Βελτιστοποίηση Αντιρρυπαντικού Σχεδιασμού Υβριδικών Οχημάτων

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ Βελτιστοποίηση Αντιρρυπαντικού Σχεδιασμού Υβριδικών Οχημάτων Διδακτορική Διατριβή της Θεοδώρας Μ. Ζαχαροπούλου Διπλωματούχου Μηχανολόγου Μηχανικού, ΑΠΘ MSc in Computational & Software Techniques in Engineering, Cranfield University Θεσσαλονίκη, 2016

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ Βελτιστοποίηση Αντιρρυπαντικού Σχεδιασμού Υβριδικών Οχημάτων Διδακτορική Διατριβή της Θεοδώρας Μ. Ζαχαροπούλου Διπλωματούχου Μηχανολόγου Μηχανικού, ΑΠΘ MSc in Computational & Software Techniques in Engineering, Cranfield University Υποβλήθηκε στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Ενεργειακός Τομέας, Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής Ημερομηνία Προφορικής Εξέτασης: 13 Ιουλίου 2016 Εξεταστική επιτροπή: Αν. Καθηγητής Γ. Κολτσάκης, Καθηγητής Ζ. Σαμαράς, Καθηγητής Αθ. Μιχαηλίδης, Καθηγητής Αν. Τομπουλίδης, Αν. Καθηγητής Λ. Ντζιαχρήστος, Αν. Καθηγητής Π. Σεφερλής, Δρ. Ευ. Μπεκιάρης, Επιβλέπων Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής Εξεταστής Εξεταστής Εξεταστής Εξεταστής

Θεοδώρα Μ. Ζαχαροπούλου Α.Π.Θ. ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΑΝΤΙΡΡΥΠΑΝΤΙΚΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ ISBN «Η έγκριση της παρούσης Διδακτορικής Διατριβής από το Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωμών της συγγραφέως» (Ν. 5343/1932, άρθρο 202, παρ. 2)

σε όσους ήταν και θα είναι η οικογένειά μου S-A

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Με την ολοκλήρωση της Διδακτορικής Διατριβής θα ήθελα, κατ αρχάς, να ευχαριστήσω ειλικρινά τον επιβλέποντα Αν. Καθηγητή μου, κύριο Γρηγόρη Κολτσάκη για την εμπιστοσύνη που έδειξε στο πρόσωπό μου και την ευκαιρία που μου έδωσε να διευρύνω τις γνώσεις μου σε ένα καινούργιο για μένα επιστημονικό πεδίο. Η επιστημονική του κατάρτιση σε συνδυασμό με τις πάντα χρήσιμες συμβουλές του ήταν ιδιαιτέρως σημαντικές για την αποτελεσματικότητα της έρευνας. Ιδιαιτέρως ευχαριστώ τον Καθηγητή, κύριο Ζήση Σαμαρά, για τη στήριξή του και όλο το χρόνο που διέθεσε για τη μετάδοση γνώσεων και την απόκτηση εμπειριών στη διάρκεια αυτών των ετών, πολύτιμων εφοδίων για την επαγγελματική μου σταδιοδρομία. Δίχως τη δική του παρότρυνση δε θα είχα ξεκινήσει αυτό το ταξίδι. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Καθηγητή, κύριο Αθανάσιο Μιχαηλίδη, ως μέλος της τριμελούς συμβουλευτικής επιτροπής, καθώς και για το χρόνο που αφιέρωσε για την παρακολούθηση της Διατριβής. Επιπλέον, θερμά θα ήθελα να ευχαριστήσω το συνάδελφο Δρ. Παναγιώτη Πιστικόπουλο για την καθημερινή και συνεχή υποστήριξή του, όχι μόνο σε επίπεδο τεχνικών γνώσεων και συνεργασίας, αλλά κυρίως σε προσωπικό. Το ενδιαφέρον και οι συμβουλές του, στο πλαίσιο της βαθιάς κατανόησης μας, υπήρξαν σημαντικά σε δύσκολες καταστάσεις και θα αποτελούν πάντοτε πολύτιμο κεφάλαιο στη ζωή μου. Εξίσου θα ήθελα να ευχαριστήσω τα υπόλοιπα μέλη του ΕΕΘ, Αργύρη Τζιλβελή και Δρ. Δημήτρη Κατσαούνη για την καθημερινή τους βοήθεια και την κατανόησή τους σε πρακτικά και ηθικά ζητήματα μέσα στο ιδιαίτερο εργαστηριακό περιβάλλον. Η επαγγελματική τους αφοσίωση και το συνεχές ενδιαφέρον δικαίως με κάνει να τους αποκαλώ «καρδιά του ΕΕΘ». Ακόμα, ιδιαίτερες ευχαριστίες στους Δρ. Ηλία Βουΐτση, Δρ. Σάββα Γκεϊβανίδη και Δρ. Σάββα Σαββάκη για όλες τις πολύτιμες συμβουλές τους και το χρόνο τους. Δε θα μπορούσα να μην αναφέρω του εκάστοτε «συγκατοίκους» μου όλα αυτά τα χρόνια, Χρήστο Σαμαρά, Δρ. Αποστόλη Καρβουντζή-Κοντακιώτη, Δρ. Χρήστο Μανέτα-Βιολέτα, Δημήτρη Καραμήτρο και Δημήτρη Τσοκόλη για τις χαρούμενες, αλλά και τις δύσκολες μέρες που μοιραστήκαμε, καθώς και όλους τους υπόλοιπους συναδέλφους για την άριστη συνεργασία και φιλία μας. Last but not least, τον Παύλο Φραγκιαδουλάκη για όλες εκείνες τις φορές που έδωσε άμεση λύση σε προβλήματα τεχνικής φύσης, για την αμέριστη ηθική συμπαράστασή του, αλλά κυρίως για τη φιλία του και ό,τι αυτή περιλαμβάνει. Χωρίς αυτήν ίσως να μην τα είχα καταφέρει. Η παρούσα εργασία αφιερώνεται στους γονείς μου, Μαίρη και Μιχάλη, τη γιαγιά μου, Θεοδώρα, τον παππού μου, τη θεία μου, Κατερίνα, το θείο μου, Στέλιο, στους φίλους μου, καθώς και σε όσους αποτελλούν πραγματική οικογένεια για μένα. Για όλα όσα υπέμειναν και παρέμειναν σταθεροί. Θεσσαλονίκη, 2016

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα εργασία εντάσσεται στην περιοχή της αντιρρυπαντικής τεχνολογίας αυτοκινήτων και εστιάζει στις ιδιαιτερότητες που εμφανίζονται σε υβριδικά οχήματα. Στα οχήματα αυτά, ο συνδυασμός της μηχανής εσωτερικής καύσης με συστήματα ηλεκτροκίνησης οδηγεί σε σημαντικές διαφοροποιήσεις σχετικά με τις ιδιότητες του καυσαερίου που εκπέμπονται (θερμοκρασία, παροχή, σύσταση). Στο πλαίσιο της έρευνας διερευνώνται αρχικά οι επιπτώσεις διαφόρων επιπέδων υβριδοποίησης στα χαρακτηριστικά του καυσαερίου κατά τους νομοθετημένους κύκλους οδήγησης. Σε θεωρητικό επίπεδο αυτό επιτυγχάνεται με χρήση κατάλληλων μοντέλων προσομοίωσης του συστήματος «κινητήρας-όχημα», ενώ πειραματικά διενεργούνται αντίστοιχες μετρήσεις στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής (ΕΕΘ) του ΑΠΘ. Στη συνέχεια, διερευνάται η λειτουργία του συστήματος καταλυτικής μετεπεξεργασίας υπό τις ιδιαίτερες συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα, που επιβάλλουν μεταξύ άλλων συχνές διακοπές/επανεκκινήσεις (start/stop), καθώς και λειτουργία σε υψηλότερο φορτίο. Η διερεύνηση στηρίζεται τόσο σε πειραματικές μετρήσεις, όσο και σε αντίστοιχες προσομοιώσεις με χρήση υπολογιστικών μοντέλων που προσαρμόζονται κατάλληλα. Τελικός στόχος είναι η κεφαλαιοποίηση της εμπειρίας που προκύπτει μέσω της ανάπτυξης μιας πιστοποιημένης πλατφόρμας προσομοίωσης υπολογιστικού μοντέλου, που θα προσφέρει τη δυνατότητα βελτιστοποίησης του σχεδιασμού με την ελάχιστη δυνατή ανάγκη σε πειραματική υποστήριξη.

ABSTRACT Present study is a part of antipollution technology subject for vehicles, focusing on the particularities of hybrid vehicles. The combination of internal combustion engine and electric powertrain is the reason of significant variations for the exhaust gas emissions of HEVs (temperature, mass flow rate, composition). The effects of different levels of hybridization on the exhaust gas characteristics are investigated at first. This is theoretically achieved by using suitable simulation models of engine-vehicle system, while the respective experimental measurements are carried out in the Laboratory of Applied Thermodynamics (LAT) of AUTh. As next, the operation of the catalytic aftertreatment is investigated under particular engine conditions, which impose particular start/stops, as well as higher load operation. This investigation is based on both experimental measurements and the corresponding simulations, utilizing the properly fitted computational models. The ultimate goal is the capitalization of the experience that will be obtained through the development of a validated simulation model platform, offering the ability of optimizing the aftertreatment design under a minimum need of experimental support.

14

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1 Εισαγωγή 1 1.1 Αντικείμενο της εργασίας 1 1.2 Στόχοι της εργασίας 2 1.3 Δομή της εργασίας 2 1.4 Πρωτοτυπία της εργασίας 2 2 Ιδιαιτερότητες της αντιρρύπανσης σε υβριδικά οχήματα 5 2.1 Κινητήρες Diesel 5 2.2 Βενζινοκινητήρες 25 3 Ημιεμπειρικό μοντέλο κινητήρα 35 3.1 Μοντέλο πρόβλεψης εκπομπών καυσαερίων κινητήρα πετρελαίου 35 3.1.1 Περιγραφή του γενικού μοντέλου 35 3.1.2 Ενισχυμένο μοντέλο πρόβλεψης για περιόδους ψυχρής εκκίνησης του κινητήρα 38 3.1.3 Παρουσίαση αποτελεσμάτων για κύκλο οδήγησης NEDC με θερμή εκκίνηση του κινητήρα 40 3.1.4 Παρουσίαση αποτελεσμάτων για κύκλο οδήγησης NEDC με ψυχρή εκκίνηση του κινητήρα 44 3.2 Προσομοίωση κινητήρα πετρελαίου 46 3.2.1 Περιγραφή του γενικού μοντέλου 46 3.2.2 Παρουσίαση αποτελεσμάτων για κύκλο οδήγησης NEDC με θερμή εκκίνηση του κινητήρα 47 3.3 Μοντέλο πρόβλεψης εκπομπών καυσαερίων κινητήρα βενζίνης 49 3.3.1 Περιγραφή του γενικού μοντέλου 49 3.3.2 Ενισχυμένο μοντέλο πρόβλεψης για περιόδους ψυχρής εκκίνησης του κινητήρα 52 3.3.3 Ενισχυμένο μοντέλο πρόβλεψης για την εξάρτηση από το λόγο αέρα-καυσίμου 55 3.3.4 Παρουσίαση αποτελεσμάτων για κύκλο οδήγησης NEDC με ψυχρή εκκίνηση του κινητήρα 57 3.3.5 Παρουσίαση αποτελεσμάτων για κύκλο οδήγησης FTP με ψυχρή εκκίνηση του κινητήρα 59 3.3.6 Παρουσίαση αποτελεσμάτων για κύκλο οδήγησης US06 με ψυχρή εκκίνηση του κινητήρα 61 4 Προσομοίωση αντιρρυπαντικών διατάξεων σε υβριδικούς κινητήρες 65 4.1 Υπομοντέλο υπολογισμού απωλειών θερμότητας σε συνθήκες μηδενικής ροής 65

16 4.1.1 Μοντέλο προσομοίωσης 65 4.1.2 Μελέτη της συμπεριφοράς ψύξης 67 4.1.3 Μελέτη κύκλων οδήγησης 72 5 Εφαρμογές σε κινητήρα Diesel 87 5.1 Εφαρμογή μεθοδολογίας σε υβριδικό κινητήρα Diesel 87 5.1.1 Ολοκληρωμένο μοντέλο συμβατικού οχήματος πετρελαίου με αντιρρυπαντικό σύστημα DOC+SCRF 87 5.1.2 Ολοκληρωμένο μοντέλο υβριδικού οχήματος πετρελαίου με αντιρρυπαντικό σύστημα DOC+SCRF 92 5.1.3 Παρουσίαση των αποτελεσμάτων για την περίπτωση εφαρμογής αντιρρυπαντικού συστήματος DOC+SCRF 95 5.1.4 Ολοκληρωμένο μοντέλο συμβατικού οχήματος πετρελαίου με αντιρρυπαντικό σύστημα LNT 117 5.1.5 Ολοκληρωμένο μοντέλο υβριδικού οχήματος πετρελαίου με αντιρρυπαντικό σύστημα LNT 120 5.1.6 Παρουσίαση των αποτελεσμάτων για την περίπτωση εφαρμογής αντιρρυπαντικού συστήματος LNT 120 6 Εφαρμογές σε υβριδικό κινητήρα βενζίνης 146 6.1 Εφαρμογή μεθοδολογίας σε υβριδικό κινητήρα βενζίνης 146 6.1.1 Ολοκληρωμένο μοντέλο συμβατικού οχήματος βενζίνης 146 6.1.2 Ολοκληρωμένο μοντέλο υβριδικού οχήματος βενζίνης 151 6.1.3 Παρουσίαση των αποτελεσμάτων 152 7 Συμπεράσματα 164 7.1 Σύνοψη συμπεράσματα 164 7.2 Προτάσεις για περαιτέρω έρευνα 165 7.2.1 HEV πετρελαίου 165 7.2.2 HEV βενζίνης 166 8 Βιβλιογραφικές αναφορές 168 Παράρτημα 174 I. Κύριες εξισώσεις για τη μεταφορά μάζας και θερμότητας σε flow-through καταλυτικό μετατροπέα 174 II. Γενικές πληροφορίες για την πλατφόρμα velodyn 176 Πίνακας συμβολισμών 181

1 1 Εισαγωγή 1.1 Αντικείμενο της εργασίας H διαρκώς αυξανόμενη ρύπανση του περιβάλλοντος και τα συνεχώς μειούμενα αποθέματα ορυκτών καυσίμων αποτελούν τα πιο κρίσιμα προβλήματα της παγκόσμιας κοινωνίας και φαίνεται ότι απαιτούν εναλλακτικές λύσεις για την παραγωγή ενέργειας. Το μεγαλύτερο ποσοστό της ρύπανσης της ατμόσφαιρας οφείλεται στην εκπομπή καυσαερίων των οχημάτων και, συγκεκριμένα, στην κυκλοφοριακή συμφόρηση. Η χρήση των μηχανών εσωτερικής καύσης ως αποκλειστικών μέσων παραγωγής ενέργειας τις τελευταίες δεκαετίες έχει επιφέρει μεγάλες αλλαγές στη σύσταση της ατμόσφαιρας με σοβαρές επιπτώσεις. Είναι, λοιπόν, αδήριτη ανάγκη η έγκαιρη εναλλαγή στον τρόπο παραγωγής ενέργειας, με πρωταρχική την αλλαγή της τεχνολογίας των συστημάτων κίνησης και μέσων μεταφοράς. H εναλλακτική αυτή λύση προσφέρεται από τη χρήση της ηλεκτροκίνησης μέσω της υβριδοποίησης των οχημάτων. Η διεθνής ευαισθητοποίηση σε θέματα κλιματικής αλλαγής, εκπομπών CO 2 αλλά και ενεργειακής αυτάρκειας έχει οδηγήσει την αυτοκινητοβιομηχανία σε αναζήτηση τεχνολογιών δραστικής μείωσης της κατανάλωσης καυσίμου. Στην κατεύθυνση αυτή κινείται ταυτόχρονα και η διεθνής νομοθεσία με στόχο την επιβολή ορίων εκπομπών CO 2, μίας ένωσης που δε θεωρείται συμβατικός ρύπος. Μία από τις πιο ενδιαφέρουσες τεχνολογίες μείωσης εκπομπών CO 2 αποτελεί η λεγόμενη υβριδική 1 αυτοκίνηση, η οποία έχει ήδη κάνει τα πρώτα βήματα σε εμπορικές εφαρμογές. Αν και υπάρχει πληθώρα παραλλαγών της συγκεκριμένης τεχνολογίας (ήπια/πλήρως υβριδικά οχήματα), σε κάθε περίπτωση η λειτουργία τους στηρίζεται στη συνεργασία του κινητήρα εσωτερικής καύσης με ηλεκτροκινητήρες. Στα πλήρως υβριδικά οχήματα, η μηχανή εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ) μπορεί να σβήνει κατά διαστήματα και, όταν λειτουργεί, βρίσκεται σε σημείο υψηλού θερμοδυναμικού βαθμού απόδοσης. Σε πιο «ήπιες» εφαρμογές, η ΜΕΚ υποβοηθείται από τον ηλεκτροκινητήρα όταν υπάρχει η απαίτηση από τον οδηγό. Σε κάθε περίπτωση υβριδικής εφαρμογής, η αλλαγή του τρόπου λειτουργίας της ΜΕΚ οδηγεί σε διαφορετικό «προφίλ» του εκπεμπόμενου καυσαερίου, όσον αφορά τη σύστασή του, τη θερμοκρασία του και την παροχή μάζας του συναρτήσει του χρόνου. Αυτό μπορεί να έχει θετικές ή αρνητικές συνέπειες όσον αφορά τους «συμβατικούς» εκπεμπόμενους ρύπους (CO, HC, NO x) καθώς και την αποδοτικότητα των συστημάτων καταλυτικής μετεπεξεργασίας του καυσαερίου. Έτσι, ενώ το σβήσιμο του κινητήρα κατά τη διάρκεια του νομοθετημένου κύκλου εκμηδενίζει τις εκπομπές καυσαερίων στο συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, η ταυτόχρονη ψύξη της συσκευής αντιρρύπανσης μπορεί να οδηγήσει σε παροδική απενεργοποίηση της καταλυτικής δράσης στη φάση της επανεκκίνησης. Αυτό σημαίνει ότι ο σχεδιαστής του συστήματος αντιρρύπανσης αντιμετωπίζει νέα δεδομένα, που μάλιστα συναρτώνται από τη στρατηγική υβριδοποίησης του κινητήρα. Σύμφωνα με τα παραπάνω, το κύριο αντικείμενο της εργασίας είναι η μελέτη των αλληλεπιδράσεων υβριδοποίησης κινητήρα συστήματος αντιρρύπανσης. 1 Στο εξής με τον όρο «υβριδικό» θα εννοείται όχημα το Υβριδικό Ηλεκτρικό Όχημα, το οποίο διαθέτει έναν κινητήρα συμβατικού καυσίμου και έναν ηλεκτροκινητήρα.

