Developing Tier 5 engine raw emissions model

Abstract

The renewal of emission legislation has posed even more challenges to engine manufacturers with the tightening of emission limits. To get below the limit values, the engine requires modern technology and a complex exhaust aftertreatment (EAT) system, which has increased the importance of information related to the engine’s raw emissions. Especially the soot emissions produced by the engine, because in order to achieve the best fuel efficiency and avoid faults, the regeneration of the particulate filter must be carried out in a timely manner. The most common method of measuring the amount of soot in commercial machines and particle filters is the pressure drop across the filter, the accuracy of which is insufficient under certain conditions. Various models to estimate the raw emissions produced by the engine have been developed for control purposes. The goal of this work was to develop a raw emission model for the engine of the future Tier 5 emission legislation for the control of the EAT system. AGCO has used a raw emission model before, but since the previous emission limits were achieved without an exhaust gas recirculation (EGR) system, the latest emission model did not include EGR. One of the challenges of the work, and one of the main purposes, was to find out how the EGR’s effect on emissions can be modelled. In addition, when developing the model, it had to be considered that it will be used to estimate raw emissions in real driving conditions, which is why its calculation must be fast and at the same time sufficiently accurate.

The work has familiarized itself with the formation principles of different emissions in the combustion process and investigated the importance of the engine control parameters affecting them. At the time the work was performed, the mentioned Tier 5 engine was still in the development phase and therefore the model was created using the existing test data from older engine. The model was created with Simulink, which is a MATLAB graphical environment that can be used to model and simulate dynamic systems in various areas of technical computing.

Simulations have been run with the created model at steady operating points, as well as with a test cycle (NRTC) designed for off-road vehicles. Based on the simulation results, the created model is a potential alternative to models based on more complex physical and chemical phenomena. However, the accuracy of the model can be improved, as it was created entirely using already existing measurement data, and the necessary tests for the final calibration of the model could not be performed. In case of NOx emissions, the accuracy of the model was good, as the correlation of the NOx emissions estimated in the NRTC simulation with the measured ones was 0.9513. In the case of soot emissions, there was much more room for improvement, as the correlation with the measured values was only 0.7702. The poor accuracy for soot emissions is due to the highly nonlinear behavior of soot in transient situations. The structure of the created model is very simple, and its calibration does not require an unreasonable amount of effort, which is why it is a potential alternative for evaluating raw engine emissions in real-time applications.

Päästölainsäädännön uudistuminen on asettanut moottorivalmistajille entistä enemmän haasteita tiukentuvien päästörajojen myötä. Raja-arvojen alle pääsemiseen vaaditaan moottorilta modernia teknologiaa sekä monimutkaista pakokaasunpuhdistusjärjestelmää, mikä on lisännyt moottorin raakapäästöihin liittyvän informaation merkitystä. Etenkin moottorin tuottamien nokipäästöjen, sillä parhaan polttoainetehokkuuden saavuttamiseksi ja vikojen välttämiseksi partikkelisuodattimen regenerointi on suoritettava oikea-aikaisesti. Yleisin nokimäärän mittausmenetelmä kaupallisissa koneissa ja partikkelisuodattimissa on paine-ero suodattimen yli, minkä tarkkuus on tietyissä olosuhteissa riittämätön. Erilaisia malleja, joilla arvioidaan moottorin tuottamia raakapäästöjä, on kehitetty ohjaustarkoituksiin. Tämän työn tavoitteena oli kehittää raakapäästömalli tulevan Tier 5 päästölainsäädännön moottorille pakokaasunpuhdistusjärjestelmän ohjausta varten. AGCO:lla on ollut käytössä raakapäästömalli aiemminkin, mutta koska aiemmat päästörajat on saavutettu ilman pakokaasunkierrätysjärjestelmää (EGR), ei viimeisin päästömalli sisältänyt EGR:ää. Yksi työn haasteista, ja päätarkoituksista oli selvittää, kuinka EGR:n vaikutus päästöihin voidaan mallintaa. Lisäksi mallin kehittämisessä oli huomioitava, että sitä tullaan käyttämään raakapäästöjen arviointiin todellisissa ajo-olosuhteissa, minkä vuoksi sen laskennan täytyy olla nopeaa ja samanaikaisesti riittävän tarkkaa.

Työssä on perehdytty eri päästöjen muodostumisperiaatteisiin moottorin paloprosessissa, sekä tutkittu niihin vaikuttavien moottorinohjausparametrien merkitystä. Työn suoritusaikaan mainittu Tier 5 moottori on yhä ollut kehitysvaiheessa, joten malli on luotu hyväksikäyttäen olemassa olevaa testausdataa vanhemmasta moottorista. Malli on luotu Simulinkillä, mikä on MATLABin graafinen ympäristö, jolla voidaan mallintaa ja simuloida dynaamisia järjestelmiä eri teknisen laskennan osa-alueilla.

Luodulla mallilla on ajettu simulointeja tasaisissa toimintapisteissä, sekä off-road ajoneuvoille suunnitellulla testisyklillä (NRTC). Simulointituloksien perusteella, luotu malli on potentiaalinen vaihtoehto monimutkaisemmille fyysisiin ja kemiallisiin ilmiöihin perustuville malleille. Mallin tarkkuudessa on kuitenkin parannettavaa, sillä se luotiin kokonaan valmista mittausdataa käyttäen, eikä tarvittavia testejä mallin lopullista kalibrointia varten päästy suorittamaan. NOx päästöjen osalta mallin tarkkuus oli tyydyttävä, sillä NRTC:n simuloinnissa arvioitujen NOx päästöjen vastaavuussuhde mitattujen kanssa oli 0.9513. Nokipäästöjen kohdalla jäi huomattavasti enemmän parannettavaa, sillä korrelaatio mitattujen arvojen kanssa oli vain 0.7702. Heikko tarkkuus nokipäästöjen kohdalla johtuu noen voimakkaasti epälineaarisesta käyttäytymisestä transientti tilanteissa. Luodun mallin rakenne on hyvin yksinkertainen, sekä sen kalibrointi ei vaadi kohtuuttoman paljon vaivaa, minkä vuoksi se on potentiaaline vaihtoehto moottorin raakapäästöjen arviontiin reaaliaikaisissa sovelluksissa.