogénico observados en las ultimas décadas ha
provocado el progresivo endurecimiento de las normativas anticontaminación
a nivel mundial obligando a los fabricantes de motores a buscar la
reducción continua del consumo de combustible y emisiones, manteniendo
las prestaciones del motor.
El cumplimiento de las actuales y futuras normativas anticontaminación
requiere de la instalación de diversos sistemas de postratamiento
de gases en la línea de escape de los motores de combustión interna alternativos,
aumentando su complejidad. Entre estos sistemas, el filtro de
partículas es el equipo encargado de la reducción de la emisión de hollín
a la atmósfera. Con respeto a los motores de encendido por compresión,
los filtros de partículas diésel se implementaron por primera vez de forma
masiva en vehículos de pasajeros y vehículos pesados a principio del siglo
XXI. La normativa anti contaminación Euro 6 limita las emisiones de
partículas de los motores de inyección directa, extendiendo el uso de filtros
de partículas a los motores de inyección directa de gasolina.
Es necesario tener un conocimiento profundo de los fenómenos que
tienen lugar en el DPF para comprender el comportamiento de este sistema
y su interacción con el motor. El conocimiento de los procesos de filtrado y
perdida de presión es vital para el diseño del filtro de partículas y resulta
esencial para encontrar y analizar soluciones que ayuden a limitar el
impacto negativo del DPF sobre el consumo de combustible sin perder la
capacidad de retener partículas de hollín.
En este contexto, este trabajo pretende aportar una contribucción a
la comprensión de estos fenómenos en filtros de partículas de flujo de
pared. Esta tarea se ha planteado desde un punto de vista computacional
y experimental. Parte importante de este trabajo ha consistido en el
desarrollo y validación de un modelo de filtrado unidimensional de DPF
que se ha acoplado con el modelo de caida de presión ya existente. El
modelo se ha implementado en OpenWAM¿, el software de libre acceso
para el cálculo fluidodinámico de motores de combustión interna y sus
componentes desarrollado en CMT - Motores Térmicos.
La herramienta computacional desarrollada se ha aplicado a la evaluación
del potencial de reducción de volumen de sistemas de postratamiento
(DOC&DPF) en configuraciones post- y pre-turbo. Este estudio se ha completado
con un análisis experimental para dar respaldo a los conceptos
teóricos empleados discutiendo como el perfil de deposición del hollín y las
propiedades de la capa de partículas afectan a la perdida de presión del
DPF. / Des les últimes dècades del segle XX, s'ha produït un procés de millora
contínua dels motors de combustió interna alternatius amb l'objectiu
d'augmentar la seua eficiència i reduir les emissions contaminants. La
reducció de la disponibilitat de combustibles fòssils i l'increment de la
polució d'origen antropòlogic observats en les últimes dècades ha provocat
que les normatives anticontaminació s'han fet més rígides a nivell mundial,
obligant als fabricants de motors a buscar la reducció contínua del consum
de combustibles i emissions, mantenint les prestacions dels motors.
El cumpliment de les normes anticontaminació actuals i futures, requereixen
de l'instalació de diversos sistemes de post-tractament de gasos
a l'eixida dels motors de combustió interna alternatius, llavors augmentant
la complexitat. Entre aquestos sistemes, el filtre de partícules es
l'equip encarregat de la reducció de les partícules de sutge a l'atmosfera.
Respecte als motors d'encès per compressió, els filtres de partícules van
instalar-se de manera massiva als vehicles de passatgers i vehicles pesats
al principi del segle XXI. La normativa anti contaminació Euro 6 limita
les emissions de partícules dels motors d'inyecció directa, estenent l'ús del
filtre de partícules als motors d'injecció directa de gasolina.
És necessari tindre un coneixement dels fenòmens que tenen lloc al
DPF per a comprendre el comportament del sistema i la seua interacció
amb el motor. El coneixement dels processos de filtrat i la pèrdua de
pressió és vital per al diseny del filtre de partícules i resulta essencial per
a trobar i analitzar les solucions que ajuden a limitar l'impacte negatiu del
DPF sobre el consum de combustible sense perdre la capacitat de retenir
partícules de sutge.
En aquest context, el projecte pretén aportar una contribució a la comprensió
d'aquestos fenòmens en els filtres de partícules de flux de paret.
Aquesta feina s'ha plantejat des d'un punt de vista computacional i experimental.
Part important d'aquest treball ha consistit en el desenvolupament
i validació d'un model de filtrat unidimensional de DPF que s'ha acoplat
a un model de pèrdua de pressió existent. El model s'ha implementat en
OpenWAM¿, el software de lliure accés per al cálcul fluidodinámic de
motors de combustió interna i els seus components desenvolupats al CMT -
Motores Térmicos.
La ferramenta computacional desenvolupada s'ha aplicat a la evaluació
del potencial de reducció del volum de sistemes de post tractament
(DOC&DPF) en les configuracions post- i pre-turbo. Aquest estudi s'ha completat
amb una anàlisi experimental per a donar suport als concepts teòrics
emprats discutint com el perfil de la disposició de sutge i les propietats de
la capa de partícules que afecten a la pèrdua de pressió del DPF. / Angiolini, E. (2017). Contribution to the understanding of filtration and pressure drop phenomena in wall-flow DPFs [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86157
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upv.es/oai:riunet.upv.es:10251/86157 |
| Date | 01 September 2017 |
| Creators | Angiolini, Emanuele |
| Contributors | Piqueras Cabrera, Pedro, Universitat Politècnica de València. Departamento de Máquinas y Motores Térmicos - Departament de Màquines i Motors Tèrmics |
| Publisher | Universitat Politècnica de València |
| Source Sets | Universitat Politècnica de València |
| Language | English |
| Detected Language | Spanish |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/acceptedVersion |
| Rights | http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/, info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0056 seconds