2 1.2 Στόχοι της εργασίας Βασικός σκοπός της έρευνας είναι η βελτιστοποίηση του αντιρρυπαντικού σχεδιασμού των υβριδικών οχημάτων ως προς την ενίσχυση της αντιρρυπαντικής συμπεριφοράς τους και για να τα καταστήσει πιο εύκολα αποσβέσιμα ως προς το κόστος. Δεδομένου ότι υπάρχει πολύ περιορισμένος αριθμός επιστημονικών μελετών που πραγματεύονται το συγκεκριμένο θέμα γίνεται αντιληπτό πως στο πλαίσιο της διατριβής θα πρέπει να γίνει μια ευρεία διερεύνηση, με σαφείς στόχους, οι οποίοι συνοψίζονται παρακάτω. Βιβλιογραφική διερεύνηση με αντικείμενο τις διαφοροποιήσεις των υβριδικών από τα συμβατικά οχήματα σχετικά με τις ιδιότητες του καυσαερίου και τις επιπτώσεις τους στη λειτουργία των αντιρρυπαντικών συσκευών Μελέτη των αλληλεπιδράσεων υβριδοποίησης κινητήρα-συστήματος αντιρρύπανσης Ανάπτυξη υπολογιστικής μεθοδολογίας βελτιστοποίησης του αντιρρυπαντικού σχεδιασμού για υβριδικές εφαρμογές Πειραματική αξιολόγηση και πιστοποίηση του υπολογιστικού μοντέλου προσομοίωσης 1.3 Δομή της εργασίας Αρχικά έγινε διερεύνηση των διαφοροποιήσεων των υβριδικών οχημάτων από τα συμβατικά σχετικά με τις ιδιότητες του καυσαερίου και των επιπτώσεων της υβριδοποίησης στη λειτουργία των αντιρρυπαντικών διατάξεων, τόσο για την περίπτωση οχημάτων Diesel, όσο για τα βενζινοκίνητα οχήματα. Σε επόμενο στάδιο δημιουργήθηκαν τα μοντέλα των κινητήρων πετρελαίου και βενζίνης με σκοπό την πρόβλεψη των εκπομπών καυσαερίων στην έξοδο του κινητήρα, μετά από πιστοποίησή τους με πειραματικά δεδομένα. Ακολούθως, έγινε η μοντελοποίηση των αντιρρυπαντικών διατάξεων σε υβριδική λειτουργία του κινητήρα. Αναπτύχθηκε το κατάλληλο υπομοντέλο για τον υπολογισμό των απωλειών θερμότητας σε συνθήκες μηδενικής ροής καυσαερίου, το οποίο και εφαρμόσθηκε και πιστοποιήθηκε σε σταθερές συνθήκες ψύξης και σε κύκλους οδήγησης. Τα δύο μοντέλα που αναφέρθηκαν ενσωματώθηκαν σε ένα ενιαίο μοντέλο υβριδικού οχήματος και μελετήθηκαν οι επιπτώσεις της υβριδοποίησης σε πετρελαιοκίνητα οχήματα για περιπτώσεις αντιρρυπαντικών διατάξεων DOC-SCRF και LNT, αλλά και τριοδικού καταλύτη σε βενζινοκίνητα οχήματα, μετά από προσομοίωση νομοθετημένων και πραγματικών κύκλων οδήγησης, καθώς και οι ενδεχόμενες επιπτώσεις της θέρμανσης των διατάξεων μέσω επιπρόσθετης έγχυσης καυσίμου στις τιμές των νομοθετημένων εκπομπών καυσαερίων. 1.4 Πρωτοτυπία της εργασίας Η υβριδική τεχνολογία αυτοκίνησης βρίσκεται ακόμα στα αρχικά της στάδια, δεδομένου ότι λίγοι σχετικά κατασκευαστές έχουν προχωρήσει σε μοντέλα παραγωγής, ενώ πολλοί είναι εκείνοι που αμφισβητούν την τεχνο-οικονομική αποτελεσματικότητά της, τουλάχιστον με τον τρόπο που

3 αυτή εφαρμόζεται στα σημερινά υβριδικά οχήματα. Παρ όλα αυτά, στη βιομηχανία αλλά και στον ακαδημαϊκό χώρο είναι σαφές ότι η υβριδική τεχνολογία θα είναι παρούσα στο μέλλον με διαφορετικά επίπεδα υβριδοποίησης ανάλογα με την εφαρμογή. Όλοι επίσης αναγνωρίζουν ότι ένα από τα εμπόδια που τίθενται προς αυτήν την κατεύθυνση είναι η αυξανόμενη πολυπλοκότητα της διαδικασίας βέλτιστου σχεδιασμού σε τέτοια οχήματα. Κατά συνέπεια, η ανάγκη διατύπωσης καινοτόμων προσεγγίσεων βελτιστοποίησης του σχεδιασμού με χαμηλό κόστος και σε λίγο χρόνο είναι επιτακτική και η παρούσα εργασία κινείται ακριβώς προς αυτήν την κατεύθυνση με επίκεντρο το σύστημα αντιρρύπανσης. Λόγω του πρόσφατου της συγκεκριμένης τεχνολογίας αλλά και της συνεπαγόμενης βιομηχανικής εμπιστευτικότητας, το δημοσιευμένο έργο σχετικά με το αντικείμενο είναι ελάχιστο. Κάποια επιμέρους καινοτόμα χαρακτηριστικά της συγκεκριμένης μελέτης: Αναγνώριση και αποτύπωση των ιδιαιτεροτήτων των υβριδικών εφαρμογών σχετικά με τα χαρακτηριστικά εκπομπών ρύπων της Μηχανής Εσωτερικής Καύσης Εξέλιξη μαθηματικών μοντέλων πρόβλεψης εκπομπών ρύπων από κινητήρα για υβριδικές εφαρμογές Εξέλιξη πολυδιάστατων μαθηματικών μοντέλων συσκευών αντιρρύπανσης στην κατεύθυνση της λειτουργίας υπό μηδενική ροή, καθώς και υπό συνθήκες επιπρόσθετης θέρμανσης με επιπλέον έγχυση καυσίμου (early post-injection) Τέλος, η ίδια η μεθοδολογία βελτιστοποίησης αποτελεί ουσιαστικό στοιχείο καινοτομίας με σημαντικό επιστημονικό και βιομηχανικό ενδιαφέρον.

4

5 2 Ιδιαιτερότητες της αντιρρύπανσης σε υβριδικά οχήματα Η καινοτομία στην υβριδική τεχνολογία έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο τα τελευταία χρόνια και τα υβριδικά αυτοκίνητα γίνονται πολύ πιο διαδεδομένα από ό,τι στο παρελθόν. Συνεπώς, η μελέτη των διαφοροποιήσεων των υβριδικών οχημάτων σε σχέση με τη γνωστή συμβατική τεχνολογία καθίσταται αναγκαία, με απώτερο στόχο την εξακρίβωση των βημάτων για βελτίωση και βελτιστοποίησή τους, τόσο αναφορικά με τη λειτουργία του κινητήρα, όσο και με το πεδίο των αντιρρυπαντικών διατάξεων. 2.1 Κινητήρες Diesel Την τελευταία δεκαετία διάφοροι κατασκευαστές, κατά κύριο λόγο στην Ιαπωνία και τις ΗΠΑ, έχουν αναπτύξει πρωτίστως βενζινοκίνητα αυτοκίνητα υβριδικής τεχνολογίας. Οι ολοένα αυστηρότεροι στόχοι στα επιτρεπόμενα όρια εκπομπών CO 2 που επιβάλει η διεθνής νομοθεσία αναμένεται να οδηγήσει στην κατασκευή και διάθεση στην ευρωπαϊκή αγορά περισσότερων diesel υβριδικών οχημάτων στο άμεσο μέλλον. Το γεγονός ότι η κατασκευή diesel υβριδικών είναι σε αρχικό αλλά αναπτυσσόμενο στάδιο καθιστά την αναζήτηση πληροφοριών σχετικά με τα χαρακτηριστικά και τις διαφοροποιήσεις τους δυσκολότερη από των βενζινοκίνητων και την έρευνα αυτών ένα καινούργιο πεδίο προς διερεύνηση [1-4]. Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά της λειτουργίας ενός υβριδικού οχήματος γενικά είναι οι συχνές εναύσεις/σβησίματα (start/stop) του κινητήρα, τα οποία έχουν ως αποτέλεσμα τη διαφοροποίηση των χαρακτηριστικών του καυσαερίου τους από των συμβατικών. Είναι προφανές πως οι περίοδοι στις οποίες ο κινητήρας σβήνει αποτελούν ταυτόχρονα και περιόδους μηδενικής ροής καυσαερίων, κατά τη διάρκεια των οποίων, από τη μία εκμηδενίζονται οι εκπομπές ρύπων, αλλά από την άλλη οι θερμοκρασίες στον κινητήρα και την εξάτμιση μειώνονται, ψύχοντας τη συσκευή αντιρρύπανσης. Κατά συνέπεια, οι χαμηλές θερμοκρασίες στο σύστημα αντιρρύπανσης ενδεχομένως να οδηγήσουν σε παροδική απενεργοποίηση της καταλυτικής τους δράσης κατά την επόμενη επανεκκίνηση του κινητήρα [5]. Με σκοπό τη διερεύνηση της συμπεριφοράς των νομοθετημένων εκπομπών ρύπων των πετρελαιοκινητήρων υβριδικών οχημάτων συγκριτικά με των συμβατικών διεξήχθησαν πειραματικές μετρήσεις στον diesel κινητήρα Toyota 1ND, προδιαγραφών Euro 5 και κυβισμού 1.4l, ο οποίος αποτελεί εξοπλισμό τού Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής (ΕΕΘ) του ΑΠΘ. Με τη βοήθεια του λογισμικού velodyn [6] και δεδομένα εισόδου τα προφίλ ταχύτητας του οχήματος κατά τη διάρκεια των νομοθετημένων κύκλων οδήγησης NEDC και WLTC παρήχθησαν τα προφίλ ροπής/στροφών του κινητήρα, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν ως δεδομένα εισόδου/ελέγχου στον PUMA (AVL), ο οποίος ελέγχει τη λειτουργία του κινητήρα κάθε δευτερόλεπτο και καταγράφει όλα τα πειραματικά δεδομένα. Τα αποτελέσματα των πειραματικών μετρήσεων παρουσιάζονται στα παρακάτω συγκριτικά διαγράμματα, αναφορικά με τις εκπομπές καυσαερίων μεταξύ συμβατικής και υβριδικής λειτουργίας του κινητήρα 1ND μετά από ψυχρή εκκίνησή του κατά τους δύο νομοθετημένους κύκλους οδήγησης. Στην Εικόνα 1 απεικονίζονται συγκριτικά οι αθροιστικές τιμές εκπομπών CO 2 κατά τη διάρκεια ενός NEDC με ψυχρή εκκίνηση σε συμβατική και υβριδική λειτουργία.

6 Εικόνα 1 Συγκριτικό διάγραμμα πειραματικών τιμών αθροιστικών εκπομπών CO2 στην έξοδο του κινητήρα για υβριδική και συμβατική λειτουργία με ψυχρή εκκίνηση κατά τη διάρκεια ενός NEDC Είναι φανερό πως με τη συγκεκριμένη στρατηγική υβριδοποίησης που επιλέχθηκε και εφαρμόσθηκε επιτυγχάνεται μία μείωση της τάξης του 12-13% στην κατανάλωση καυσίμου στη διάρκεια του NEDC. Στην Εικόνα 2 παρουσιάζονται οι αντίστοιχες τιμές των αθροιστικών εκπομπών CO στην έξοδο του κινητήρα, όπως αυτές μετρήθηκαν μετά τη διεξαγωγή των μετρήσεων για τις περιπτώσεις που προαναφέρθηκαν.

7 Εικόνα 2 Συγκριτικό διάγραμμα πειραματικών τιμών αθροιστικών εκπομπών CO στην έξοδο του κινητήρα για υβριδική και συμβατική λειτουργία με ψυχρή εκκίνηση κατά τη διάρκεια ενός NEDC Η υβριδοποίηση επέφερε σημαντική μείωση στις εκπομπές CO στη διάρκεια του κύκλου. Αντίστοιχο συγκριτικό διάγραμμα για τις αθροιστικές εκπομπές HC παρουσιάζει η Εικόνα 3 που ακολουθεί.

8 Εικόνα 3 Συγκριτικό διάγραμμα πειραματικών τιμών αθροιστικών εκπομπών HC στην έξοδο του κινητήρα για υβριδική και συμβατική λειτουργία με ψυχρή εκκίνηση κατά τη διάρκεια ενός NEDC Οι τιμές των αθροιστικών εκπομπών HC στην έξοδο του κινητήρα στη διάρκεια του NEDC παρουσιάζουν σημαντική μείωση στην περίπτωση της υβριδικής εφαρμογής, εισάγοντας μία ακόμη διαφοροποίηση από τη συμβατική λειτουργία. Τέλος, στην Εικόνα 4 εμφανίζονται συγκριτικά οι τιμές των αθροιστικών εκπομπών NO x για τον ίδιο κύκλο οδήγησης.

9 Εικόνα 4 Συγκριτικό διάγραμμα πειραματικών τιμών αθροιστικών εκπομπών NOx στην έξοδο του κινητήρα για υβριδική και συμβατική λειτουργία με ψυχρή εκκίνηση κατά τη διάρκεια ενός NEDC Στην περίπτωση αυτή παρατηρείται μία σημαντική αύξηση των εκπομπών NO x στον NEDC όταν ο κινητήρας βρίσκεται σε υβριδική λειτουργία, η οποία ενδέχεται να αποτελέσει τη δυσκολότερη πρόκληση στο σχεδιασμό της κατάλληλης αντιρρυπαντικής τεχνολογίας στην περίπτωση της υβριδοποίησης των ήδη βεβαρυμμένων με αυτήν diesel οχημάτων. Στην Εικόνα 5, την Εικόνα 6, την Εικόνα 7 και την Εικόνα 8 που ακολουθούν παρουσιάζονται τα αντίστοιχα συγκριτικά διαγράμματα μεταξύ συμβατικού και υβριδικού σεναρίου με ψυχρή εκκίνηση για τις πειραματικές τιμές εκπομπών κατά τη διάρκεια ενός WLTC.

10 Εικόνα 5 Συγκριτικό διάγραμμα πειραματικών τιμών αθροιστικών εκπομπών CO2 στην έξοδο του κινητήρα για υβριδική και συμβατική λειτουργία με ψυχρή εκκίνηση κατά τη διάρκεια ενός WLTC Εικόνα 6 Συγκριτικό διάγραμμα πειραματικών τιμών αθροιστικών εκπομπών CO στην έξοδο του κινητήρα για υβριδική και συμβατική λειτουργία με ψυχρή εκκίνηση κατά τη διάρκεια ενός WLTC

11 Εικόνα 7 Συγκριτικό διάγραμμα πειραματικών τιμών αθροιστικών εκπομπών HC στην έξοδο του κινητήρα για υβριδική και συμβατική λειτουργία με ψυχρή εκκίνηση κατά τη διάρκεια ενός WLTC Εικόνα 8 Συγκριτικό διάγραμμα πειραματικών τιμών αθροιστικών εκπομπών NOx στην έξοδο του κινητήρα για υβριδική και συμβατική λειτουργία με ψυχρή εκκίνηση κατά τη διάρκεια ενός WLTC

12 Τα αποτελέσματα όλων των συγκρίσεων για τον WLTC παρουσιάζουν απολύτως όμοιες τάσεις με του NEDC, επιβεβαιώνοντας τη διαφοροποίηση της συμπεριφοράς των νομοθετημένων εκπομπών κατά την υβριδική εφαρμογή σε σχέση με της συμβατικής λειτουργίας του ίδιου κινητήρα. Στην Εικόνα 9 και την Εικόνα 10 παρουσιάζονται συγκριτικά η ροή μάζας καυσαερίου και η θερμοκρασία του καυσαερίου πριν τον DOC, αντίστοιχα, για Euro 4 diesel κινητήρα (Daimler OM646) που αποτελεί εξοπλισμό του ΕΕΘ, κυβισμού 2.2l, σε συμβατική και υβριδική λειτουργία κατά τη διάρκεια ενός ευρωπαϊκού κύκλου οδήγησης (NEDC) με τρόπο όμοιο με αυτόν που περιγράφηκε. Υπολογίσθηκε πως ο πετρελαιοκινητήρας δε βρίσκεται σε λειτουργία για διάστημα ίσο με το 42% της χρονικής διάρκειας του κύκλου κατά την υβριδική λειτουργία, παρουσιάζοντας μία διαφορετική περίπτωση υβριδοποίησης, με συχνότερες εναύσεις-σβησίματα από ό,τι στις μετρήσεις που περιγράφηκαν παραπάνω. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι θερμοκρασίες στην έξοδο του κινητήρα και πριν τον οξειδωτικό καταλύτη diesel (DOC) να είναι σημαντικά χαμηλότερες από τις θερμοκρασίες κατά τη συμβατική λειτουργία, πηγαίνοντας συχνότερα σε περιοχές χαμηλότερες της ενεργοποίησης του καταλύτη (light-off) [7]. Εικόνα 9 Σύγκριση ροής μάζας καυσαερίου μεταξύ Υβριδικής και Συμβατικής λειτουργίας σε NEDC [7]

13 Εικόνα 10 Σύγκριση θερμοκρασίας καυσαερίου στην είσοδο του DOC μεταξύ υβριδικής και συμβατικής λειτουργίας σε NEDC [7] Αξίζει να σημειωθεί επίσης πως, παρά το γεγονός ότι σε σημαντικό κομμάτι του χρόνου του υβριδικού NEDC ο κινητήρας είναι σβηστός, όπως προαναφέρθηκε, οι αθροιστικές εκπομπές CO στην έξοδο του κινητήρα δεν είναι χαμηλότερες από του συμβατικού κύκλου. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας των υψηλών εκπομπών CO αμέσως μετά από κάθε επανέναυση του πετρελαιοκινητήρα, χαρακτηριστικό που πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπόψιν στο σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση της αντιρρύπανσης στην περίπτωση των υβριδικών οχημάτων, συγκρινόμενο με την περίπτωση που παρουσιάσθηκε για τον κινητήρα 1ND σε υβριδική λειτουργία, στην οποία η ποσότητα τού CO μετρήθηκε σημαντικά χαμηλότερη από της συμβατικής. Συγκριτικό διάγραμμα των μετρημένων τιμών για τους δύο κύκλους παρουσιάζεται στην Εικόνα 11 [7].

14 Εικόνα 11 Συγκριτικό διάγραμμα πειραματικών τιμών αθροιστικών εκπομπών CO στην έξοδο του κινητήρα για υβριδική και συμβατική λειτουργία [7] Αντιθέτως, οι εκπομπές HC στην έξοδο του κινητήρα στην περίπτωση της υβριδικής λειτουργίας παρουσιάζονται αισθητά χαμηλότερες συγκριτικά με της συμβατικής λειτουργίας, όπως φαίνεται στην Εικόνα 12 [7].

15 Εικόνα 12 Συγκριτικό διάγραμμα πειραματικών τιμών αθροιστικών εκπομπών HC στην έξοδο του κινητήρα για υβριδική και συμβατική λειτουργία [7] Ενώ επικρατούν συγκριτικά χαμηλότερες θερμοκρασίες στο καυσαέριο πριν την εισροή του σε κάποια συσκευή αντιρρύπανσης στην περίπτωση της ηλεκτρικής λειτουργίας ενός υβριδικού οχήματος, δε συμβαίνει απαραιτήτως το ίδιο και με τις θερμοκρασίες στο εσωτερικό μιας αντιρρυπαντικής συσκευής. Η υβριδική αρχιτεκτονική επιτρέπει το σβήσιμο του κινητήρα κατά τη διάρκεια των περιόδων στις οποίες το όχημα επιβραδύνεται, επιφέροντας ταυτόχρονη μηδενική ροή στην εξάτμιση. Αντιθέτως, η συμβατική αρχιτεκτονική συνοδεύεται με ψύξη του κινητήρα και της εξάτμισης, καθώς ατμοσφαιρικός αέρας εισάγεται στον κινητήρα κατά την επιβράδυνση του οχήματος, και καυσαέριο χαμηλότερης θερμοκρασίας διαπερνά την πολλαπλή εξαγωγής και τις όποιες συσκευές αντιρρύπανσης κατά τη διάρκεια του ρελαντί. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η θερμοκρασία του ψυκτικού μέσου, καθώς και η θερμοκρασία των καυσαερίων να λαμβάνουν τις μέγιστες τιμές τους γρηγορότερα μετά την έναυση του κινητήρα κατά την υβριδική λειτουργία από ό,τι κατά τη συμβατική λειτουργία του οχήματος αποκλειστικά με ΜΕΚ, χαρακτηριστικό που είναι εμφανές στην Εικόνα 13 για ένα υβριδικό όχημα παράλληλης αρχιτεκτονικής με έναν κινητήρα DI 1.6l, έναν ηλεκτροκινητήρα 25kW και μπαταρία χωρητικότητας 1.5kWh. Παρουσιάζονται δύο διαφορετικές στρατηγικές υβριδικής λειτουργίας συγκριτικά με τη συμβατική. Στην πρώτη στρατηγική γίνεται έναυση του πετρελαιοκινητήρα για σχέση ταχύτητας μεγαλύτερη ή ίση της τρίτης και στη δεύτερη στρατηγική για σχέση ταχύτητας μεγαλύτερη ή ίση της τετάρτης (που σημαίνει πλήρη ηλεκτρική λειτουργία κατά την UDC περίοδο ενός NEDC) [8].

