A Simulation Study of the Impact of LP EGR on a Two-Stage Turbocharged Diesel Engine
Étude par simulation de l'impact de l'EGR BP sur un moteur Diesel à double étage de suralimentation
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Institut français du pétrole, IFP, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison Cedex - France
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Renault, 13-15 Quai Le Gallo, 92109 Boulogne-Billancourt Cedex - France
Corresponding authors: pierre.gautier@ifp.fr antoine.albrecht@ifp.fr alexandre.chasse@ifp.fr philippe.moulin@ifp.fr alexandre.pagot@ifp.fr laurent.fontvieille@renault.com david.issartel@renault.com
Current engine development projects have to face crucial challenges: raw pollutant emission reduction while maintaining or even reducing the engine fuel consumption. To solve this issue, several technologies have been studied and some can offer part of the solution. Among these technologies, turbochargers provide one of the best trade off. Different turbocharging technologies can be used as well as different air path layouts, but one particularly promising technology relies in the Two-Stage series turbocharging. Coupled to turbocharging devices, and despite the recent development in NO
after-treatment systems, EGR remains a cost-effective solution to respect current and future emissions standards. Thanks to the widespread use of Diesel Particulate Filters, High Pressure EGR is no longer the only efficient solution to provide exhaust gas to the cylinders, in so far as one of the main drawbacks of Low Pressure EGR – compressor and air intake cooler reliability – is reduced. In this context, it is difficult to assess intuitively the impact of the different possible air system configurations on the engine performance, and the consequences on the associated control strategies. It is therefore necessary to use advanced tools, such as simulation in general and engine system simulation in particular. In this paper, we present the way engine system simulation can help in the understanding of technological issues as well as control issues. The approach is illustrated by the study of the impact of Low Pressure EGR in the specific case of a Two-Stage Turbocharged Diesel Engine. Indeed, the impact on the air path layout and on the engine performances are presented, and comparisons between simulation results of the same engine with a High Pressure or a Low Pressure EGR circuit are analyzed. In parallel, some specificities of the control strategy of a Two-Stage Turbocharged Diesel engine are discussed. The impact of a LP EGR circuit on the control laws is analyzed and a solution to adapt the strategies is finally proposed.
Résumé
Depuis quelques années, les projets de développement moteur ont pour obligation de relever des défis de plus en plus difficiles : réduire les émissions de polluants à la source tout en maintenant, voire en réduisant la consommation de carburant. Pour essayer de résoudre ce problème, de nombreuses technologies ont été étudiées et certaines permettent d'offrir au moins une partie de la solution. Parmi celles-ci, l'utilisation de turbocompresseurs semble un des meilleurs compromis à l'heure actuelle. Plusieurs technologies de turbocompresseurs et de boucles d'air associées peuvent ensuite être utilisées et, parmi celles-ci, la double suralimentation série semble être l'une des plus prometteuses. Allant de pair avec ces systèmes de suralimentation, les circuits d'EGR restent le meilleur compromis coût/efficacité à court et moyen terme pour respecter les normes d'émissions de polluants. Par ailleurs, les circuits d'EGR haute pression ne sont plus l'unique solution pour recirculer les gaz d'échappement vers les cylindres, puisque l'utilisation de plus en plus répandue de filtres à particules permet de réduire l'un des inconvénients majeurs de l'EGR basse pression : la fiabilité du compresseur et du refroidissement de l'air de suralimentation. Dans ce contexte, il est alors difficile d'évaluer de manière intuitive l'impact de chaque boucle d'air envisageable sur les performances moteur et les conséquences sur les stratégies du contrôle moteur associé. Il devient alors nécessaire d'utiliser des outils de plus en plus avancés, comme la simulation en général, et la simulation système en particulier. Dans cet article, nous présentons la manière dont la simulation système peut être mise à profit pour la compréhension de problèmes technologiques aussi bien que ceux liés au contrôle moteur. Cette approche est illustrée à travers l'étude de l'impact de l'EGR BP dans le cas spécifique d'un moteur Diesel à double étage de suralimentation. En effet, les impacts sur l'architecture de la boucle d'air ainsi que sur les performances moteur sont présentés et analysés à l'aide de résultats de simulation obtenus à partir d'un simulateur du même moteur, mais disposant soit d'un circuit EGR haute pression, soit d'un circuit EGR basse pression. En parallèle, les spécificités du contrôle pour ce type de moteur à double étage de suralimentation sont rappelées. L'impact de l'utilisation d'un circuit d'EGR basse pression sur ces stratégies de contrôle est ensuite analysé et une solution pour adapter ces lois de contrôle est finalement proposée.
© IFP, 2009