Combustion Noise and Pollutants Prediction for Injection Pattern and Exhaust Gas Recirculation Tuning in an Automotive Common-Rail Diesel Engine

Prédiction des polluants et du bruit de combustion pour le réglage des paramètres d’injection et de l’EGR (Exhaust Gas Recirculation) dans un moteur Diesel Common-Rail pour l’automobile

¹ Dept. of Industrial Engineering, University of Salerno, Fisciano (SA) 84084 – Italy
² Magneti Marelli Powertrain, Bologna 40134 – Italy
e-mail: iarsie@unisa.it – rodileo@unisa.it – pianese@unisa.it – matteo.decesare@magnetimarelli.com

^* Corresponding author

Abstract

In the last years, emissions standards for internal combustion engines are becoming more and more restrictive, particularly for NO_x and soot emissions from Diesel engines. In order to comply with these requirements, OEMs have to face with innovative combustion concepts and/or sophisticate after-treatment devices. In both cases, the role of the Engine Management System (EMS) is increasingly essential, following the large number of actuators and sensors introduced and the need to meet customer expectations on performance and comfort. On the other hand, the large number of control variables to be tuned imposes a massive recourse to the experimental testing which is poorly sustainable in terms of time and money. In order to reduce the experimental effort and the time to market, the application of simulation models for EMS calibration has become fundamental. Predictive models, validated against a limited amount of experimental data, allow performing detailed analysis on the influence of engine control variables on pollutants, comfort and performance.

In this paper, a simulation analysis on the impact of injection pattern and Exhaust Gas Recirculation (EGR) rate on fuel consumption, combustion noise, NO and soot emissions is presented for an automotive Common-Rail Diesel engine. Simulations are accomplished by means of a quasi-dimensional multi-zone model of in-cylinder processes. Furthermore a methodology for in-cylinder pressure processing is presented to estimate combustion noise contribution to radiated noise.

Model validation is carried out by comparing simulated in-cylinder pressure traces and exhaust emissions with experimental data measured at the test bench in steady-state conditions. Effects of control variables on engine performance, noise and pollutants are analyzed by imposing significant deviation of EGR rate and injection pattern (i.e. rail pressure, start-of-injection, number of injections). The results evidence that quasi-dimensional in-cylinder models can be effective in supporting the engine control design toward the optimal tuning of EMS with significant saving of time and money.

Résumé

Ces dernières années, les normes d’émissions pour les moteurs à combustion interne sont de plus en plus restrictives, en particulier pour les émissions des NO_x et la production de suie par les moteurs Diesel. Afin de se conformer à ces exigences, les équipementiers (OEM, Original Equipment Manufacturer) doivent faire face à des concepts innovants de combustion et/ou à des dispositifs de post-traitement sophistiqués. Dans les deux cas, le rôle du système de gestion du moteur (EMS, Engine Management System) est de plus en plus essentiel, considérant le grand nombre de capteurs et d’actionneurs introduits et l’exigence pour répondre aux attentes de performance et de confort des clients. Par ailleurs, le grand nombre de variables de contrôle à optimiser, impose un recours massif à l’essai expérimental qui est peu rentable pour le rapport temps/argent. Afin de réduire l’effort expérimental et le délai de mise sur le marché, l’application des modèles de simulation pour le calibrage de l’EMS est fondamentale. Les modèles prédictifs, validés par rapport à un nombre limité de données expérimentales, permettent de réaliser des analyses détaillées sur l’influence des variables de contrôle du moteur sur les polluants, le confort et les performances.

Cet article présente une analyse de simulation sur l’impact des paramètres d’injection et du taux de recirculation des gaz d’échappement (EGR, Exhaust Gas Recirculation) sur la consommation de carburant, le bruit de combustion, les émissions de NO et la production de suie par le moteur automobile Diesel Common-Rail. Les simulations sont effectuées par un modèle multi-zone, quasi-dimensionnel des phénomènes internes au cylindre. Cet article présente également une méthode pour le traitement de la pression interne au cylindre afin d’évaluer le bruit de combustion par rapport au bruit émis.

La validation du modèle est effectuée en comparant la pression interne au cylindre et les émissions d’échappement simulées aux données expérimentales traitées au banc d’essai en régime stationnaire. Les effets des variables de contrôle sur les performances du moteur, le bruit et les polluants sont analysés en imposant la variation du taux de l’EGR et les paramètres d’injection (par exemple la pression du rail, le début d’injection et le nombre d’injections). Les résultats démontrent que les modèles quasi-dimensionnels des phénomènes internes au cylindre peuvent être efficaces à la conception du contrôle du moteur pour optimiser le réglage de l’EMS avec un gain de temps et d’argent.