16 Εικόνα 13 Συγκριτικό διάγραμμα θερμοκρασίας νερού κινητήρα για συμβατική λειτουργία και δύο διαφορετικών στρατηγικών υβριδικής λειτουργίας και αντίστοιχη θερμοκρασία του καταλύτη σε έναν κύκλο NEDC [8] Στην ίδια εφαρμογή, εκτός από τη μείωση κατά περίπου 20% στην κατανάλωση καυσίμου κατά τη διάρκεια νομοθετημένων κύκλων οδήγησης που υπολογίσθηκε πως επιτυγχάνεται με την υβριδοποίηση, οι εκπομπές CO και HC ελαττώνονται κατά 75% εξαιτίας, τόσο των χαμηλότερων εκπομπών κινητήρα, όσο και της ταχύτερης επίτευξης θερμοκρασίας ενεργοποίησης του DOC για τους λόγους που προαναφέρθηκαν. Αντιθέτως, οι εκπομπές NO x κατά τη διάρκεια του EUDC παρουσίασαν αύξηση συγκριτικά με τη συμβατική λειτουργία μεταξύ 10% και 55%, όπως φαίνεται και στα γραφήματα στην Εικόνα 14 [8].

17 Εικόνα 14 Συγκριτικά εκπομπών για κύκλο NEDC μεταξύ συμβατική λειτουργίας και δύο διαφορετικών στρατηγικών υβριδικής λειτουργίας [8] Στην περίπτωση των κινητήρων diesel το ποσοστό των αθροιστικών εκπομπών των συμβατικών οχημάτων που οφείλονται στην κρύα εκκίνηση μπορεί να φθάσει σε έναν νομοθετημένο κύκλο οδήγησης το 80-90% [9]. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 15, η οποία παρουσιάζει συγκριτικά πειραματικά tailpipe αποτελέσματα του μέσου όρου των εκπομπών μεταξύ της διάρκειας ψυχρής εκκίνησης και ολόκληρου του πραγματικού κύκλου οδήγησης σε ένα Euro 3 Ford Connect 1.8l TDCi εξοπλισμένο με DOC, ισχυρότερο αντίκτυπο έχει η ψυχρή εκκίνηση στις εκπομπές CO και μικρότερο στις εκπομπές HC [10], σε αντίθεση με τους βενζινοκινητήρες [11], όπως θα περιγραφεί στο αντίστοιχο κεφάλαιο. Εικόνα 15 Συγκριτικά πειραματικά αποτελέσματα μέσου όρου εκπομπών μεταξύ ψυχρής εκκίνησης και ολόκληρου του πραγματικού κύκλου οδήγησης σε Euro 3 diesel όχημα (κατάντη του DOC) [10]

18 Όπως αναφέρθηκε παραπάνω και όπως είναι αναμενόμενο, το φαινόμενο των αυξημένων εκπομπών κατά την κρύα εκκίνηση είναι ακόμη πιο έντονο σε υβριδικές αρχιτεκτονικές λόγω των συχνών start/stop της ΜΕΚ. Σε diesel υβριδικές εφαρμογές σε κύκλο οδήγησης UDDS, για παράδειγμα, περίπου το 30% των αθροιστικών εκπομπών CO και HC στην έξοδο του DOC παρατηρείται στη διάρκεια των πρώτων 200 δευτερολέπτων από τη στιγμή της κρύας εκκίνησης. Το υπόλοιπο 70% των αθροιστικών εκπομπών κατάντη του DOC εμφανίζεται κατά τη διάρκεια του υπόλοιπου κύκλου, κυρίως κατά τις συχνές επανεκκινήσεις του κινητήρα που υπάρχουν στο συγκεκριμένο κύκλο [12]. Στην Εικόνα 16 και την Εικόνα 17 που ακολουθούν παρουσιάζονται οι θερμοκρασίες εντός του καταλύτη σε ένα υβριδικό diesel όχημα κατά τη διάρκεια ενός UDDS με κρύα εκκίνηση και σε ένα υβριδικό diesel όχημα με δυνατότητα εξωτερικής φόρτισης κατά τη διάρκεια πέντε συνεχόμενων UDDS με κρύα εκκίνηση, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα προέκυψαν από ένα επικυρωμένο μοντέλο οχήματος σε λογισμικό PSAT με ενσωματωμένα ευέλικτα δομικά στοιχεία Simulink που προσομοιώνουν την αντιρρυπαντική διάταξη (DOC και DOC+SCR) [12]. Εικόνα 16 Θερμοκρασίες σε 3 σημεία αξονικά του DOC σε ένα υβριδικό diesel όχημα κατά τη διάρκεια ενός UDDS με κρύα εκκίνηση [12]

19 Εικόνα 17 Θερμοκρασίες σε 3 σημεία αξονικά του DOC σε ένα υβριδικό diesel όχημα με δυνατότητα εξωτερικής φόρτισης κατά τη διάρκεια πέντε συνεχόμενων UDDS με κρύα εκκίνηση [12] Η θερμοκρασία του καταλύτη κατά τη διάρκεια κάποιων τμημάτων του UDDS, όπως είναι τα πρώτα 600 δευτερόλεπτα του κύκλου, συχνά οριακά μπορεί να ανέλθει στους 150 C εξαιτίας των συχνών σβησιμάτων και επανεναύσεων του κινητήρα που προαναφέρθηκαν. Είναι προφανές πως αυτό μειώνει σημαντικά την απόδοση του DOC συγκριτικά με τη δυνητική του απόδοση, μη επιτρέποντας την πλήρη οξείδωση των CO και HC. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες (μεγαλύτερες των 200 C) τα CO και HC σε μεγάλο βαθμό οξειδώνονται ήδη διαπερνώντας το πρώτο μισό τμήμα του DOC. Από την άλλη μεριά, ο βαθμός οξείδωσης εμφανίζεται πολύ χαμηλός στα πρώτα 60 δευτερόλεπτα του κύκλου, οπότε και η θερμοκρασία του DOC είναι χαμηλότερη από 150 C [12]. Στην περίπτωση του NO, η οξείδωσή του σε NO 2 συμβαίνει κατά την περίοδο μεταξύ 220 και 500 δευτερολέπτων, οπότε οι θερμοκρασίες στον οξειδωτικό καταλύτη είναι γενικά μεγαλύτερες από τους 250 C. Ο βαθμός οξείδωσης μεγιστοποιείται στους 300-350 C και αρχίζει να φθίνει σε υψηλότερες θερμοκρασίες [12]. Στην Εικόνα 18 απεικονίζονται οι στιγμιαίες εκπομπές στην περίοδο των μεταβατικών συνθηκών των πρώτων 600 δευτερολέπτων του UDDS, όπως αναφέρθηκε ήδη. Είναι εμφανείς και οι περίοδοι στις οποίες ο κινητήρας diesel είναι σβηστός, κατά τη διάρκεια των οποίων εκμηδενίζονται οι εκπομπές.

20 Εικόνα 18 Μεταβατικές εκπομπές CO, HC, ΝΟ2 και ΝΟ σε 3 σημεία αξονικά του DOC για τα πρώτα 600 δευτερόλεπτα ενός UDDS με κρύα εκκίνηση [12] Στην ίδια εφαρμογή, προσομοιώθηκε και η εκδοχή της προσθήκης SCR στο σύστημα αντιρρύπανσης, μετά τον DOC. Έχοντας ως περιοριστικό παράγοντα για την ακρίβεια των αποτελεσμάτων το γεγονός ότι θεωρήθηκε η έγχυση ουρίας προσαρμοσμένη κατάλληλα ώστε να παράγει τη βέλτιστη στοιχειομετρική αναλογία αμμωνίας στην είσοδο του SCR, προσομοιώθηκαν οι ίδιοι ακριβώς κύκλοι. Ο συνδυασμός DOC και SCR στο σύστημα αντιρρύπανσης στην περίπτωση του υβριδικού οχήματος επιφέρει μείωση των εκπομπών NO x κατά 79%, εκ των οποίων όλες καταλήγουν να είναι σχεδόν αποκλειστικά NO στην έξοδο της αντιρρυπαντικής διάταξης [12], όπως φαίνεται στην Εικόνα 19.

21 Εικόνα 19 Μεταβατικές εκπομπές ΝΟ2 και ΝΟ σε 3 σημεία αξονικά του SCR κατά τη διάρκεια ενός UDDS με κρύα εκκίνηση [12] Από την άλλη μεριά, κατά την περίοδο της κρύας εκκίνησης παρατηρείται ακόμα μεγαλύτερη υστέρηση στην άνοδο της θερμοκρασίας του SCR λόγω της θερμικής αδράνειας του DOC που βρίσκεται ανάντη, φαινόμενο το οποίο περιορίζεται σημαντικά από τη στιγμή που το σύστημα έχει θερμανθεί [12]. Στην Εικόνα 20 παρουσιάζεται η απεικόνιση των θερμοκρασιών στην έξοδο του κινητήρα, στην έξοδο του DOC και σε τρία σημεία αξονικά τού SCR.

22 Εικόνα 20 Θερμοκρασίες στην έξοδο του κινητήρα, του DOC και σε τρία σημεία αξονικά τού SCR [12] Πρέπει να ληφθεί υπόψιν, βέβαια, πως στην περίπτωση των υβριδικών diesel (στα οποία diesel εμφανίζονται και οι υψηλότερες εκπομπές NO x σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας) ίσως είναι σκόπιμο να μελετηθεί η περίπτωση ενός κύκλου οδήγησης που να βρίσκεται πιο κοντά στις πραγματικές συνθήκες, όπως είναι ο CADC [13]. Θα έπρεπε, τέλος, να σημειωθεί πως η υβριδοποίηση ενός οχήματος συνεπάγεται αυτομάτως και ένα επιπρόσθετο βάρος, λόγω των διαφόρων εξαρτημάτων που απαιτούνται (π.χ. ηλεκτροκινητήρας, μπαταρία, ηλεκτρικός μετατροπέας κτλ). Αυτή η επιπλέον μάζα σε ένα συμβατικό όχημα έχει ως αποτέλεσμα περίπου 5% αύξηση στην κατανάλωση καυσίμου και 14% αύξηση στις εκπομπές NO x και αιωρούμενων σωματιδίων, όπως φαίνεται και στην Εικόνα 21 για μετρήσεις FTP-75 κύκλου οδήγησης. Στο ίδιο γράφημα παρουσιάζονται επίσης και αντίστοιχα αποτελέσματα μετρήσεων για diesel HEV παράλληλης αρχιτεκτονικής με τέσσερεις διαφορετικές τιμές ισχύος ηλεκτροκινητήρα και για συμβατικό όχημα με start-stop λειτουργία (0kW). Είναι φανερό πως η αύξηση του ορίου ισχύος της ηλεκτροκίνησης έως και 4kW οδηγεί σε περαιτέρω μείωση κατανάλωσης και εκπομπών καυσαερίων, αφού στις περιπτώσεις αυτές η ανακτηθείσα ενέργεια πέδησης χρησιμοποιείται εξ ολοκλήρου. Για ισχύ 6kW απαιτείται μία αύξηση 5% στο

23 φορτίο του κινητήρα ώστε να ανταποκριθεί στην απαιτούμενη κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας. Αυτή η αύξηση, ωστόσο, υπερ-αντισταθμίζει τη θετική επίδραση της ηλεκτροκίνησης, με αποτέλεσμα υψηλότερες τιμές NO x και σωματιδίων στην έξοδο. Στην περίπτωση ισχύος ίσης με 8kW το φαινόμενο είναι ακόμη πιο έντονο: απαιτείται αύξηση 16% στο φορτίο, συνεπώς οι τιμές εκπομπών είναι τόσο αυξημένες, ώστε να ξεπερνούν ακόμα και του οχήματος αναφοράς [14]. Είναι μεγάλης σημασίας, επομένως, η επιλογή του κατάλληλου ηλεκτροκινητήρα για την επίτευξη μίας βέλτιστης υβριδοποίησης [5, 15, 16]. Εικόνα 21 Μετρήσεις FTP-75 [14] Συνοψίζοντας, για την περίπτωση των πετρελαιοκίνητων υβριδικών οχημάτων είναι σημαντικό να διερευνηθούν οι ιδιαίτερες προκλήσεις και να απαντηθούν τα σχετικά ερωτήματα που αφορούν τα παρακάτω: Θερμοκρασία light-off στα συστήματα επιλεκτικής καταλυτικής αναγωγής (SCR) και παγίδων NO x φτωχού μείγματος (LNT) κατά τη διάρκεια των ψυχρών εκκινήσεων και της λειτουργίας σε χαμηλές θερμοκρασίες περιβάλλοντος [1, 17] Επίδραση του βαθμού φόρτισης της μπαταρίας (SoC) στις εκπομπές ρύπων

24 Παράλληλα θέματα που συνεπάγεται η εφαρμογή ενδεχόμενων λύσεων, όπως της θέρμανσης του καταλύτη μέσω επιπρόσθετης έγχυσης καυσίμου [18]

25 2.2 Βενζινοκινητήρες Όπως αναφέρθηκε και στο προηγούμενο κεφάλαιο σχετικά με τα diesel υβριδικά οχήματα, βασικό στοιχείο των βενζινοκίνητων HEV που διαφοροποιεί τη λειτουργία τους και τα χαρακτηριστικά των καυσαερίων τους από εκείνα των συμβατικών είναι οι συνεχείς εναύσεις/σβησίματα του κινητήρα. Οι μειωμένες συγκριτικά θερμοκρασίες που επικρατούν στο σύστημα εξάτμισης κατά τη διάρκεια των περιόδων μηδενικής ροής καυσαερίων και οι μηδενικές εκπομπές ρύπων στο ίδιο διάστημα αποτελούν τις δύο βασικές παραμέτρους από τις οποίες εξαρτάται η ενδεχόμενη μείωση των συνολικών εκπεμπόμενων ρύπων κατά την οδήγηση συγκριτικά με των συμβατικών. Αντίστοιχα με τα diesel οχήματα, λοιπόν, και στην περίπτωση των βενζινοκινητήρων έχει μελετηθεί πως η περίοδος ψυχρής εκκίνησης σε έναν τριοδικό καταλύτη, δηλαδή η χρονική διάρκεια μέχρι η θερμοκρασία κατάντη του να φθάσει τους 400 C, είναι τουλάχιστον 200 δευτερόλεπτα και μπορεί να αυξηθεί σημαντικά, αναλόγως με τις συνθήκες οδήγησης [11]. Τα πλήρως υβριδικά μοντέλα (όπως είναι το Toyota Prius) λειτουργούν με πολλές διακοπές/επανεκκινήσεις, αναλόγως με τον κύκλο οδήγησης. Τα χαρακτηριστικά των εκπομπών HC στην έξοδο του κινητήρα εξαιτίας αυτών των συχνών διακοπών/επανεκκινήσεων είναι πολύ σημαντικά για τη βελτιστοποίηση του συστήματος ελέγχου των εκπομπών. Μάλιστα, οι αρνητικές επιπτώσεις των διακοπών/επανεκκινήσεων δεν περιορίζονται μόνο στις εκπομπές HC, αλλά περιλαμβάνουν κι άλλες συνέπειες, όπως επικαθίσεις στις βαλβίδες ή πρόωρη βλάβη του κινητήρα που σχετίζεται με την ανεπαρκή λίπανση. Ακόμη και η θερμή εκκίνηση ενός υβριδικού με μεγάλο ηλεκτροκινητήρα προκαλεί υψηλές στιγμιαίες εκπομπές υδρογονανθράκων, πιθανώς από σχεδιασμού, ώστε να εξασφαλισθεί μία ομαλή εκκίνηση [19]. Εκτός από την ύπαρξη του κινδύνου απενεργοποίησης της καταλυτικής δράσης των αντιρρυπαντικών συσκευών λόγω της ενδεχόμενης πτώσης της θερμοκρασίας τους σε περιοχές χαμηλότερες της θερμοκρασίας ενεργοποίησης, η κρύα εκκίνηση ενέχει και ένα ακόμη πρόβλημα. Ενώ η επίδραση της κρύας εκκίνησης στην καταλυτική απόδοση οφείλεται κυρίως στη θερμική αδράνεια της πολλαπλής εξαγωγής, των σωληνώσεων της εξάτμισης και της ίδιας της συσκευής αντιρρύπανσης, η θερμική αδράνεια του κινητήρα, του νερού και του λιπαντικού συστήματος επιδρούν στη θερμοκρασία, την παροχή και τη σύσταση των (ανεπεξέργαστων) καυσαερίων ανάντη της αντιρρυπαντικής συσκευής. Ένα παράδειγμα που αποτελεί απόδειξη για τις χαμηλές θερμοκρασίες που επικρατούν σε μία κρύα εκκίνηση είναι πως η περίοδος θέρμανσης του ελαίου λίπανσης ενός βενζινοκινητήρα μέχρι αυτό να θερμανθεί πλήρως (~80 C) διαρκεί περίπου 15 λεπτά, χωρίς να διαφοροποιείται αναλόγως με το προφίλ οδήγησης [11]. Κατά συνέπεια, οι χαμηλές θερμοκρασίες στους κυλίνδρους του κινητήρα και τα τοιχώματα της πολλαπλής εισαγωγής κατά την κρύα εκκίνηση έχουν ως αποτέλεσμα την μη πλήρη εξάτμιση του καυσίμου κατά την καύση [20]. Περισσότεροι υδρογονάνθρακες εκπέμπονται κατά τη διαδικασία σβησίματος του κινητήρα με διακοπή της ανάφλεξης εξαιτίας του άκαυστου εγχυμένου καυσίμου που έχει απομείνει. Το καύσιμο που εναποτίθεται κατά τη διαδικασία διακοπής της ΜΕΚ έχει μεγάλο αντίκτυπο στον εμπλουτισμό του καυσίμου κατά την επανεκκίνηση του βενζινοκινητήρα. Το φαινόμενο αυτό είναι πιο έντονο κατά τη διάρκεια των πρώτων 0.7s της λειτουργίας του βενζινοκινητήρα, χρόνος που εξαρτάται από τη στρατηγική μετάβασης της

26 απόλυτης πίεσης της πολλαπλής και του χρόνου που απαιτείται για την εξάτμιση του καυσίμου [21]. Ως επακόλουθο, οι «πλούσιες» συνθήκες που επικρατούν μετά την αρχική ανάφλεξη του κινητήρα παράγουν υψηλές συγκεντρώσεις HC και NO, οι οποίες ενισχύονται όσο ψυχρότερες είναι οι συνθήκες, αφού απαιτείται μεγαλύτερη ποσότητα καυσίμου για την καύση με πιο κρύο, άρα και υψηλότερης πυκνότητας, αέρα [22]. Σε αντίθεση με τα diesel οχήματα, στα οποία η ψυχρή εκκίνηση έχει ισχυρότερο αντίκτυπο στις εκπομπές CO και μικρότερο στις εκπομπές HC [10], στους βενζινοκινητήρες είναι αισθητά σημαντικότερα τα HC κατά την ψυχρή εκκίνηση [11]. Κατά την επανέναυση του κινητήρα μετά από περίοδο σβησίματος παρουσιάζεται, επίσης, το πρόβλημα των υψηλών εκπομπών NO x. Σε μελέτη ενός υβριδικού ηλεκτρικού βενζινοκινητήρα παρατηρήθηκε στα αποτελέσματα επικυρωμένου μοντέλου προσομοίωσης ένα ποσοστό αύξησης των NO x μεγαλύτερο του 50% στη διάρκεια της θέρμανσης, πολύ υψηλότερο από το αντίστοιχο ποσοστό στην περίπτωση συμβατικού οχήματος. Αιτία αυτού του φαινομένου είναι το γεγονός ότι μία μεγάλη ποσότητα οξυγόνου αποθηκεύεται στον τριοδικό καταλύτη κατά τη διάρκεια της ηλεκτροκίνησης (όσο ο κινητήρας είναι σβηστός), οπότε και μηδενική η ροή μάζας. Ο καταλύτης είναι, λοιπόν, πλούσιος σε οξυγόνο κατά την επανεκκίνηση του κινητήρα, εμποδίζοντας έτσι τη μείωση των NO x [23]. Όταν ο βενζινοκινητήρας ενός οχήματος λειτουργεί σταθερά σε μερικό φορτίο το μείγμα είναι στοιχειομετρικό: η ECU χρησιμοποιεί ως διορθωτική παράμετρο το οξυγόνο του αισθητήρα λάμδα και ρυθμίζει την έγχυση καυσίμου έτσι, ώστε να επιτυγχάνεται η καλύτερη αναλογία αέρα/καυσίμου που ελαχιστοποιεί την παραγωγή εκπομπών και μεγιστοποιεί την απόδοση του καταλύτη. Ως αποτέλεσμα, οι εκπομπές CO, NO x και HC σε αυτές τις συνθήκες οδήγησης είναι πολύ χαμηλές [20]. Από την άλλη μεριά, οι ξαφνικές αλλαγές στην επιτάχυνση είναι μία από τις κύριες αιτίες αυξημένων εκπομπών μετά την περίπτωση της κρύας εκκίνησης και μπορούν να μελετηθούν, παραδείγματος χάριν, στους νομοθετημένους κύκλους οδήγησης ARTEMIS, όπου και υπάρχουν τέτοιες συνθήκες. Ο μετριασμός των αυξημένων εκπομπών ρύπων εξαιτίας τέτοιων αλλαγών στην επιτάχυνση αποτελούν ένα από τα βασικότερα πλεονεκτήματα των υβριδικών τεχνολογιών, οι οποίες παρουσιάζουν στην πραγματικότητα πολύ καλύτερη απόδοση σε σχέση με των συμβατικών οχημάτων σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης από ό,τι σε νομοθετημένους κύκλους [20]. Στην Εικόνα 22 παρουσιάζονται συγκριτικά τα αποτελέσματα μετρήσεων εκπομπών CO, HC και NO x κατάντη του καταλύτη σε δυναμομετρική πέδη από τρεις κύκλους Artemis (Urban, Road και Motorway) σε Euro 4 υβριδικό όχημα βενζίνης, Honda Civic Hybrid, και σε Euro 4 συμβατικό όχημα 1.6l, Alfa Romeo 147. Οι μετρήσεις έγιναν με θερμή εκκίνηση και, στην περίπτωση του υβριδικού, το επίπεδο φόρτισης της μπαταρίας στο τέλος κάθε κύκλου ήταν το ίδιο με αυτό στην αρχή του. Παρατηρείται αισθητή διαφοροποίηση των εκπομπών μεταξύ των δύο οχημάτων, ιδιαιτέρως στην περίπτωση των εκπομπών CO, οι οποίες είναι εμφανώς χαμηλότερες στην περίπτωση του υβριδικού (3.5 έως 40 φορές κάτω). Σχεδόν μηδενικές είναι και οι εκπομπές του σε NO x και HC [20].

