Interactions between exhaust gas recirculation and efficiency during the dynamic operation of turbocharged SI engines

Abstract

In the context of increasingly stringent CO2 restrictions and the growing electrification of the automotive sector, external exhaust gas recirculation offers an as yet largely unused efficiency or CO2-potential in turbocharged gasoline engines. Among the various configurations, low-pressure exhaust gas recirculation thereby simultaneously provides the greatest steady-state efficiency potential and poses the greatest challenge for the implementation in dynamic engine operation. The main difficulty is the long gas path between the exhaust gas recirculation inlet point and the engine combustion chamber, which is relatively slow compared to the rapid load change of the engine. This thesis aims to provide a holistic view and analysis of this key problem of low-pressure exhaust gas recirculation and, at the same time, to develop and evaluate proposals for possible solutions to the problem. To this end, the understanding of the problem is first sharpened and the central control levers are discussed. The possible solution approaches are separated into a hardware-based and a software-based one and analyzed individually. The respective advantages and disadvantages are worked out. Using a simplified container model, a worst-case load step is determined, which serves as a basis for comparison and evaluation of different hardware approaches. In addition to existing systems known from the literature, two self-developed concepts are compared with the configuration on the base engine. The analysis is carried out using a 1D CFD simulation, and the knowledge gained is used to implement a configuration from the system portfolio on the test engine. The fresh air bypass investigated shows considerable advantages compared to the base engine in this regard. Through a comprehensive sensitivity analysis, the remaining shortcomings can be identified. Based on this, recommendations for future hardware configurations are provided. The implementation of a purely software-based approach can only be achieved with the precise knowledge of the behavior of the engine efficiency and combustion stability depending on the external exhaust gas recirculation rate as well as on the most important operating point parameters. A novel model based on second-degree polynomials is created to depict these relationships. The derivation is performed empirically using nonlinear regression. Physical relationships are analyzed and scrutinized by interpreting the polynomial coefficients. The presented model approach shows consistently positive results in the validation performed on two engines. In the future, the model can be used as an application tool for easy implementation of low-pressure exhaust gas recirculation or directly embedded in an operating strategy. The latter is possible due to the simple basis, the low computational effort, the easy transferability to other engines as well as the coverage of the entire operating range based on simple sensor or calculation variables that are known in operation. A new operating strategy tailored to the model is explained at the end of the thesis by means of a flowchart. The challenge of implementing low-pressure exhaust gas recirculation in dynamic engine operation is thus analyzed explicitly and from different angles for the first time in the work below. Both the introduced hardware-based and the software-based approach represent an essential added value with novelty character for solving the problem. It is demonstrated for both that they are suitable to realize considerable CO2-potential.

Externe Abgasrückführung bietet im Spannungsfeld immer strengerer CO2-Beschränkungen und der zunehmenden Elektrifizierung des Automobilsektors ein bisher noch weitgehend ungenutztes Wirkungsgrad- und damit CO2-Potential bei Turbo-aufgeladenen Ottomotoren. Unter den verschiedenen Konfigurationen stellt Niederdruck-Abgasrückführung dabei gleichzeitig das größte stationäre Wirkungsgradpotential und die größte Herausforderung bei der Umsetzung im dynamischen Motorbetrieb dar. Die wesentliche Schwierigkeit ist die im Vergleich zur schnellen Laständerung des Motors träge, weil lange Gasstrecke zwischen Einleitpunkt der Abgasrückführung und Brennraum des Motors. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel eine ganzheitliche Betrachtung und Analyse dieser zentralen Problematik von Niederdruck-Abgasrückführung zur Verfügung zu stellen und gleichzeitig Vorschläge für mögliche Lösungsansätze zu erarbeiten und bewerten. Hierzu wird zunächst das Problemverständnis geschärft und die zentralen Stellhebel beleuchtet. Die möglichen Lösungsansätze werden in einen Hardware- und einen Software-basierten getrennt und einzeln analysiert. Die jeweiligen Vor- und Nachteile werden erarbeitet. Anhand eines vereinfachten Behälter-Modells wird ein Worst-Case Lastabwurf ermittelt, der als Vergleichs- und Bewertungsbasis für verschiedene Hardware-Ansätze dient. Neben aus der Literatur bekannten Lösungen werden zwei selbst entwickelte Systeme mit der Konfiguration am Basis-Motor verglichen. Die Analyse erfolgt anhand einer 1D CFD Rechnung, wobei die gewonnenen Erkenntnisse dazu genutzt werden aus dem vorhandenen System-Portfolio eine Konfiguration am Versuchsmotor umzusetzen. Der dabei untersuchte Frischluft-Bypass zeigt im Vergleich zum Basis-Motor erhebliche Vorteile. Durch eine umfassende Sensitiviätsanalyse können die noch bestehenden Schwachpunkte gefunden werden. Darauf basierend erfolgen Handlungsempfehlungen für zukünftige Systemlösungen. Die Umsetzung eines rein Software-basierten Ansatzes kann nur mit der genauen Kenntnis des Verhaltens des Motor-Wirkungsgrads und der Verbrennungsstabilität abhängig von der externen Abgasrückführungsrate sowie von den wichtigsten Betriebspunkt-Parametern erfolgen. Zur Abbildung dieser Zusammenhänge wird ein neuartiges Modell basierend auf Polynomen zweiten Grades erstellt. Die Ableitung erfolgt empirisch mithilfe Nichtlinearer Regression. Physikalische Zusammenhänge werden durch die Interpretation der Polynomkoeffizienten analysiert und hinterfragt. Der vorgestellte Modellansatz zeigt bei der an zwei Motoren durchgeführten Validierung durchweg positive Ergebnisse. Das Modell kann zukünftig als Applikationswerkzeug zur einfachen Implementierung von Niederdruck- Abgasrückführung oder direkt in einer Betriebsstrategie eingebettet genutzt werden. Letzteres ist durch die einfache Basis, den geringen Rechenaufwand, die einfache Übertragbarkeit auf andere Motoren sowie die Abdeckung des gesamten Betriebsbereichs anhand einfacher und im Betrieb bekannter Sensorbzw. Rechengrößen. Eine auf das Modell zugeschnittene neue Betriebsstrategie wird am Ende der Arbeit anhand eines Ablaufdiagramms erläutert. Die Herausforderung der Umsetzung von Niederdruck-Abgasrückführung im dynamischen Motorbetrieb wird in der nachstehenden Arbeit also erstmalig explizit und von verschiedenen Seiten analysiert. Sowohl der vorgestellte Hardware- als auch der Software-basierte Ansatz stellen hierbei einen essentiellen Mehrwert mit Neuheits-Charakter zur Problemlösung dar. Für beide wird nachgewiesen, dass sie dazu geeignet sind erhebliches CO2-Potential umzusetzen.