27 Εικόνα 22 Επίπεδα εκπομπών για το Honda Civic Hybrid (αριστερά) και το Alfa Romeo 147 (δεξιά) στους τρεις κύκλους Artemis [20] Οι συχνές ανατροπές στην επιτάχυνση που εμφανίζουν οι κύκλοι Artemis, λοιπόν, ευθύνονται κυρίως για τη μειωμένη απόδοση του συμβατικού οχήματος σε σχέση με του υβριδικού αναφορικά με τις εκπομπές ρύπων. Όταν η επιτάχυνση ξαφνικά αλλάζει, το υβριδικό όχημα φαίνεται να είναι σε θέση να αντιμετωπίσει αυτήν την αλλαγή χρησιμοποιώντας τον ηλεκτροκινητήρα, χωρίς να διαταραχθεί η κατάσταση λειτουργίας της μηχανής εσωτερικής καύσης. Αντιθέτως, στο συμβατικό όχημα οι συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα εξαναγκάζονται να διαφοροποιούνται με αποτέλεσμα τον προσωρινό εμπλουτισμό του μείγματος αέρακαυσίμου, φαινόμενο το οποίο καθιστά τον καταλυτικό μετατροπέα προσωρινά μη ενεργό [20]. Στην Εικόνα 23 ως και την Εικόνα 26 που ακολουθούν παρουσιάζονται συγκριτικά οι εκπομπές κατάντη των αντιρρυπαντικών συσκευών για έξι διαφορετικά οχήματα, με το τέταρτο στη σειρά (όχημα D) να είναι ένα Euro 5 βενζινοκίνητο υβριδικό όχημα με ονομαστικό βαθμό φόρτισης μπαταρίας και τριοδικό καταλύτη, όπως δείχνει και ο Πίνακας 1. Τα οχήματα αυτά μετρήθηκαν σε δυναμομετρική πέδη για τρεις διαφορετικούς κύκλους οδήγησης με τρεις επαναλήψεις για τον καθένα και δύο για το υβριδικό: New European Driving Cycle (NEDC), World-harmonized Light vehicles Test Cycle (WLTC) με κρύα εκκίνηση και Common Artemis Driving Cycle (CADC) [13].

28 Πίνακας 1 Λίστα με τα χαρακτηριστικά των έξι οχημάτων που μετρήθηκαν Εστιάζοντας στην περίπτωση του υβριδικού οχήματος, είναι φανερό πως στον NEDC παρουσιάζονται πολλαπλάσιες εκπομπές HC συγκριτικά με τους άλλους δύο κύκλους, ενώ δεν ακολουθείται η ίδια συμπεριφορά για τους υπόλοιπους ρύπους. Εικόνα 23 Συγκριτικά εκπομπών THC για 3 διαφορετικούς κύκλους οδήγησης στους 25 C [13]

29 Εικόνα 24 Συγκριτικά εκπομπών CO για 3 διαφορετικούς κύκλους οδήγησης στους 25 C [13] Οι εκπομπές NO x είναι ιδιαιτέρως χαμηλές και εντός ορίων Euro 6, ακόμη και στην περίπτωση του CADC, στον οποίο τα περισσότερα από τα υπόλοιπα οχήματα παρουσιάζουν τις υψηλότερες τιμές, σε αντίθεση με το υβριδικό, για τους λόγους που προαναφέρθηκαν [13]. Εικόνα 25 Συγκριτικά εκπομπών NOx για 3 διαφορετικούς κύκλους οδήγησης στους 25 C [13]

30 Εικόνα 26 Συγκριτικά εκπομπών NO2 για 3 διαφορετικούς κύκλους οδήγησης στους 25 C [13] Εκτός από την περίπτωση του ονομαστικού βαθμού φόρτισης της μπαταρίας, μετρήθηκαν και δύο άλλοι βαθμοί, ο ελάχιστος και ο μέγιστος, με δύο επαναλήψεις για τον καθένα για κάθε κύκλο οδήγησης. Τα συγκριτικά αποτελέσματα των εκπομπών παρουσιάζονται στις Εικόνα 27 και Εικόνα 28 που ακολουθούν [13]. Εικόνα 27 Συγκριτικά εκπομπών THC του υβριδικού οχήματος για τρεις διαφορετικούς βαθμούς φόρτισης της μπαταρίας και δύο διαφορετικές θερμοκρασίες περιβάλλοντος [13] Σε κάθε θερμοκρασία φαίνεται πως είναι μικρή ή δεν υπάρχει καθόλου επιρροή του βαθμού φόρτισης στις εκπομπές HC για κάθε διαφορετικό κύκλο οδήγησης που μετρήθηκε. Στην περίπτωση σύγκρισης των εκπομπών HC μεταξύ των δύο διαφορετικών θερμοκρασιών -7 και 25 C, όμως, είναι εξαιρετικά μεγάλη η διαφορά.

31 Εικόνα 28 Συγκριτικά εκπομπών NOx του υβριδικού οχήματος για τρεις διαφορετικούς βαθμούς φόρτισης της μπαταρίας και δύο διαφορετικές θερμοκρασίες [13] Αξιοσημείωτο είναι, επίσης, το γεγονός των πολύ χαμηλών εκπομπών NO x κατά τη μέτρηση όλων των κύκλων οδήγησης, όπως ήδη αναφέρθηκε, ιδιαιτέρως του CADC, ενός πολύ μεταβατικού κύκλου. Η ίδια συμπεριφορά παρατηρείται ακόμα και στις μετρήσεις στη χαμηλή θερμοκρασία (- 7 C). Στις περιπτώσεις που ο βενζινοκινητήρας λειτουργεί συχνότερα, δηλαδή όταν ο βαθμός φόρτισης της μπαταρίας είναι ελάχιστος, οι εκπομπές NO x τείνουν να είναι υψηλότερες, ιδιαιτέρως στις χαμηλές θερμοκρασίες. Τα παραπάνω συμπεράσματα σχετικά με την επίδραση της θερμοκρασίας περιβάλλοντος στις εκπομπές ρύπων των HEV επιβεβαιώνονται και από μία ακόμη μελέτη, κατά την οποία έγιναν μετρήσεις για πέντε διαφορετικά βενζινοκίνητα υβριδικά οχήματα, τα βασικά χαρακτηριστικά των οποίων παρουσιάζει ο Πίνακας 2 κάτωθι. Πίνακας 2 Βασικά χαρακτηριστικά από 5 συγκρινόμενα HEV [24] Στην Εικόνα 29 [24] παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων πρόσθετων εκπομπών ψυχρής εκκίνησης (CSEE) κατάντη των αντιρρυπαντικών συσκευών για τα πέντε διαφορετικά βενζινοκίνητα υβριδικά συγκρινόμενα με τον αντίστοιχο μέσο όρο των μετρημένων τιμών CSEE

32 διαφόρων συμβατικών Euro 4 βενζινοκίνητων οχημάτων σε τρεις διαφορετικές θερμοκρασίες περιβάλλοντος (-7 C, 8 C και 23 C) [25]. Εικόνα 29 Μετρημένες τιμές CSEE για τρεις διαφορετικές τιμές θερμοκρασίας περιβάλλοντος [24] Παρατηρείται πως σε όλες τις θερμοκρασίες οι πρόσθετες εκπομπές ψυχρής εκκίνησης είναι μειωμένες κατά 30% έως 85% κατά μέσο όρο συγκρινόμενες με τις αντίστοιχες τιμές των συμβατικών της ίδιας πιστοποιημένης κατηγορίας, παρά το γεγονός ότι δε συμβαίνει το ίδιο με τις εκπομπές CO 2 και την κατανάλωση καυσίμου. Οι τιμές των δύο τελευταίων για τα HEV εμφανίζονται παρόμοιες με εκείνες των συμβατικών. Το φαινόμενο αυτό μπορεί να εξηγηθεί αν ληφθούν υπόψιν τα ειδικά χαρακτηριστικά των HEV, στα οποία η ηλεκτρική βοήθεια επιτρέπει μία προσαρμοσμένη και πιο επιλεκτική λειτουργία θέρμανσης. Εκτός από την εξοικονόμηση καυσίμου και τη μείωση εκπομπών CO 2 κατά την οδήγηση, το χαρακτηριστικό αυτό επιτρέπει μια πιο γρήγορη θέρμανση του τριοδικού καταλύτη που αποτρέπει την έντονη εκπομπή νομοθετημένων ρύπων κατά τη διάρκεια αυτή της περιόδου, διατηρώντας με τον τρόπο αυτόν τα CSEE σε συγκριτικά χαμηλά επίπεδα. Από την άλλη πλευρά, η χρησιμοποίηση πρόσθετου καυσίμου για τη θέρμανση του συστήματος εξάτμισης αυξάνει και την κατανάλωση, με επακόλουθο και την αντίστοιχη αύξηση στις εκπομπές CO 2 [24]. Αυτό συνεπάγεται μια έντονη ανάγκη για ανάπτυξη βελτιωμένων στρατηγικών διαχείρισης των υβριδικών κινητήρων [19], ίσως ταυτόχρονα με τη χρήση ελέγχου θερμότητας στην εξάτμιση για την ενίσχυση των θερμοκρασιών εντός του καταλύτη, διαδικασίες λιγότερο ενεργοβόρες από τη θέρμανση των αντιρρυπαντικών συσκευών. Μία τέτοια εφαρμογή

33 θα μπορούσε να είναι η μόνωση του καταλύτη, πρακτική που επιδέχεται περισσότερη διερεύνηση. Στην Εικόνα 30 δίνονται ενδεικτικά τρεις περιπτώσεις χρήσης θερμομόνωσης στις εκπομπές NO x, όπως αυτές υπολογίζονται με χρήση μοντέλου προσομοίωσης [26]. Εικόνα 30 Επίπτωση της θερμομόνωσης σε προσομοιωμένες εκπομπές NOx για 3 υβριδικές εφαρμογές (αριστερά) και της διαφυγής αμμωνίας από το diesel-scr υβριδικό (δεξιά) [26] Μία διαφορετική προσέγγιση για τη διατήρηση της θερμοκρασίας του τριοδικού καταλύτη στις κατάλληλες θερμοκρασιακές συνθήκες λειτουργίας χρησιμοποιείται στο Toyota Prius. Η τεχνική αυτή, η οποία παρουσιάζεται στην Εικόνα 31, περιλαμβάνει τη χρησιμοποίηση του υψηλής θερμοκρασίας ψυκτικού υγρού για τη θέρμανση του TWC και τη διατήρησή του σε υψηλές θερμοκρασίες όσο ο βενζινοκινητήρας είναι σβηστός. Εικόνα 31 Τεχνική θέρμανσης του καταλύτη που χρησιμοποιείται στο Toyota Prius

34 Ο επερχόμενος ευρωπαϊκός κανονισμός Euro 6c πρόκειται να εντάξει τις εκπομπές καυσαερίων σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης (RDE) στο ισχύον καθεστώς έγκρισης τύπου εντός των επόμενων ετών, δεδομένου ότι η τρέχουσα νομοθεσία με τον NEDC δεν καλύπτει ολόκληρο το εύρος ταχύτητας και φορτίου του κινητήρα, και είναι πιθανόν στο μέλλον η χρήση του συγκεκριμένου κύκλου οδήγησης να περιορίζεται μόνο στον προσδιορισμό των εκπομπών CO 2 [27-32]. Η νομοθεσία RDE για τα επιβατικά οχήματα ανοίγει το δρόμο για ένα νέο περιβάλλον ελέγχου και πιστοποίησης των εκπομπών. Το νέο καθεστώς θα απαιτεί «καθαρά» οχήματα υπό όλες τις συνθήκες λειτουργίας. Το γεγονός αυτό πρόκειται να εισάγει σημαντικές προκλήσεις αναφορικά με το σχεδιασμό, την ανάπτυξη και τη βαθμονόμηση των κινητήρων και των συστημάτων μετεπεξεργασίας των καυσαερίων, καθώς το RDE διευρύνει τη λειτουργία τής ΜΕΚ σε ολόκληρο το χάρτη λειτουργίας της, με τεράστιες συνέπειες στην εφαρμογή, ιδιαιτέρως για τους βενζινοκινητήρες, λόγω της εξόδου από την περιοχή της στοιχειομετρικής λειτουργίας. Είναι προφανές πως η επικύρωση όλων των περιπτώσεων πειραματικών δοκιμών θα ήταν σχεδόν αδύνατον να πραγματοποιείται σε πραγματικά οχήματα για κάθε αυτοκινητοβιομηχανία λόγω του υψηλού κόστους και της περιορισμένης διαθεσιμότητας πρωτότυπων οχημάτων. Επιπροσθέτως, ο αριθμός των απαιτούμενων μετρητικών εγκαταστάσεων, οι οποίες θα έπρεπε να αναπτύξουν ακόμη και προσομοίωση υψομέτρου με πραγματικές διατάξεις, θα τις καθιστούσε ουσιαστικά μη προσιτές [32]. Ως εκ τούτου, δεδομένης της πολυπλοκότητας και του υψηλού οικονομικού κόστους για τη διεξαγωγή τέτοιων χρονοβόρων μετρήσεων με φορητές συσκευές μέτρησης εκπομπών ρύπων (PEMS), η ανάγκη για ανάπτυξη επικυρωμένων μοντέλων προσομοίωσης προκειμένου να μελετηθεί η συμπεριφορά των νομοθετημένων εκπομπών ρύπων σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης καθίσταται επιτακτική. Πρόσφατα διεξήχθησαν μελέτες βασισμένες σε μοντέλα προς το στόχο αυτόν, βάσει πρόσφατων πειραματικών μετρήσεων με PEMS [30, 33-36] συμπεριλαμβανομένων μοντέλων Hil/SiL [31], EiL [37], και EiL για υβριδικές εφαρμογές [38]. Στην κατεύθυνση αυτήν αναπτύχθηκε ένα μοντέλο ολοκληρωμένου οχήματος, αποτελούμενο από τα υπομοντέλα βενζινοκινητήρα εσωτερικής καύσης, υβριδοποίησης και συστήματος μετεπεξεργασίας καυσαερίων με εφαρμογή τριοδικού καταλύτη (TWC) [39][40][41][42]. Η εφαρμογή τού αναπτυχθέντος μοντέλου προσανατολίσθηκε κυρίως στην προσέγγιση βελτιστοποίησης των βενζινοκίνητων ηλεκτρικών υβριδικών οχημάτων σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης αναφορικά με τις ρυπογόνες εκπομπές καυσαερίων, με απώτερο στόχο τη συμμόρφωσή τους στα Euro 6c όρια και την επερχόμενη RDE νομοθεσία [43-45].

35 3 Ημιεμπειρικό μοντέλο κινητήρα Για τη μοντελοποίηση κινητήρα πετρελαίου και βενζίνης αρχικά δημιουργήθηκαν χάρτες εκπομπών καυσαερίων CO, HC και NO x για συνθήκες σταθερής λειτουργίας, οι οποίοι επαυξήθηκαν με κατάλληλα διορθωτικά υπομοντέλα για την επίτευξη της πρόβλεψης των εκπομπών αυτών σε συνθήκες μεταβατικής λειτουργίας. Σε επόμενο στάδιο, δημιουργήθηκαν οι αντίστοιχοι χάρτες για την πρόβλεψη της ροής μάζας και της θερμοκρασίας καυσαερίου ώστε, σε συνδυασμό με το μοντέλο πρόβλεψης εκπομπών που αναπτύχθηκε, να επιτευχθεί η προσομοίωση λειτουργίας του κινητήρα συνολικά. Τα βήματα περιγράφονται αναλυτικότερα στις ενότητες που ακολουθούν. 3.1 Μοντέλο πρόβλεψης εκπομπών καυσαερίων κινητήρα πετρελαίου 3.1.1 Περιγραφή του γενικού μοντέλου Για τη μοντελοποίηση των εκπομπών κινητήρα diesel δημιουργήθηκαν χάρτες σταθερής λειτουργίας (steady-state maps) [1] για κάθε μία από τις εκπομπές καυσαερίων CO, HC και NO x. Ο κινητήρας που χρησιμοποιήθηκε είναι ο Toyota 1ND, προδιαγραφών Euro 5 και κυβισμού 1.4l, ο οποίος αποτελεί εξοπλισμό τού ΕΕΘ. Έγιναν μετρήσεις για το συνολικό εύρος λειτουργίας του κινητήρα και ελήφθησαν συγκεκριμένες τιμές για τις εκπομπές καυσαερίων σε 46 σημεία λειτουργίας που αποτελούν συγκεκριμένους συνδυασμούς ροπής-στροφών κινητήρα. Με τις μεθόδους της παρεμβολής (interpolation) και προεκβολής (extrapolation) στο υπολογιστικό περιβάλλον του MATLAB εξήχθησαν οι χάρτες των μεγεθών για εύρος 500-4000rpm και βήμα 100rpm για τις στροφές του κινητήρα και 0-200Nm και βήμα 5Nm για τη ροπή. Για τη δημιουργία των χαρτών χρησιμοποιήθηκε η συνάρτηση «gridfit» του MATLAB και επιλέχθηκε η μέθοδος της γραμμικής παλινδρόμησης (bilinear) με εξομάλυνση (smoothness) 0.1 και backslash (\) επιλυτή ως αυτή με τα βέλτιστα αποτελέσματα. Για τα πιθανά σημεία λειτουργίας εκτός της χαρτογραφημένης περιοχής έγινε προεκβολή (extrapolation) με τη μέθοδο gradient, η οποία εξασφαλίζει την ομαλότητα των κλίσεων και πέρα από τα όρια του πλέγματος. Οι χάρτες που εξήχθησαν παρουσιάζονται στην Εικόνα 32, την Εικόνα 33 και την Εικόνα 34 για τις εκπομπές CO, HC και NO x, αντίστοιχα.

36 Εικόνα 32 Χάρτης εκπομπών CO Εικόνα 33 Χάρτης εκπομπών HC

37 Εικόνα 34 Χάρτης εκπομπών NOx Για την επαλήθευση του μοντέλου χρησιμοποιήθηκαν πειραματικά δεδομένα από κύκλους οδήγησης NEDC με θερμή ή ψυχρή εκκίνηση από μετρήσεις που διεξήχθησαν με τον ίδιο κινητήρα του ΕΕΘ. Για κάθε σημείο των χρονοσειρών δεδομένων που αποτελεί ένα συγκεκριμένο ζεύγος τιμών ροπής-στροφών κινητήρα εκτιμήθηκαν με τη μέθοδο της παρεμβολής από τους χάρτες οι τιμές των εκπομπών CO, HC και NO x. Στην πρώτη αυτή εκτίμηση των τιμών εφαρμόσθηκαν διορθώσεις άνω και κάτω ορίων, μέγιστης διαφοράς μεταξύ δύο διαδοχικών σημείων της χρονοσειράς, καθώς και διορθώσεις για τις περιόδους στις οποίες διακόπτεται η παροχή καυσίμου (fuel cut off). Αναφορικά με τις τελευταίες, θεωρήθηκε πως κατά τη διακοπή λειτουργίας του κινητήρα, οπότε και η παροχή καυσίμου είναι μηδενική, δεν υπάρχουν καθόλου εκπομπές ρύπων, παρά το γεγονός πως οι τιμές που επιστρέφει ο χάρτης για τα συγκεκριμένα σημεία είναι μη μηδενικές. Η ύπαρξη αυτού του φαινομένου, το οποίο οφείλεται στην υστέρηση μεταξύ της χρονικής στιγμής που σβήνει ο κινητήρας και της στιγμής που πραγματικά εκμηδενίζονται οι τιμές των εκπομπών στο σημείο της μέτρησης, απαιτεί αυτήν την επιπρόσθετη διόρθωση που προαναφέρθηκε. Ως εκ τούτου, μετά από μεγάλο αριθμό δοκιμών δημιουργήθηκε και εφαρμόσθηκε η συνθήκη όταν η ταχύτητα του κινητήρα είναι χαμηλότερη των 1700rpm και ταυτόχρονα η παροχή καυσίμου χαμηλότερη ή ίση των 0.35kg/h η τιμή των εκπομπών CO και NO x να είναι μηδέν: If 1700 && ṁ 0.35/ then 0 and 0 Για τα HC δεν εφαρμόσθηκε η ίδια συνθήκη λόγω της πιθανής ύπαρξης του φαινομένου fuel-film που είναι υπεύθυνο για την εμφάνιση υδρογονανθράκων ακόμη και μετά τη διακοπή λειτουργίας του κινητήρα [46, 47].

38 3.1.2 Ενισχυμένο μοντέλο πρόβλεψης για περιόδους ψυχρής εκκίνησης του κινητήρα Μία ακόμα διόρθωση που κρίθηκε απαραίτητο να ενσωματωθεί στο μοντέλο πρόβλεψης εκτός από εκείνες που αναφέρθηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο είναι η διόρθωση για τις πρόσθετες εκπομπές λόγω ψυχρής εκκίνησης (cold start extra emissions CSEE). Όπως είναι γνωστό, όταν η λειτουργία του κινητήρα ξεκινάει από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος ή χαμηλότερη από τη θερμοκρασία λειτουργίας του ακολουθεί μία χρονική περίοδος κατά τη διάρκεια της οποίας διαφοροποιούνται οι εκπομπές καυσαερίων. Κατά την πρώτη φάση ψυχρής εκκίνησης, την οποία αποτελεί η στιγμή της έναυσης, αλλά και στη δεύτερη φάση, κατά την οποία θερμαίνεται ο κινητήρας και το σύστημα εξάτμισης με τις αντιρρυπαντικές συσκευές, το σύστημα ψύξης και λίπανσης του κινητήρα θερμαίνεται σταδιακά, απορροφώντας ένα μεγάλο ποσοστό της θερμότητας των προϊόντων της καύσης [48]. Στην περίπτωση των κινητήρων diesel η ψυχρή εκκίνηση έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση των τιμών εκπομπών CO και HC, με ισχυρότερο αντίκτυπο στις εκπομπές CO και μικρότερο στις εκπομπές HC, όπως έχει ήδη επισημανθεί στο δεύτερο κεφάλαιο [10]. Αντιθέτως με τα CO και HC, η συγκέντρωση των NO x είναι χαμηλότερη κατά την ψυχρή εκκίνηση λόγω της χαμηλής θερμοκρασίας καύσης, η οποία δεν είναι ευνοϊκή για το σχηματισμό τους. Για τον υπολογισμό των διορθωμένων τιμών των εκπομπών ρύπων χρησιμοποιήθηκε ένας συντελεστής διόρθωσης για κάθε ένα από τα CO και HC, ο οποίος αποτελεί συνάρτηση της θερμοκρασίας του ψυκτικού μέσου, όσο αυτή είναι χαμηλότερη των 85 C:! (# $%%&'() ), για # $%%&'() 85 ( 1 ) Για τις περιπτώσεις που δεν υπάρχουν δεδομένα για τη θερμοκρασία του ψυκτικού μέσου η τελευταία υπολογίσθηκε ως συνάρτηση των απωλειών θερμότητας, που με τη σειρά τους αποτελούν συνάρτηση της ροής μάζας καυσίμου: # $%%&'() = 1 (2 3 ) και 2 3 = 5 (ṁ ), για # $%%&'() <85 ( 2 ) Η θερμότητα που απορροφά συνολικά το σύστημα ψύξης θεωρήθηκε ίση με το ένα τρίτο της θερμογόνου δύναμης του diesel καυσίμου που εγχύεται κατά τη διάρκεια της καύσης και υπολογίσθηκε από τη Σχέση ( 3 ) που ακολουθεί: 2 3 = 1 3 43.1 ṁ ( 3 ) Βάσει των παραπάνω, ο υπολογισμός της θερμοκρασίας του ψυκτικού μέσου μπορεί να εκτιμηθεί με χρήση της Σχέσης ( 4 ): # $%%&'() = 8 10 9!: 2 5 3 6 10 9= 2 1 3 +0.0298 2 3 +28.218, με 1 = 0.9985 ( 4 ) Στην Εικόνα 35 που ακολουθεί είναι φανερό πως η χρήση της υπολογισμένης θερμοκρασίας ψυκτικού μπορεί με μεγάλη ακρίβεια να αντικαταστήσει τη χρήση της πραγματικών δεδομένων, στην περίπτωση που αυτά δεν είναι διαθέσιμα.

39 Εικόνα 35 Υπολογισμός της θερμοκρασίας ψυκτικού συναρτήσει των απωλειών θερμότητας κατά την ψυχρή εκκίνηση σε NEDC Μετά τον υπολογισμό των ανωτέρω μεγεθών είναι δυνατή και η διερεύνηση των συντελεστών διόρθωσης λόγω ψυχρής εκκίνησης για τις εκπομπές CO και HC. Ο λόγος των πειραματικών τιμών εκπομπών που μετρήθηκαν κατά τη διάρκεια του NEDC προς τις αντίστοιχες τιμές που υπολογίζει το μοντέλο πριν την εφαρμογή της διόρθωσης παρίσταται συναρτήσει της θερμοκρασίας ψυκτικού μέσου, όσο αυτή είναι χαμηλότερη των 85 C. Από τα διαγράμματα προκύπτει και η γραμμή τάσης για κάθε ένα από τα CO και HC, η οποία αποτελεί στην ουσία και το συντελεστή διόρθωσης ως συνάρτηση της θερμοκρασίας ψυκτικού. Οι σχέσεις ( 5 ) και ( 6 ) που επιλέχθηκαν συγκεκριμένα για τον υπολογισμό των συντελεστών ως βέλτιστες είναι δευτέρου βαθμού και δίδονται παρακάτω: BC = 26.24601 10 9D # $%%&'() 1 ;49.57953 10 95 # $%%&'() >3.1629 ( 5 ) EB 11.37863 10 9D # $%%&'() 1 ;16.26434 10 95 # $%%&'() >1.5386 ( 6 ) για # $%%&'() 85, ενώ για # $%%&'() F85 οι συντελεστές διόρθωσης είναι όλοι ίσοι με τη μονάδα, δηλαδή δεν υφίσταται διόρθωση στις υπολογισμένες τιμές.

40 3.1.3 Παρουσίαση αποτελεσμάτων για κύκλο οδήγησης NEDC με θερμή εκκίνηση του κινητήρα Παρακάτω παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της πρόβλεψης που προέκυψαν μετά την εφαρμογή του μοντέλου για το νομοθετημένο κύκλο οδήγησης NEDC. Στην Εικόνα 36 απεικονίζεται η σύγκριση μεταξύ των πειραματικών τιμών εκπομπών μονοξειδίου του άνθρακα που μετρήθηκαν κατά τη διάρκεια του NEDC στον κινητήρα (exp) και των αντίστοιχων τιμών που προβλέφθηκαν με τη χρήση του μοντέλου (calc). Αντίστοιχη σύγκριση για τις πειραματικές και υπολογισμένες αθροιστικές τιμές εκπομπών CO κατά τη διάρκεια της ίδιας χρονοσειράς για τον NEDC παρουσιάζεται στην Εικόνα 37 που ακολουθεί. CO concentration [ppm] 1400 1200 1000 800 600 400 200 exp calc 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Time [s] Εικόνα 36 Πρόβλεψη στιγμιαίων τιμών CO κατά τη διάρκεια ενός NEDC με θερμή εκκίνηση

41 CO cumulative mass [g] 2.5 2 1.5 1 0.5 exp calc 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Time [s] Εικόνα 37 Συγκριτικό διάγραμμα αθροιστικών εκπομπών CO κατά τη διάρκεια ενός NEDC με θερμή εκκίνηση Η Εικόνα 38 παρουσιάζει τις τιμές που προβλέπει το μοντέλο για τις στιγμιαίες τιμές εκπομπών άκαυστων υδρογονανθράκων στη διάρκεια του NEDC με θερμή εκκίνηση κινητήρα συγκρινόμενες με τις αντίστοιχες πειραματικές τιμές για τον ίδιο κύκλο οδήγησης. Το διάγραμμα για τις αντίστοιχες αθροιστικές εκπομπές των HC δίνεται στην Εικόνα 39 παρακάτω.

42 500 450 exp calc HC concentration [ppm] 400 350 300 250 200 150 100 0 200 400 600 800 1000 1200 Time [s] Εικόνα 38 Πρόβλεψη στιγμιαίων τιμών HC κατά τη διάρκεια ενός NEDC με θερμή εκκίνηση HC cumulative mass [g] 2 1.5 1 0.5 exp calc 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Time [s] Εικόνα 39 Συγκριτικό διάγραμμα αθροιστικών εκπομπών HC κατά τη διάρκεια ενός NEDC με θερμή εκκίνηση Τα αντίστοιχα συγκριτικά διαγράμματα μεταξύ πειραματικών και υπολογισμένων στιγμιαίων και αθροιστικών τιμών εκπομπών για τα οξείδια του αζώτου (NO x) στη διάρκεια του NEDC με θερμή

43 εκκίνηση παρουσιάζονται στην Εικόνα 40 και την Εικόνα 41 κάτωθι. NO x concentration [ppm] 800 700 600 500 400 300 200 100 exp calc 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Time [s] Εικόνα 40 Πρόβλεψη στιγμιαίων τιμών NOx κατά τη διάρκεια ενός NEDC με θερμή εκκίνηση NO x cumulative mass [g] 1 0.8 0.6 0.4 0.2 exp calc 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Time [s] Εικόνα 41 Συγκριτικό διάγραμμα αθροιστικών εκπομπών NOx κατά τη διάρκεια ενός NEDC με θερμή εκκίνηση

44 3.1.4 Παρουσίαση αποτελεσμάτων για κύκλο οδήγησης NEDC με ψυχρή εκκίνηση του κινητήρα Εφαρμόζοντας το ενισχυμένο μοντέλο πρόβλεψης για περιπτώσεις που υπάρχουν περίοδοι ψυχρής εκκίνησης του κινητήρα, όπως αυτό περιγράφηκε στο παραπάνω κεφάλαιο, εξήχθησαν και οι αντίστοιχες τιμές της πρόβλεψης για τις εκπομπές CO και HC. Για την παρατήρηση των αποτελεσμάτων και το βαθμό διόρθωσής τους δίνονται συγκριτικά με τις αντίστοιχες πειραματικές τιμές και των τιμών που προβλέπει το απλό μοντέλο, δίχως την εφαρμογή της διόρθωσης για την ψυχρή εκκίνηση. Στην Εικόνα 42 δίνεται το συγκριτικό διάγραμμα για τις αθροιστικές εκπομπές CO κατά τη διάρκεια του NEDC με ψυχρή εκκίνηση. Είναι εμφανές πως η βελτίωση που επιφέρει η χρήση του ενισχυμένου μοντέλου είναι σημαντική και αγγίζει το 11.6%, ενώ το σφάλμα μειώνεται σε μόλις 5.6% σχετικά με τις πραγματικές τιμές εκπομπών CO. CO cumulative mass [g] 3 2.5 2 1.5 1 0.5 exp calc calc with csee 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Time [s] Εικόνα 42 Συγκριτικό διάγραμμα αθροιστικών εκπομπών CO κατά τη διάρκεια ενός NEDC με ψυχρή εκκίνηση Αντίστοιχο διάγραμμα των υπολογισμένων αθροιστικών τιμών εκπομπών HC κατά τη διάρκεια του ίδιου NEDC με ψυχρή εκκίνηση κινητήρα από το ενισχυμένο μοντέλο πρόβλεψης συγκριτικά με τις αντίστοιχες υπολογισμένες τιμές που εξάγει το απλό μοντέλο και τις πειραματικές τιμές παρουσιάζεται στην Εικόνα 43 που ακολουθεί. Όπως και στην περίπτωση της πρόβλεψης των τιμών των εκπομπών CO, έτσι και στην πρόβλεψη των HC η διόρθωση που επιφέρει η εφαρμογή του ενισχυμένου μοντέλου CSEE είναι της τάξης τού 3.6%, ενώ το σφάλμα μειώνεται σε τιμή μικρότερη του 1.2% επί των πραγματικών αθροιστικών τιμών CO.

45 HC cumulative mass [g] 2 1.5 1 0.5 exp calc calc with csee 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Time [s] Εικόνα 43 Συγκριτικό διάγραμμα αθροιστικών εκπομπών HC κατά τη διάρκεια ενός NEDC με ψυχρή εκκίνηση Στην Εικόνα 44 δίνεται το συγκριτικό διάγραμμα των αθροιστικών εκπομπών NO x τεσσάρων διαδοχικών NEDC, εκ των οποίων ο πρώτος εκτελείται με κρύα εκκίνηση, όπου παρατηρείται εξίσου καλή ταύτιση μεταξύ μετρημένων και υπολογισμένων από το μοντέλο τιμών. 3.5 3 exp calc NO x cumulative mass [g] 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Time [s]

46 Εικόνα 44 Συγκριτικό διάγραμμα αθροιστικών εκπομπών NOx κατά τη διάρκεια τεσσάρων διαδοχικών NEDC (με ψυχρή εκκίνηση στον πρώτο) 3.2 Προσομοίωση κινητήρα πετρελαίου 3.2.1 Περιγραφή του γενικού μοντέλου Για τη μοντελοποίηση κινητήρα diesel δημιουργήθηκαν χάρτες σταθερής λειτουργίας (steadystate maps) για τη θερμοκρασία καυσαερίου (after-turbo), τη ροή μάζας καυσαερίου και για κάθε μία από τις εκπομπές καυσαερίων CO, HC και NO x. Χρησιμοποιήθηκε ο ίδιος κινητήρας της προηγούμενης ενότητας, ο Toyota 1ND, προδιαγραφών Euro 5 και κυβισμού 1.4l, του ΕΕΘ. Έγιναν μετρήσεις για το συνολικό εύρος λειτουργίας του κινητήρα και ελήφθησαν συγκεκριμένες τιμές για 46 σημεία λειτουργίας, τόσο για τη ροή μάζας, όσο και για τη θερμοκρασία καυσαερίου. Με τις μεθόδους της παρεμβολής (interpolation) και προεκβολής (extrapolation) στο υπολογιστικό περιβάλλον του MATLAB εξήχθησαν οι χάρτες των μεγεθών. Για τη δημιουργία των χαρτών χρησιμοποιήθηκε η συνάρτηση «gridfit» του MATLAB και επιλέχθηκε η μέθοδος της γραμμικής παλινδρόμησης (bilinear) με εξομάλυνση (smoothness) 0.1 και backslash (\) επιλυτή ως αυτή με τα βέλτιστα αποτελέσματα για τις περισσότερες μεταβλητές. Για τα πιθανά σημεία λειτουργίας εκτός της χαρτογραφημένης περιοχής έγινε προεκβολή (extrapolation) με τη μέθοδο gradient, η οποία εξασφαλίζει την ομαλότητα των κλίσεων και πέρα από τα όρια του πλέγματος, όπως έχει προαναφερθεί. Οι χάρτες για τη ροή μάζας και τη θερμοκρασία του καυσαερίου παρουσιάζονται στην Εικόνα 45 και την Εικόνα 46, αντίστοιχα. Εικόνα 45 Χάρτης ροής μάζας καυσαερίου

47 Εικόνα 46 Χάρτης θερμοκρασίας καυσαερίου 3.2.2 Παρουσίαση αποτελεσμάτων για κύκλο οδήγησης NEDC με θερμή εκκίνηση του κινητήρα Με την εφαρμογή του μοντέλου προσομοίωσης του κινητήρα diesel επιτυγχάνεται η πρόβλεψη της ροής μάζας καυσαερίου. Στην Εικόνα 47 παρουσιάζονται συγκριτικά οι μετρημένες τιμές της ροής μάζας κατά τη διάρκεια του NEDC με θερμή εκκίνηση και οι τιμές που εξάγει το μοντέλο για τον ίδιο κύκλο οδήγησης. 200 exp calc Mass flow rate [kg/h] 150 100 50 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Time [s] Εικόνα 47 Πρόβλεψη στιγμιαίων τιμών ροής μάζας καυσαερίου για NEDC με θερμή εκκίνηση

48 Η πρόβλεψη της θερμοκρασίας επιτυγχάνεται με προσθήκη προσομοιωτικού μοντέλου σωλήνα μετά την έξοδο του κινητήρα με χρήση του λογισμικού axiheat. Το axiheat είναι ένα πρόγραμμα προσομοίωσης σωλήνων εξάτμισης εντός της πλατφόρμας axisuite κατάλληλο για τη θερμική επίλυση μεταβατικών φαινομένων στα συστήματα εξάτμισης. Το μοντέλο προσομοίωσης του συστήματος εξάτμισης στο axiheat προβλέπει τις μεταβατικές στιγμιαίες τιμές του μονοδιάστατου πεδίου θερμοκρασίας, τόσο για τα καυσαέρια ή τον αέρα, όσο και για τα στερεά τμήματα των σωλήνων. Ο υπολογισμός βασίζεται στην επίλυση του ενεργειακού ισοζυγίου μεταξύ των καυσαερίων και των τοιχωμάτων των σωλήνων, λαμβάνοντας υπόψιν τα φαινόμενα της συναγωγής εσωτερικά και εξωτερικά (ελεύθερης και εξαναγκασμένης), της θερμικής αγωγής αξονικά και της ακτινοβολίας. Στην Εικόνα 48 παρουσιάζονται στο ίδιο διάγραμμα οι στιγμιαίες τιμές για τις θερμοκρασίες στην είσοδο και την έξοδο του σωλήνα που προσομοιώθηκε με τη βοήθεια του axiheat για τον NEDC, τα χαρακτηριστικά τού οποίου περιέχει ο Πίνακας 3. Οι τιμές εισόδου αποτελούν τις υπολογισμένες τιμές θερμοκρασιών από το μοντέλο πρόβλεψης με χρήση χάρτη που αναπτύχθηκε και περιγράφηκε παραπάνω. Length 0.8 m Internal diameter 0.065 m Inner wall thickness 0.0015 m Inner wall thermal conductivity 65 W/mK Inner wall density 7800 kg/m 3 Inner wall thermal capacity 500 J/kgK Inner wall emissivity 0.6 Πίνακας 3 Χαρακτηριστικά του σωλήνα που προσομοιώθηκε με χρήση του axiheat

49 Εικόνα 48 Διάγραμμα στιγμιαίων θερμοκρασιών στην είσοδο και την έξοδο του σωλήνα κατά τη διάρκεια του NEDC με θερμή εκκίνηση Η Εικόνα 49 αποτελεί το συγκριτικό διάγραμμα μεταξύ των τιμών που προβλέφθηκαν με χρήση του μοντέλου σωλήνα στο axiheat και των πραγματικών τιμών που μετρήθηκαν κατά τη διάρκεια του πειράματος. Εικόνα 49 Πρόβλεψη στιγμιαίων θερμοκρασιών καυσαερίου για NEDC με θερμή εκκίνηση 3.3 Μοντέλο πρόβλεψης εκπομπών καυσαερίων κινητήρα βενζίνης 3.3.1 Περιγραφή του γενικού μοντέλου Αντίστοιχα με την περίπτωση του πετρελαιοκινητήρα, για τη μοντελοποίηση των εκπομπών κινητήρα βενζίνης δημιουργήθηκαν χάρτες σταθερής λειτουργίας (steady-state maps) από πειραματικά δεδομένα για κάθε μία από τις εκπομπές καυσαερίων CO, HC και NO x, λαμβάνοντας υπόψιν τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της λειτουργίας σε συνθήκες επιβαλλόμενης ανάφλεξης. Η δημιουργία του μοντέλου πρόβλεψης εκπομπών κινητήρα βενζίνης έγινε στο πλαίσιο διπλωματικής εργασίας που εκπονήθηκε στο ΕΕΘ [49]. Ο κινητήρας που χρησιμοποιήθηκε είναι ένας υπερπληρούμενος οκτακύλινδρος βενζινοκινητήρας κυβισμού 5.0l. Από μετρήσεις στο συνολικό εύρος λειτουργίας του κινητήρα και ελήφθησαν συγκεκριμένες τιμές για τις εκπομπές καυσαερίων σε σημεία λειτουργίας συγκεκριμένων συνδυασμών ροπής-στροφών κινητήρα. Με τις μεθόδους της παρεμβολής (interpolation) και προεκβολής (extrapolation) στο υπολογιστικό περιβάλλον του MATLAB εξήχθησαν οι χάρτες των μεγεθών για εύρος τιμών 500-2500rpm για τις στροφές του κινητήρα και 0-1 για το βαθμό πλήρωσης. Για τη δημιουργία των χαρτών χρησιμοποιήθηκε η συνάρτηση «gridfit» του MATLAB και επιλέχθηκαν οι μέθοδοι της γραμμικής παλινδρόμησης (bilinear) με εξομάλυνση (smoothness) 0.1 και normal επιλύτη για τις εκπομπές HC, με αντίστοιχες επιλογές triangle/0.5/normal για τις εκπομπές CO και bilinear/0.1/lsqr για τις εκπομπές NO x, ως αυτές με

50 τα βέλτιστα αποτελέσματα. Για τα πιθανά σημεία λειτουργίας εκτός της χαρτογραφημένης περιοχής υιοθετήθηκε η λογική map-end-value, με χρήση της οποίας επιστρέφεται η οριακή τιμή του χάρτη. Οι χάρτες που εξήχθησαν παρουσιάζονται στην Εικόνα 50 που ακολουθεί. Εικόνα 50 Χάρτες εκπομπών CO, NOx, HC Για την επαλήθευση του μοντέλου χρησιμοποιήθηκαν πειραματικά δεδομένα από κύκλους οδήγησης NEDC και FTP με θερμή ή ψυχρή εκκίνηση από μετρήσεις που διεξήχθησαν με τον ίδιο κινητήρα. Για κάθε σημείο των χρονοσειρών δεδομένων που αποτελεί ένα συγκεκριμένο ζεύγος τιμών βαθμού πλήρωσης-στροφών κινητήρα εκτιμήθηκαν με τη μέθοδο της παρεμβολής από τους χάρτες οι τιμές των εκπομπών CO, HC και NO x. Στην πρώτη αυτή εκτίμηση των τιμών εφαρμόσθηκε διόρθωση για τις περιόδους στις οποίες διακόπτεται η παροχή καυσίμου (fuel cut off). Αναφορικά με τις τελευταίες, θεωρήθηκε πως κατά τη διακοπή λειτουργίας του κινητήρα, οπότε και η παροχή καυσίμου είναι μηδενική, δεν υπάρχουν καθόλου εκπομπές ρύπων, παρά το γεγονός πως οι τιμές που επιστρέφει ο χάρτης για τα συγκεκριμένα σημεία είναι μη μηδενικές. Η ύπαρξη αυτού του φαινομένου, το οποίο οφείλεται στην υστέρηση μεταξύ της χρονικής στιγμής που σβήνει ο κινητήρας και της στιγμής που πραγματικά εκμηδενίζονται οι τιμές των εκπομπών

51 στο σημείο της μέτρησης, απαιτεί αυτήν την επιπρόσθετη διόρθωση που προαναφέρθηκε, αντίστοιχα με την περίπτωση του πετρελαιοκινητήρα. Ως εκ τούτου, δημιουργήθηκε και εφαρμόσθηκε η συνθήκη όταν η παροχή καυσίμου είναι χαμηλότερη από κάποια τιμή ή ο λόγος αέρα μεγαλύτερος του 1.45, τότε οι εκπομπές CO και NO x παίρνουν μηδενικές τιμές και οι εκπομπές HC πολλαπλασιάζονται με τον αριθμητικό συντελεστή 2.2 λόγω των υπολειμμάτων άκαυστων υδρογονανθράκων στον κύλινδρο. Στην Εικόνα 51 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της αρχικής εκτίμησης του μοντέλου για περιοχές του NEDC (CO και HC) και του FTP (NO x) κύκλων οδήγησης. Εικόνα 51 Αρχική εκτίμηση του μοντέλου με παρεμβολή από τους χάρτες για κύκλους NEDC (CO και HC) και FTP (NOx)

52 3.3.2 Ενισχυμένο μοντέλο πρόβλεψης για περιόδους ψυχρής εκκίνησης του κινητήρα Στην περίπτωση των βενζινοκινητήρων η ψυχρή εκκίνηση έχει ισχυρότερο αντίκτυπο στις εκπομπές HC και μικρότερο στις εκπομπές CO, όπως έχει ήδη επισημανθεί στο δεύτερο κεφάλαιο [10]. Αντιθέτως, η συγκέντρωση των NO x είναι χαμηλότερη κατά την ψυχρή εκκίνηση λόγω της χαμηλής θερμοκρασίας καύσης, η οποία δεν είναι ευνοϊκή για το σχηματισμό τους. Αντίστοιχο μοντέλο με εκείνο που περιγράφηκε για τον πετρελαιοκινητήρα εφαρμόσθηκε και για την πρόβλεψη των εκπομπών κατά τις περιόδους ψυχρής εκκίνησης του κινητήρα βενζίνης. Με σκοπό τη διόρθωση των τιμών των εκπομπών υπολογίσθηκαν οι κατάλληλοι συντελεστές για τις εκπομπές HC και NO x για τιμές θερμοκρασίας νερού χαμηλότερες των 85 C με εφαρμογή της Σχέσης ( 7 ), ενώ στην περίπτωση των εκπομπών CO δεν εφαρμόσθηκε κάποια διόρθωση, αφού δεν παρατηρήθηκε διαφοροποίηση κατά τη φάση τής ψυχρής εκκίνησης: =! (# G')HI ), για # G')HI < 85 ( 7 ) Για τις περιπτώσεις που δεν υπάρχουν δεδομένα για τη θερμοκρασία του ψυκτικού μέσου η τελευταία υπολογίσθηκε ως συνάρτηση των απωλειών θερμότητας, όπως παρουσιάζεται στη Σχέση ( 8 ), που με τη σειρά τους αποτελούν συνάρτηση της ροής μάζας καυσίμου: # G')HI = 1 (2 3 ) και 2 3 = 5 (ṁ ), για # G')HI 85 ( 8 ) Η θερμότητα που απορροφά συνολικά το σύστημα ψύξης θεωρήθηκε ίση με το ένα τρίτο της θερμογόνου δύναμης του diesel καυσίμου που εγχύεται κατά τη διάρκεια της καύσης, όπως φαίνεται στη Σχέση ( 9 ): 2 3 1 3 43.1 ṁ ( 9 ) Βάσει των παραπάνω, ο υπολογισμός της θερμοκρασίας του ψυκτικού μέσου μπορεί να εκτιμηθεί με χρήση της Σχέσης ( 10 ): # G')HI = 6 10 9J 2 1 3 >0.0142 2 3 >25 ( 10 ) Στην Εικόνα 52 που ακολουθεί είναι φανερό πως η χρήση της υπολογισμένης θερμοκρασίας του νερού μπορεί με μεγάλη ακρίβεια να αντικαταστήσει τη χρήση της πραγματικών δεδομένων, στην περίπτωση που αυτά δεν είναι διαθέσιμα.

53 Εικόνα 52 Υπολογισμός της θερμοκρασίας του νερού συναρτήσει των απωλειών θερμότητας κατά την ψυχρή εκκίνηση σε NEDC Μετά τον υπολογισμό των ανωτέρω μεγεθών είναι δυνατή και η διερεύνηση των συντελεστών διόρθωσης λόγω ψυχρής εκκίνησης για τις εκπομπές HC και NO x. Ο λόγος των πειραματικών τιμών εκπομπών που μετρήθηκαν κατά τη διάρκεια του NEDC προς τις αντίστοιχες τιμές που υπολογίζει το μοντέλο πριν την εφαρμογή της διόρθωσης παρίσταται συναρτήσει της θερμοκρασίας ψυκτικού μέσου, όσο αυτή είναι χαμηλότερη των 85 C. Από τα διαγράμματα προκύπτει και η γραμμή τάσης για κάθε ένα από τα HC και NO x, η οποία αποτελεί στην ουσία και το συντελεστή διόρθωσης ως συνάρτηση της θερμοκρασίας ψυκτικού. Οι Σχέσεις ( 11 ), ( 12 ) και ( 13 ) που επιλέχθηκαν συγκεκριμένα για τον υπολογισμό των συντελεστών ως βέλτιστες δίδονται παρακάτω: _L = 0.00002 # G')HI 1 +0.0068 # G')HI +2.18 ( 11 ) _MNO = 0.2925 # G')HI +16.291, για # G')HI <50 και ( 12 ) _MNO = 0.0003 # G')HI 1 0.052 # G')HI +3.26, για 50 < # G')HI <85 ( 13 ) για # G')HI <85, ενώ για # G')HI 85 οι συντελεστές διόρθωσης είναι όλοι ίσοι με τη μονάδα, δηλαδή δεν υφίσταται διόρθωση στις υπολογισμένες τιμές. Για την οπτικοποίηση της επίπτωσης της εφαρμογής του μοντέλου ψυχρής εκκίνησης στην Εικόνα 53 παρουσιάζονται συγκριτικά με τις μετρημένες τιμές εκπομπών HC οι τιμές που προβλέπει το μοντέλο χωρίς, αλλά και με την εφαρμογή της συγκεκριμένης διόρθωσης για την περίπτωση της εκκίνησης ενός NEDC κύκλου οδήγησης.

54 Εικόνα 53 Διόρθωση της αρχικής πρόβλεψης στην περίπτωση NEDC με ψυχρή εκκίνηση Είναι εμφανής η θετική επίδραση της εφαρμογής της διόρθωσης στο μοντέλο, η οποία διαφαίνεται στην περίπτωση σύγκρισης πειραματικών και υπολογισμένων αθροιστικών τιμών εκπομπών HC και NO x, όπως στην Εικόνα 54 κάτωθι. Εικόνα 54 Συγκριτικό διάγραμμα μεταξύ πειραματικών και υπολογισμένων τιμών αθροιστικών εκπομπών HC και NOx κατά την ψυχρή εκκίνηση NEDC Με αντίστοιχη εφαρμογή διόρθωσης ψυχρής εκκίνησης κινητήρα στην περίπτωση του κύκλου οδήγησης FTP επιτυγχάνεται μία ανάλογα καλή πρόβλεψη τιμών εκπομπών HC και NO x, όπως παρουσιάζει η Εικόνα 55 που ακολουθεί.

55 Εικόνα 55 Συγκριτικό διάγραμμα μεταξύ πειραματικών και υπολογισμένων τιμών αθροιστικών εκπομπών HC και NOx κατά την ψυχρή εκκίνηση FTP 3.3.3 Ενισχυμένο μοντέλο πρόβλεψης για την εξάρτηση από το λόγο αέρα-καυσίμου Σε πρώτο στάδιο μελετήθηκαν οι εκπομπές ως προς την ευαισθησία τους στις μεταβολές του λόγου αέρα καυσίμου αλλά και σε λειτουργία του κινητήρα με λόγο αέρα-καυσίμου διαφορετικό του στοιχειομετρικού. Διαπιστώθηκε πως οι εκπομπές CO παρουσιάζουν μεγάλη εξάρτηση από το λάμδα (λόγος αέρα-καυσίμου), ενώ οι εκπομπές άκαυστων HC και NO x παρουσιάζουν αρκετά μικρότερη εξάρτηση, όπως είναι ήδη γνωστό από τη βιβλιογραφία. Πιο συγκεκριμένα, για τις εκπομπές CO ισχύει πως, όσο πιο πλούσιο είναι το μείγμα, τόσο περισσότερο αυξάνεται το ποσοστό τους, καθώς δεν υπάρχει διαθέσιμο οξυγόνο για την οξείδωσή του σε CO 2. Όσο το μείγμα γίνεται φτωχότερο, οι εκπομπές CO μειώνονται σημαντικά, καθώς οι συνθήκες είναι ευνοϊκές για την οξείδωσή του. Αυτό ισχύει μέχρι τη στιγμή που το λάμδα γίνεται πολύ μεγάλο και το μείγμα πολύ φτωχό, οπότε δεν είναι καλή η διεργασία της καύσης, με αποτέλεσμα το ποσοστό του CO να αυξάνεται και πάλι. Αντίστοιχα, υπάρχει αύξηση στις εκπομπές άκαυστων HC στην περίπτωση πλούσιου μείγματος, ενώ για στοιχειομετρικό και φτωχό μείγμα παρατηρείται μείωση των άκαυστων HC λόγω καλύτερης ποιότητας καύσης. Για τις εκπομπές NO x παρατηρήθηκε ότι για ένα εύρος κοντά στο στοιχειομετρικό λάμδα το ποσοστό τους δεν επηρεάζεται, ωστόσο σε περίπτωση πιο πλούσιου και πιο φτωχού μείγματος ο σχηματισμός NO x μειώνεται, καθώς δεν ευνοείται η υψηλή θερμοκρασία φλόγας μέσα στον κύλινδρο. Για να μελετηθούν οι συσχετίσεις από τα σημεία που είχαν προσδιοριστεί για την εξαγωγή των χαρτών επιλέχθηκαν αρχικά σημεία τα οποία αναφέρονταν στο ίδιο σημείο λειτουργίας του κινητήρα (βαθμό πλήρωσης, στροφές) αλλά με διαφορετικό λόγο αέρα-καυσίμου. Έτσι, επιτεύχθηκε μια πρώτη οπτικοποίηση της εξάρτησης των εκπομπών αποκλειστικά από το λόγο αέρα καυσίμου. Η επίδραση του λάμδα στην εκτίμηση των εκπομπών προσομοιώθηκε και ενσωματώθηκε στο μοντέλο με την εφαρμογή μιας απλής γραμμικής συνάρτησης P = Q N R, όπως φαίνεται στην Εικόνα 56.

56 Εικόνα 56 Διόρθωση της υπολογισμένης τιμής με προσθήκη της επίδρασης του λάμδα Η τιμή που προκύπτει από την αρχική εκτίμηση από τους χάρτες αφορά στοιχειομετρικό λόγο αέρα-καυσίμου. Εφαρμόζοντας την επίδραση του λάμδα η τελική εκτίμηση δίνεται από τη Σχέση ( 14 ) που ακολουθεί: STUV (W)= STU (W)+ X $% (W) (YQZQ(W);1) ( 14 ) Υπολογίσθηκαν διαφορετικοί γραμμικοί συντελεστές για τις εκπομπές CO και HC για τις διάφορες ζώνες λάμδα. Για να υπολογισθούν και να προσδιοριστούν οι ζώνες στις οποίες μεταβάλλονται οι συντελεστές και οι τιμές αυτών υιοθετήθηκε η λογική του reverse engineering. Πιο συγκεκριμένα, για όλο το εύρος των κύκλων οδήγησης, υπολογίσθηκε ο γραμμικός συντελεστής που θα έδινε τιμές εκπομπών που συγκλίνουν με τα πειραματικές. Με κριτήριο την ελαχιστοποίηση του συνολικού σφάλματος προσδιορίσθηκαν οι τιμές των συντελεστών με εφαρμογή της Σχέσης ( 15 ) παρακάτω: X $% (W)= H[(W); STU (W) YQQ(W);1 ( 15 ) Η Εικόνα 57 που ακολουθεί παρουσιάζει ενδεικτικά ένα σχήμα στο οποίο αποτυπώνεται η μεταβολή του γραμμικού συντελεστή ανάλογα με τη ζώνη του λόγου αέρα-καυσίμου για τις εκπομπές CO:

57 Εικόνα 57 Εξέλιξη του γραμμικού συντελεστή για τις εκπομπές CO για τις διαφορετικές ζώνες του λάμδα Όπως προαναφέρθηκε, οι εκπομπές NO x δεν παρουσιάζουν μεγάλη ευαισθησία στο λόγο αέρακαυσίμου. Για την προσομοίωση της εξάρτησης του εφαρμόσθηκε το γραμμικό πρότυπο με τρεις διαφορετικές ζώνες. Για πλούσια μείγματα με YQZQ <0.985 ο γραμμικός συντελεστής έχει την τιμή 3000, ενώ για πιο φτωχά μείγματα με YQZQ >1.03, ο συντελεστής έχει την τιμή - 3000, δηλαδή στις περιοχές αυτές το ποσοστό των NO x μειώνεται σε σχέση με την τιμή της αρχικής εκτίμησης από τους χάρτες. Στις περιοχές με λόγο αέρα-καυσίμου ανάμεσα στις προαναφερθείσες χρησιμοποιείται η τιμή που έχει προκύψει από τους χάρτες και τις περαιτέρω διορθώσεις. 3.3.4 Παρουσίαση αποτελεσμάτων για κύκλο οδήγησης NEDC με ψυχρή εκκίνηση του κινητήρα Παρακάτω παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της πρόβλεψης που προέκυψαν μετά την εφαρμογή του μοντέλου για το νομοθετημένο κύκλο οδήγησης NEDC. Στην Εικόνα 58 απεικονίζεται η σύγκριση μεταξύ των πειραματικών τιμών εκπομπών CO, HC και NO x που μετρήθηκαν κατά τη διάρκεια του NEDC στον κινητήρα με αναλυτές συμβατικής και ταχείας απόκρισης και των αντίστοιχων τιμών που προβλέφθηκαν με τη χρήση του μοντέλου. Αντίστοιχη σύγκριση για τις πειραματικές και υπολογισμένες αθροιστικές τιμές των εκπομπών κατά τη διάρκεια της ίδιας χρονοσειράς για τον NEDC παρουσιάζεται στην Εικόνα 59 που ακολουθεί.

58 Εικόνα 58 Διαγράμματα στιγμιαίων εκπομπών CO, HC και NOx για τα πρώτα 600s του NEDC

59 Εικόνα 59 Συγκριτικό διάγραμμα μεταξύ πειραματικών και υπολογισμένων τιμών αθροιστικών εκπομπών CO, HC και NOx στη διάρκεια του NEDC Παρατηρείται ότι οι προβλεπόμενες από το μοντέλο τιμές ακολουθούν με μικρή απόκλιση τις μετρημένες από τον αναλυτή ταχείας απόκρισης τιμές και για τις τρεις περιπτώσεις εκπομπών, ενώ το μεγαλύτερο ποσοστιαίο σφάλμα παρατηρείται για τις εκπομπές NO x. 3.3.5 Παρουσίαση αποτελεσμάτων για κύκλο οδήγησης FTP με ψυχρή εκκίνηση του κινητήρα Ακολουθεί η παρουσίαση των αντίστοιχων αποτελεσμάτων της πρόβλεψης που προέκυψαν για την περίπτωση του FTP. Στην Εικόνα 60 απεικονίζεται η σύγκριση μεταξύ των πειραματικών τιμών εκπομπών CO, HC και NO x που μετρήθηκαν κατά τη διάρκεια του FTP στον κινητήρα με αναλυτές συμβατικής και ταχείας απόκρισης και των αντίστοιχων τιμών που προβλέφθηκαν με τη χρήση του μοντέλου. Αντίστοιχη σύγκριση για τις πειραματικές και υπολογισμένες αθροιστικές τιμές των εκπομπών κατά τη διάρκεια της ίδιας χρονοσειράς για τον FTP παρουσιάζεται στην Εικόνα 61 που ακολουθεί.

60 Εικόνα 60 Διαγράμματα στιγμιαίων εκπομπών CO, HC και NOx για τα πρώτα 450s του FTP

61 Εικόνα 61 Συγκριτικό διάγραμμα μεταξύ πειραματικών και υπολογισμένων τιμών αθροιστικών εκπομπών CO, HC και NOx στη διάρκεια του FTP Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την πολύ καλή ακρίβεια πρόβλεψης και στην περίπτωση του κύκλου οδήγησης FTP, με ταύτιση των εκτιμημένων τιμών με τις πειραματικές τιμές του αναλυτή ταχείας απόκρισης. 3.3.6 Παρουσίαση αποτελεσμάτων για κύκλο οδήγησης US06 με ψυχρή εκκίνηση του κινητήρα Στην παρούσα ενότητα παρουσιάζονται τα αντίστοιχα αποτελέσματα της πρόβλεψης που προέκυψαν για την περίπτωση του κύκλου οδήγησης US06. Στην Εικόνα 62 απεικονίζεται η σύγκριση μεταξύ των πειραματικών τιμών εκπομπών CO, HC και NO x που μετρήθηκαν κατά τη διάρκεια του US06 στον κινητήρα με αναλυτές συμβατικής και ταχείας απόκρισης και των αντίστοιχων τιμών που προβλέφθηκαν με τη χρήση του μοντέλου.

62 Εικόνα 62 Διαγράμματα στιγμιαίων εκπομπών CO, HC και NOx για τα πρώτα 500s του US06 Αντίστοιχη σύγκριση για τις πειραματικές και υπολογισμένες αθροιστικές τιμές εκπομπών CO κατά τη διάρκεια της ίδιας χρονοσειράς για τον US06 παρουσιάζεται στην Εικόνα 63 που ακολουθεί.

63 Εικόνα 63 Συγκριτικό διάγραμμα μεταξύ πειραματικών και υπολογισμένων τιμών αθροιστικών εκπομπών CO στη διάρκεια του US06 Στην Εικόνα 64 παρουσιάζονται συγκριτικά οι πειραματικές και υπολογισμένες αθροιστικές τιμές εκπομπών HC κατά τη διάρκεια της ίδιας χρονοσειράς για τον US06. Εικόνα 64 Συγκριτικό διάγραμμα μεταξύ πειραματικών και υπολογισμένων τιμών αθροιστικών εκπομπών HC στη διάρκεια του US06 Τέλος, στην Εικόνα 65 απεικονίζονται οι αντίστοιχες συγκριτικές τιμές για τις αθροιστικές τιμές εκπομπών NO x, οι οποίες δίνουν και τη μεγαλύτερη απόκλιση.

64 Εικόνα 65 Συγκριτικό διάγραμμα μεταξύ πειραματικών και υπολογισμένων τιμών αθροιστικών εκπομπών NOx στη διάρκεια του US06

4 Προσομοίωση αντιρρυπαντικών διατάξεων σε υβριδικούς κινητήρες 4.1 Υπομοντέλο υπολογισμού απωλειών θερμότητας σε συνθήκες μηδενικής ροής Η ακρίβεια στον υπολογισμό των απωλειών θερμότητας κατά τη διάρκεια των διακοπών στη λειτουργία του κινητήρα γίνεται ολοένα και μεγαλύτερης σημασίας, καθώς οι παραδοσιακές προσεγγίσεις στη μοντελοποίηση των αντιρρυπαντικών συσκευών δε λαμβάνουν υπόψιν τα φαινόμενα της ελεύθερης συναγωγής και της ακτινοβολίας από τις όψεις των συσκευών αυτών. Έτσι, δημιουργήθηκε η ανάγκη διερεύνησης αυτών των απωλειών μεταφοράς θερμότητας υπό συνθήκες μηδενικής ροής που συχνά συναντώνται στην περίπτωση υβριδικής λειτουργίας, καθώς ελάχιστες είναι οι ερευνητικές σχετικές με το συγκεκριμένο θέμα εργασίες που έχουν δημοσιευθεί [9, 50-55]. Μελετήθηκαν οι επιπτώσεις στην απόδοση οξειδωτικού καταλυτικού μετατροπέα diesel (DOC) χρησιμοποιώντας επιλεγμένα πειραματικά δεδομένα από μετρήσεις που διεξήχθησαν στο ΕΕΘ και εργαλεία προσομοίωσης. 65 4.1.1 Μοντέλο προσομοίωσης Κύριες εξισώσεις Το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση του καταλυτικού μετατροπέα στηρίζεται σε μαθηματικό μοντέλο που είχε αρχικά αναπτυχθεί στο ΕΕΘ και έχει εξελιχθεί πλέον στο εμπορικό προϊόν axicat (βλ. Παράρτημα I) [56]. Το συγκεκριμένο μοντέλο καλύπτει ευρεία γκάμα αντιρρυπαντικών διατάξεων και έχει χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για την προσομοίωση τριοδικών καταλυτών (3WCC) [57, 58], οξειδωτικών καταλυτών diesel (DOC) [59, 60], καταλυτών DeNOx [61], καταλυτών SCR [62] και παγίδων lean NO x [63]. Οριακές συνθήκες μεταφοράς θερμότητας Για τη διερεύνηση της θερμικής συμπεριφοράς του καταλυτικού μετατροπέα λαμβάνονται υπόψιν οι απώλειες θερμότητας από την περιφέρεια του μονόλιθου και τις δύο όψεις, με τις τελευταίες να είναι κρίσιμες στις συνθήκες μηδενικής ροής. Οι οριακές συνθήκες λαμβάνονται υπόψιν για τον υπολογισμό των απωλειών θερμότητας από την περιφέρεια του μονόλιθου στο περιβάλλον λόγω ελεύθερης συναγωγής και ακτινοβολίας στην εξίσωση θερμικής αγωγής: T λ r C h T T ε σ T T S 4 4 S, r = amb amb( S amb) + rad ( S amb ) r= 0.5D για f ( 16 ) Οι απώλειες θερμότητας, από την πρόσθια και οπίσθια όψη της συσκευής αντιρρύπανσης, μέσω των μηχανισμών της ελεύθερης συναγωγής και της ακτινοβολίας (Εικόνα 66), λαμβάνονται υπόψιν ως οριακές συνθήκες στην εξίσωση αγωγής θερμότητας, όπως παρουσιάζεται κατωτέρω:

66 λ T z 4 4 ( ) ε ε σ = C h T T + C (1 ) ( T T ) στο z=0 ( 17 ) S S, z amb, f amb, F S, in rad, f rad S, in λ T z 4 4 ( ) ε ε σ = C h T T + C (1 ) ( T T ) S S, z amb, r amb, F S, out rad, r rad S, out στο z= L ( 18 ) Εικόνα 66 Απώλειες θερμότητας λόγω ελεύθερης συναγωγής Οι όροι για την ελεύθερη συναγωγή και την ακτινοβολία που περιλαμβάνονται στις ανωτέρω εξισώσεις εξηγούνται λεπτομερώς παρακάτω: Ελεύθερη συναγωγή Στην περίπτωση που επικρατούν συνθήκες με σχεδόν μηδενικές τιμές ροής μάζας η ελεύθερη συναγωγή γίνεται ιδιαιτέρως σημαντική. Ο συντελεστής συναγωγής h amb,f από τις όψεις του καταλύτη υπολογίζεται με χρήση των εξισώσεων ελεύθερης συναγωγής για κάθετο δίσκο. Για την τριδιάστατη προσομοίωση χρησιμοποιούνται οι ακόλουθες σχέσεις: Ο τοπικός αριθμός Nusselt υπολογίζεται βάσει των κάτωθι Σχέσεων ( 19 ), ( 20 ) και ( 21 ): Nu x Grx = d 1 4 g ( Pr) ( 19 ) g ( Pr) = 0.75 Pr 1 ( 0.609+ 1.221 Pr + 1.238Pr) 4 gβ Gr = x ( T T ) s 2 ν x 3 ( 20 ) ( 21 )

67 Ακτινοβολία Ο συντελεστής εκπομπής ε rad αναφέρεται στο υλικό του υποστρώματος του καταλύτη, ενώ ο όρος 1 - ε αναφέρεται στο τμήμα της περιοχής των όψεων ενός μονόλιθου που καταλαμβάνεται από στερεό υλικό. 4.1.2 Μελέτη της συμπεριφοράς ψύξης Πειραματική διάταξη Για τη μελέτη της συμπεριφοράς ψύξης των αντιρρυπαντικών συσκευών, τα πειράματα εκτελέσθηκαν στην πέδη, χρησιμοποιώντας τον κινητήρα PSA DW12 2.2l του ΕΕΘ. Οι μεταβλητές που καταγράφηκαν σε όλα τα πειράματα ήταν: Θερμοκρασίες εσωτερικά του μονόλιθου Θερμοκρασία του αερίου ανάντη και κατάντη του καταλύτη Ο καταλύτης που χρησιμοποιήθηκε στην πρώτη σειρά πειραμάτων είναι ένας οξειδωτικός καταλύτης diesel (DOC), με μονόλιθο από κορδιερίτη διαστάσεων 76x144mm (μήκος x διάμετρος), πυκνότητας κελιών ίσης με 400cpsi και πάχος τοιχώματος ίσο με 0.15mm. Δώδεκα θερμοστοιχεία τύπου Κ διαμέτρου 0.5mm τοποθετήθηκαν μέσα στον καταλύτη, όπως φαίνεται στην Εικόνα 67, σε 3 σημεία κατά μήκος του άξονα (0mm, 38mm και 76mm) και σε 4 διαφορετικές ακτινικές θέσεις (0mm, 23mm, 45mm και 66mm) για κάθε αξονική θέση. Εικόνα 67 Πειραματική διάταξη του DOC και θέσεις των θερμοστοιχείων Αποτελέσματα και επαλήθευση του μοντέλου Στην Εικόνα 69 παρουσιάζονται τα συγκριτικά διαγράμματα μεταξύ υπολογισμένων και πειραματικών τιμών σε τέσσερεις διαφορετικές ακτινικές θέσεις στο εσωτερικό του DOC. Στο πρώτο γράφημα από την Εικόνα 69 παρουσιάζεται η θερμοκρασία καυσαερίου στο κέντρο του DOC, ενώ στο τελευταίο η θερμοκρασία στην περιφέρεια, κατά τη διάρκεια μίας δεκάλεπτης διακοπής στη λειτουργία του κινητήρα, όπως φαίνεται στην Εικόνα 68.

68 Εικόνα 68 Θερμοκρασιακό προφίλ στην είσοδο εντός του DOC Τη χρονική στιγμή t=2135s ο κινητήρας σβήνει και ο καταλύτης ψύχεται κάτω από συνθήκες μηδενικής ροής για δέκα λεπτά. Τη στιγμή t=2778s γίνεται επανεκκίνηση του κινητήρα, έχοντας μερικά δευτερόλεπτα λειτουργίας σε ρελαντί, πριν περάσει σε λειτουργία πλήρους φορτίου ξανά. 450 400 T1 sim T5 sim T9 sim T1 exp T5 exp T9 exp 350 Temperature [ C] 300 250 200 150 100 2,100 2,200 2,300 2,400 2,500 2,600 2,700 2,800 2,900 3,000 Time [s]

69 450 400 T2 sim T6 sim T10 sim T2 exp T6 exp T10 exp 350 Temperature [ C] 300 250 200 150 100 2,100 2,200 2,300 2,400 2,500 2,600 2,700 2,800 2,900 3,000 Time [s] 450 T3 sim T7 sim T11 sim T3 exp T7 exp T11 exp 400 350 Temperature [ C] 300 250 200 150 100 2,100 2,200 2,300 2,400 2,500 2,600 2,700 2,800 2,900 3,000 Time [s]

70 450 T4 sim T8 sim T12 sim T4 exp T8 exp T12 exp 400 350 Temperature [ C] 300 250 200 150 100 2,100 2,200 2,300 2,400 2,500 2,600 2,700 2,800 2,900 3,000 Time [s] Εικόνα 69 Θερμοκρασία κατά μήκος του DOC για τέσσερεις διαφορετικές ακτινικές θέσεις (10λεπτη διακοπή κινητήρα) Στην Εικόνα 70 που ακολουθεί παρουσιάζονται τα πειραματικά και υπολογισμένα θερμοκρασιακά πεδία τιμών του DOC στο X-Y επίπεδο στο μέσον του μονόλιθου. Τα τρία πρώτα ζεύγη εικόνων αναφέρονται στις χρονικές στιγμές t=2150s (αμέσως μετά το σβήσιμο του κινητήρα), 2400s και 2700s, οπότε ο κινητήρας είναι κλειστός και ο καταλύτης ψύχεται σε συνθήκες μηδενικής ροής. Το τέταρτο ζεύγος εικόνων παρουσιάζει τη χρονική στιγμή t=2820s επανέναυσης του κινητήρα που ακολουθεί την περίοδο ψύξης. Προκειμένου να δοθεί έμφαση στη σημασία του υπολογισμού των απωλειών θερμότητας σε συνθήκες μηδενικής ροής, παρουσιάζονται αντίστοιχα αποτελέσματα για την πρόβλεψη των θερμοκρασιών στην περίπτωση προσομοίωσης με αδιαβατικές εμπρός και πίσω όψεις του καταλύτη στη δεξιά στήλη στην Εικόνα 70. Είναι προφανές ότι στο αδιαβατικό μοντέλο, η ψύξη του μονόλιθου όταν ο κινητήρας είναι κλειστός υποεκτιμάται, αφού οι απώλειες θερμότητας δε λαμβάνονται υπόψιν στην περίπτωση αυτή.

71 Experimental Simulation Simulation Adiabatic Model t=2150s t=2400s t=2700s t=2820s Εικόνα 70 Θερμοκρασιακό πεδίο [ C] στο εσωτερικό του καταλύτη για τέσσερεις διαφορετικές χρονικές στιγμές

72 Η συμφωνία μεταξύ των αποτελεσμάτων της αριθμητικής προσομοίωσης και του πειράματος είναι πολύ καλή για όλες τις αξονικές και ακτινικές θέσεις, τόσο όταν ο κινητήρας λειτουργεί, όσο και σε συνθήκες μηδενικής ροής όταν ο κινητήρας είναι κλειστός. Από τα ανωτέρω αποτελέσματα μπορεί να εξαχθεί το συμπέρασμα ότι ο υπολογισμός της φυσικής συναγωγής στην περίπτωση του σβηστού κινητήρα επιδρά ουσιαστικά στην ακρίβεια της πρόβλεψης των θερμοκρασιών, καθώς - όπως αποδείχθηκε - ένα μοντέλο με την παραδοχή αδιαβατικότητας δεν δύναται να προβλέψει τιμές θερμοκρασιών κοντά στις πραγματικές στην υβριδική λειτουργία. Τα πειραματικά αποτελέσματα της μελέτης, καθώς επίσης και του αντίστοιχου ανεπτυγμένου υπομοντέλου επιτρέπουν, επομένως, ακριβέστερη πρόβλεψη των εκπομπών αερίων ρύπων στην περίπτωση των υβριδικών οχημάτων. 4.1.3 Μελέτη κύκλων οδήγησης Πειραματική διάταξη Η θερμική και η χημική συμπεριφορά του DOC μελετήθηκαν και σε νομοθετημένο κύκλο οδήγησης στην πέδη. Σε όλες τις μετρήσεις χρησιμοποιήθηκε ένας υπερπληρούμενος κινητήρας diesel προδιαγραφών Euro 4 της Daimler (OM646) του ΕΕΘ. Ο κυβισμός του κινητήρα είναι 2.2l και είναι εξοπλισμένος με σύστημα έγχυσης καυσίμου common-rail και με EGR. Στο σύστημα εξαγωγής τοποθετήθηκε καταλυτικός μετατροπέας (DOC) και φίλτρο αιθάλης (DPF), όπως φαίνεται στην Εικόνα 71. Ο καταλύτης που χρησιμοποιήθηκε είναι με επίστρωση πλατίνας σε υπόστρωμα κορδιερίτη μήκους 76mm και διαμέτρου 144mm. Η πυκνότητα κελιών είναι 400cpsi και το πάχος τοιχώματος ίσο με 0.15mm. Δώδεκα θερμοστοιχεία τύπου K διαμέτρου 0.5mm τοποθετήθηκαν μέσα στον καταλύτη, όπως φαίνεται στην Εικόνα 71, σε 3 αξονικές (0mm, 38mm και 76mm) και 4 διαφορετικές ακτινικές θέσεις (0mm, 22.5mm, 45mm και 66mm), προκειμένου να ληφθεί μία αντιπροσωπευτική εικόνα για το θερμοκρασιακό πεδίο εντός του καταλύτη κατά τη διάρκεια του κύκλου οδήγησης. Εικόνα 71 Πειραματική διάταξη των DOC/DPF και θέσεις των θερμοστοιχείων

73 Η ανάλυση των καυσαερίων πραγματοποιήθηκε με χρήση του αναλυτή AMA i60 της AVL. Ο αναλυτής χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση των NO, CO και HC ανάντη και κατάντη του καταλύτη, ενώ τοποθετήθηκε και ένας αισθητήρας NO x στην είσοδο του DOC. Η λειτουργία του κινητήρα στην πέδη ελέγχεται πλήρως από το PUMA (AVL). Ο PUMA καταγράφει όλα τα πειραματικά δεδομένα και ελέγχει το προφίλ ροπής-ταχύτητας του κινητήρα κάθε δευτερόλεπτο, κατά τη διάρκεια του κύκλου οδήγησης, όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο. Το προφίλ ροπής-ταχύτητας για την προσομοίωση της συμβατικής και της υβριδικής λειτουργίας του κινητήρα ελήφθη από πρόγραμμα μοντελοποίησης οχημάτων. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα CRUISE (Εικόνα 72) της AVL [64, 65]. Ο Πίνακας 4 παρουσιάζει τα βασικά χαρακτηριστικά του οχήματος. Έγινε η υπόθεση ότι το υβριδικό όχημα είναι εξοπλισμένο με μία γεννήτρια, μια μπαταρία μέγιστης φόρτισης 23.5As και έναν ηλεκτροκινητήρα των 34.5kW. Και τα δύο μοντέλα έτρεξαν το νομοθετημένο κύκλο οδήγησης NEDC και το εξαχθέν από την προσομοίωση προφίλ ροπής-ταχύτητας χρησιμοποιήθηκε ως δεδομένο εισόδου για τον έλεγχο λειτουργίας του πραγματικού κινητήρα στην πέδη χρησιμοποιώντας τον PUMA, όπως φαίνεται στην Εικόνα 73. Μάζα 1590 kg Συντελεστής αντίστασης 0.3 Μετωπική επιφάνεια 2.2 m 2 Ακτίνα κύλισης 292 mm Πίνακας 4 Πληροφορίες οχήματος Χρησιμοποιώντας την κατανάλωση καυσίμου ως δείκτη για το ποσοστό υβριδοποίησης, η μετρημένη κατανάλωση καυσίμου στην περίπτωση του συμβατικού NEDC σεναρίου είναι 6.2l/100km, ενώ στο υβριδικό είναι 4.2l/100km.

74 Εικόνα 72 Συμβατικό και υβριδικό μοντέλο στο CRUISE

75 Εικόνα 73 Εξαγωγή προφίλ ροπής-ταχύτητας από το CRUISE Αποτελέσματα Ο συμβατικός και ο υβριδικός τρόπος λειτουργίας έχουν ως αποτέλεσμα διαφορετικά προφίλ συγκεντρώσεων και θερμοκρασιών στην είσοδο του καταλύτη (Εικόνα 9, Εικόνα 10). Όπως έχει ήδη αναφερθεί, οι θερμοκρασίες στην υβριδική λειτουργία είναι σημαντικά χαμηλότερες, εισάγοντας έτσι έναν υψηλό κίνδυνο για λειτουργία κάτω από τη θερμοκρασία ενεργοποίησης του καταλύτη. Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι ακόμα και όταν ο κινητήρας είναι σβηστός, κατά το 42% της χρονικής διάρκειας του NEDC στον υβριδικό τρόπο λειτουργίας οι συνολικές εκπομπές CO δεν είναι χαμηλότερες συγκρινόμενες με του συμβατικού κύκλου (Εικόνα 11). Αυτό οφείλεται στις υψηλές εκπομπές CO που παρατηρούνται αμέσως μετά την επανεκκίνηση του κινητήρα, όπως έχει προαναφερθεί σε προηγούμενο κεφάλαιο. Από την άλλη πλευρά, οι εκπομπές HC κατά τη διάρκεια της υβριδικής λειτουργίας είναι σημαντικά χαμηλότερες συγκρινόμενες με εκείνες της συμβατικής (Εικόνα 12). Τα πειραματικά αποτελέσματα αναφορικά με τη θερμική συμπεριφορά και τα χαρακτηριστικά μετατροπής του καταλύτη παρουσιάζονται μαζί με τα αντίστοιχα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Το σύστημα αντιδράσεων και οι παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν για την προσομοίωση λήφθηκαν αρχικά από τις βιβλιοθήκες του λογισμικού axicat για καταλύτες πλατίνας. Μετά τον ακριβή καθορισμό των προ-εκθετικών όρων, επετεύχθη μία πολύ καλή συμφωνία μεταξύ της μετρημένης και υπολογισμένης απόδοσης μετατροπής των CO και HC στη συμβατική λειτουργία, όπως φαίνεται στην Εικόνα 74 και την Εικόνα 75, αντίστοιχα.

76 8 3D Simulation 7 6 In_exp Cumulative CO [g] 5 4 3 2 1 Out_exp Out_sim 0 0 200 400 600 800 1000 1200 time[s] Εικόνα 74 Πειραματικές και υπολογισμένες αθροιστικές εκπομπές CO για συμβατική λειτουργία 2 1.8 3D Simulation Cumulative HC [g] 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 in_exp out_sim 0.2 out_exp 0 0 200 400 600 800 1000 1200 time[s] Εικόνα 75 Πειραματικές και υπολογισμένες αθροιστικές εκπομπές HC για συμβατική λειτουργία Στην Εικόνα 76 παρουσιάζονται συγκριτικά τα αποτελέσματα της πρόβλεψης των στιγμιαίων τιμών για τις εκπομπές CO σε ένα διάστημα 200 δευτερολέπτων κατά τη διάρκεια του NEDC, τα οποία επιβεβαιώνουν την επαλήθευση του μοντέλου και για τις στιγμιαίες συγκεντρώσεις CO.

77 Εικόνα 76 Σύγκριση πειραματικών και υπολογισμένων στιγμιαίων τιμών εκπομπών CO σε συμβατική λειτουργία Στην Εικόνα 77 παρουσιάζεται η σύγκριση μεταξύ πειραματικών και υπολογισμένων από την προσομοίωση θερμοκρασιών σε διάφορα (ακτινικά ή αξονικά) σημεία στο εσωτερικό του καταλύτη, αποδεικνύοντας την άριστη συμφωνία που επιτυγχάνει το τριδιάστατο μοντέλο μετάδοσης θερμότητας που εφαρμόσθηκε για την προσομοίωση.

78 400 350 3D Simulation 300 Temperature [ C] 250 200 150 T6_sim T10_sim T10_exp 100 T6_exp 50 0 200 400 600 800 1000 1200 time[s] 400 350 3D Simulation 300 Temperature [ C] 250 200 T8_sim T12_exp 150 100 T8_exp T12_sim 50 0 200 400 600 800 1000 1200 time[s] Εικόνα 77 Σύγκριση πειραματικών και υπολογισμένων θερμοκρασιών σε συμβατική λειτουργία στο κέντρο και την περιφέρεια του DOC Ανάλογη διαδικασία ακολουθήθηκε και για την περίπτωση ενός κύκλου FTP και τα αποτελέσματα της πρόβλεψης της θερμοκρασίας παρουσιάζονται στην Εικόνα 78 που ακολουθεί, συγκρινόμενα με τις αντίστοιχες μετρημένες τιμές στην ίδια διάταξη για συμβατική λειτουργία του κινητήρα. Είναι φανερό πως επιτυγχάνεται πάρα πολύ καλή πρόβλεψη της θερμοκρασίας ακόμη και κατά τη διάρκεια των δέκα λεπτών που ο κινητήρας σβήνει, επιβεβαιώνοντας την ορθή λειτουργία του μοντέλου απωλειών θερμότητας σε συνθήκες μηδενικής ροής καυσαερίων.

79 Εικόνα 78 Σύγκριση πειραματικών και υπολογισμένων θερμοκρασιών σε συμβατική λειτουργία στο κέντρο του DOC στη διάρκεια ενός FTP Στην Εικόνα 79 δίνονται συγκριτικά οι στιγμιαίες μετρημένες και υπολογισμένες τιμές εκπομπών CO κατά τη διάρκεια των πρώτων 200 δευτερολέπτων της ψυχρής εκκίνησης (πρώτο γράφημα) και των 200 δευτερολέπτων που ακολουθούν τη θερμή επανεκκίνηση του κινητήρα μετά από το σβήσιμο των δέκα λεπτών (δεύτερο γράφημα) στον FTP κύκλο συμβατικής λειτουργίας. Και για τις δύο περιπτώσεις θερμοκρασιακών συνθηκών παρατηρείται πολύ καλή ταύτιση μεταξύ πειραματικών τιμών εκπομπών CO και των αποτελεσμάτων του μοντέλου προσομοίωσης.

80 Εικόνα 79 Σύγκριση πειραματικών και υπολογισμένων στιγμιαίων τιμών εκπομπών CO σε συμβατική λειτουργία μετά από ψυχρή (α) και θερμή (β) εκκίνηση σε FTP κύκλο Το επόμενο βήμα ήταν να ελεγχθεί η απόδοση της πρόβλεψης προσομοίωσης στην υβριδική λειτουργία, χωρίς περαιτέρω ρύθμιση των παραμέτρων χημικής κινητικής. Η πρώτη προτεραιότητα ήταν να εξετασθεί εάν το μοντέλο είναι σε θέση να αναπαράξει με ακρίβεια το θερμοκρασιακό πεδίο όσο ο κινητήρας είναι σβηστός, καθώς και την επίπτωση στην απόδοση μετατροπής του καταλύτη. Πράγματι, η Εικόνα 80 καταδεικνύει ότι το τριδιάστατο μοντέλο, το οποίο συνυπολογίζει τις απώλειες ελεύθερης συναγωγής και ακτινοβολίας, δύναται να αναπαράξει με επιτυχία το μετρημένο θερμοκρασιακό πεδίο μέσα στον καταλύτη κατά τη διάρκεια ενός πλήρους NEDC.

81 400 3D Simulation 350 300 Temperature [ C] 250 200 T6_sim Investigation Area T10_sim 150 100 T6_exp T10_exp 50 0 200 400 600 800 1000 1200 time[s] Εικόνα 80 Σύγκριση πειραματικών και υπολογισμένων θερμοκρασιών σε υβριδική λειτουργία Εικόνα 81 Λεπτομέρεια από Εικόνα 80 Για να γίνει περισσότερο αντιληπτή η θερμική συμπεριφορά του DOC κατά τη διάρκεια της διακοπής λειτουργίας του κινητήρα η Εικόνα 82 παρουσιάζει το υπολογισμένο θερμοκρασιακό πεδίο σε μία εγκάρσια τομή του καταλύτη συναρτήσει τού χρόνου. Λόγω της κυκλικής διατομής του DOC και των συμμετρικών συνθηκών ροής που επικρατούν στην είσοδο μπορεί να γίνει αντιληπτό πως το προβλεπόμενο θερμοκρασιακό πεδίο δεν είναι αξισυμμετρικό. Αυτό οφείλεται στην ίδια τη φύση της ελεύθερης συναγωγής που σχετίζεται άμεσα με τις βαρυτικές δυνάμεις. Από μαθηματικής πλευράς, ο τοπικός συντελεστής μετάδοσης θερμότητας εξαρτάται από την

82 απόσταση από το κάτω μέρος του καταλύτη, δίχως να παρουσιάζει καμία συμμετρία από την κεντρική γραμμή. Εικόνα 82 Υπολογισμένο θερμοκρασιακό πεδίο σε μία τομή του DOC συναρτήσει του χρόνου σε συνθήκες μηδενικής ροής Με βάση την επιτυχή πρόβλεψη της θερμοκρασίας υποστρώματος, επιβεβαιώνεται και η δυνατότητα του μοντέλου προσομοίωσης για ακριβή πρόβλεψη των εκπομπών CO και HC, όπως φαίνεται και στην Εικόνα 83 και Εικόνα 84, αντίστοιχα. Το σφάλμα στην πρόβλεψη της αθροιστικής μάζας βρίσκεται μέσα στα αποδεκτά όρια του +/-5%, το οποίο είναι μέσα στα

83 περιθώρια της επαναληψιμότητας και της ακρίβειας μέτρησης. Τα αποτελέσματα, λοιπόν, είναι ενθαρρυντικά και επιβεβαιώνουν τη δυνατότητα εφαρμογής της τριδιάστατης μοντελοποίησης καταλυτών στις εφαρμογές υβριδικής λειτουργίας. 8 7 3D Simulation in_exp 6 Cumulative CO [g] 5 4 3 2 out_exp out_sim 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 time[s] Εικόνα 83 Αθροιστικές εκπομπές CO σε υβριδική λειτουργία 1 0.9 0.8 3D Simulation in_exp Cumulative HC [g] 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 out_sim 0.1 out_exp 0 0 200 400 600 800 1000 1200 time[s] Εικόνα 84 Αθροιστικές εκπομπές HC σε υβριδική λειτουργία Στην Εικόνα 85 παρουσιάζονται συγκριτικά τα αποτελέσματα της πρόβλεψης των στιγμιαίων τιμών για τις εκπομπές CO σε ένα διάστημα 300 δευτερολέπτων κατά τη διάρκεια του NEDC για την περίπτωση της υβριδικής λειτουργίας.

84 Εικόνα 85 Σύγκριση πειραματικών και υπολογισμένων στιγμιαίων τιμών εκπομπών CO σε υβριδική λειτουργία σε NEDC κύκλο Αντίστοιχα με του NEDC είναι και τα συγκριτικά αποτελέσματα μεταξύ πειραματικών και υπολογισμένων τιμών εκπομπών CO και HC στην περίπτωση του FTP κύκλου οδήγησης σε υβριδική λειτουργία, όπως αυτά παρουσιάζονται στην Εικόνα 86, συγκρινόμενα με τα αντίστοιχα της συμβατικής λειτουργίας. Εικόνα 86 Σύγκριση πειραματικών και υπολογισμένων αθροιστικών τιμών εκπομπών CO και HC σε συμβατική και υβριδική λειτουργία σε FTP κύκλο

85 Στην Εικόνα 87 δίνονται τα συγκριτικά γραφήματα μεταξύ μετρημένων και υπολογισμένων από το μοντέλο αθροιστικών εκπομπών CO και HC στους NEDC και FTP κύκλους, τόσο για την περίπτωση της συμβατικής, όσο και για την περίπτωση της υβριδικής λειτουργίας του κινητήρα OM646. Παρατηρούνται οι υψηλότερες εκπομπές CO στην περίπτωση της υβριδικής λειτουργίας, επιβεβαιώνοντας τα όσα έχουν προαναφερθεί σχετικά με την επίπτωση των χαμηλών θερμοκρασιακών συνθηκών, τόσο αναφορικά με τις ανεπεξέργαστες εκπομπές CO του κινητήρα (ανάντη του καταλύτη), όσο και στις εκπομπές κατάντη του DOC. Το φαινόμενο αυτό είναι εντονότερο, ως φαίνεται, στον FTP κύκλο συγκριτικά με τον NEDC εξαιτίας των εντονότερων μεταβατικών συνθηκών που επικρατούν στον πρώτο και της ύπαρξης δεκάλεπτης περιόδου παύσης της λειτουργίας του κινητήρα, άρα και χαμηλότερων θερμοκρασιών. Οι εκπομπές HC εμφανίζουν αντίθετη συμπεριφορά, με ιδιαίτερα αισθητή τη μείωση κατά την υβριδική λειτουργία σε σχέση με τη συμβατική λειτουργία του κινητήρα, κυρίως στον NEDC κύκλο. Εικόνα 87 Συγκριτικά γραφήματα πειραματικών και υπολογισμένων αθροιστικών εκπομπών CO και HC για NEDC και FTP κύκλους σε συμβατική και υβριδική λειτουργία

86

87 5 Εφαρμογές σε κινητήρα Diesel 5.1 Εφαρμογή μεθοδολογίας σε υβριδικό κινητήρα Diesel Το μοντέλο κινητήρα πετρελαίου που περιγράφηκε στο κεφάλαιο 3 σε συνδυασμό με τα κατάλληλα μοντέλα αντιρρυπαντικών συσκευών που προσομοιώθηκαν στο axisuite (βλ. κεφάλαιο 0) ενσωματώθηκαν στο γενικό μοντέλο του οχήματος, το οποίο αναπτύχθηκε με χρήση του velodyn, ενός ιδιαίτερα ευέλικτου εργαλείου, κατάλληλου για προσομοίωση οχημάτων σε πραγματικό χρόνο και με δυνατότητα δημιουργίας ελέγχου εντός του περιβάλλοντος Simulink /MATLAB (βλ. Παράρτημα II). Το velodyn λειτουργεί βάσει των λεγόμενων δομών-φορέων (carrier blocks), οι οποίοι ενσωματώνουν τα σήματα από κάθε μπλοκ του Simulink σε έναν δίαυλο και παρέχουν μία βάση δεδομένων, συγκρατώντας με τον τρόπο αυτόν όλες τις απαραίτητες πληροφορίες. Το σενάριο οδήγησης, οι πληροφορίες για το περιβάλλον, οι παράμετροι για τις αντιστάσεις κατά την οδήγηση που πρέπει να λαμβάνονται υπόψιν κατά τον υπολογισμό, αλλά και τα χαρακτηριστικά του οχήματος (σχέσεις μετάδοσης στο κιβώτιο ταχυτήτων, σχέση του διαφορικού κ.α.) καθορίζονται στα κατάλληλα blocks του μοντέλου στο velodyn. Οι στροφές του κινητήρα και η απαιτούμενη ροπή για κάθε χρονική στιγμή υπολογίζονται από το velodyn σύμφωνα με την απαιτούμενη ισχύ, την ταχύτητα του οχήματος και την ισχύ εξόδου του κινητήρα. 5.1.1 Ολοκληρωμένο μοντέλο συμβατικού οχήματος πετρελαίου με αντιρρυπαντικό σύστημα DOC+SCRF Το συμβατικό όχημα πετρελαίου με αυτόματο κιβώτιο ταχυτήτων που αναπτύχθηκε και μελετήθηκε παρουσιάζεται στην Εικόνα 88 που ακολουθεί, έχοντας ενσωματωμένο αντιρρυπαντικό σύστημα DOC και SCRF.

88 Εικόνα 88 Ολοκληρωμένο μοντέλο του συμβατικού οχήματος πετρελαίου με ενσωματωμένο DOC και SCRF που εφαρμόσθηκε στο velodyn Χαρακτηριστικά του μοντέλου πετρελαιοκινητήρα Εφαρμόζοντας τη μεθοδολογία που περιγράφηκε στο Κεφάλαιο 3 για την πρόβλεψη των νομοθετημένων εκπομπών ρύπων (CO, HC και NO x), καθώς και των ιδιοτήτων της ροής καυσαερίου στην εξάτμιση (θερμοκρασία και ροή μάζας) με χρήση steady-state χαρτών από steady-state πειραματικές μετρήσεις σε δυναμομετρική πέδη, αναπτύχθηκε το ημι-εμπειρικό μοντέλο του πετρελαιοκινητήρα, το οποίο παρουσιάζεται στην Εικόνα 89.

89 Εικόνα 89 Αναπτυχθέν ημι-εμπειρικό μοντέλο κινητήρα diesel Συνεπώς, οι τιμές των εκπομπών, της θερμοκρασίας και της ροής μάζας καυσαερίου προβλέπονται από το ημι-εμπειρικό μοντέλο ΜΕΚ συναρτήσει των δεδομένων εισόδου, τα οποία αποτελούν οι steady-state χάρτες και το εκάστοτε προφίλ ταχύτητας/ροπής του κινητήρα. Όπως αναφέρθηκε, εφαρμόζονται οι κατάλληλες διορθώσεις με σκοπό την ορθή προσομοίωση σε μεταβατικές συνθήκες λειτουργίας, δηλαδή ένα υπομοντέλο για τις επιπλέον εκπομπές ψυχρής εκκίνησης του κινητήρα (CSEE) κατά τη διάρκεια της θέρμανσής του. Ακολούθως, το ημι-εμπειρικό μοντέλο του Euro 5 πετρελαιοκινητήρα Toyota 1ND, με όγκο εμβολισμού 1.4l και μέγιστη ροπή 190Nm, ενσωματώθηκε στο συνολικό μοντέλο οχήματος που μελετήθηκε στο πλαίσιο της διατριβής. Χαρακτηριστικά του μοντέλου σωλήνα Προκειμένου να ληφθούν υπόψιν οι απώλειες θερμότητας των καυσαερίων προς το περιβάλλον μεταξύ της εξόδου του κινητήρα και της εισόδου της διάταξης μετεπεξεργασίας τους ενσωματώθηκε ένα μοντέλο σωλήνα εξάτμισης στο συνολικό μοντέλο του οχήματος με τη χρήση τού λογισμικού axiheat [66] τής πλατφόρμας προσομοίωσης του εργαλείου axisuite ανάντη της κάθε αντιρρυπαντικής συσκευής (DOC και SCRF). Το axiheat υπολογίζει τις απώλειες θερμότητας προς το περιβάλλον με όλους τους πιθανούς τρόπους μεταφοράς (αγωγή, συναγωγή και ακτινοβολία). Η ροή της μάζας που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό μετάδοσης της θερμότητας είναι η χρονικά εξαρτώμενη ροή μάζας του καυσαερίου που καθορίζεται από το σενάριο οδήγησης ή υπολογίζεται βάσει του καυσαερίου στην έξοδο της ανάντη αντιρρυπαντικής συσκευής. Οι σωλήνες που εφαρμόσθηκαν στο συγκεκριμένο μοντέλο οχήματος ανάντη του DOC και της SCRF ήταν 0.8m και 0.2m αντίστοιχα, με 60mm διάμετρο και 1.5mm πάχος τοιχώματος.

90 Χαρακτηριστικά του μοντέλου τού DOC Η συσκευή DOC που χρησιμοποιήθηκε στη συγκεκριμένη εφαρμογή ήταν μονόλιθος κορδιερίτη, όγκου 1.5l, πυκνότητας καναλιών (cell density) 400cpsi και καταλυτικής επίστρωσης washcoat Pt-ζεόλιθου ίσης με 150g/l. Χαρακτηριστικά του μοντέλου τής SCRF Η συσκευή SCRF που χρησιμοποιήθηκε ήταν μονόλιθος κορδιερίτη των 2.5l, πυκνότητας καναλιών (cell density) 180cpsi και καταλυτικής επίστρωσης washcoat ίσης με 150g/l. Η αρχικά αποθηκευμένη ποσότητα αμμωνίας ήταν 0.15mole/mole site για το S1NH3 και 0.4mole/mole site για το S2NH3, λαμβάνοντας υπόψιν επίσης μία μη ομοιόμορφη κατανομή κατά μήκος της παγίδας. Χαρακτηριστικά του μοντέλου τού ελέγχου έγχυσης AdBlue Το ημι-εμπειρικό μοντέλο ΜΕΚ και οι συσκευές του axisuite συνδέθηκαν με το μοντέλο τού οχήματος velodyn εντός της Simulink πλατφόρμας με χρήση των κατάλληλων βιβλιοθηκών. Με τη σύζευξη του velodyn και του axisuite και εκτελώντας μία συνάρτηση κλειστού βρόχου βάσει της επιθυμητής αποθηκευμένης ποσότητας NH 3 στην SCRF, όπως παρουσιάζεται στην Εικόνα 93, διαμορφώθηκε ένα δυναμικό μοντέλο, ικανό να προσομοιώσει πλήρως το ολοκληρωμένο diesel όχημα. Εικόνα 90 Συνάρτηση ελέγχου έγχυσης AdBlue στο Simulink Η στρατηγική ελέγχου που εφαρμόσθηκε για τους σκοπούς της παρούσας μελέτης ήταν η επιβολή έγχυσης NH 3 για θερμοκρασία εισόδου στην SCRF ίση ή μεγαλύτερη των 180 C με στόχο η αποθηκευμένη ποσότητα NH 3 να παραμένει εντός των οριακών τιμών 0.5-0.6g/l. Χαρακτηριστικά του μοντέλου τού ελέγχου τού early post-injection (PoI) Με σκοπό τη διερεύνηση και μελέτη των ενδεχόμενων επιπτώσεων της θέρμανσης του καυσαερίου στις εκπομπές των νομοθετημένων ρύπων με εφαρμογή επιπρόσθετης έγχυσης

91 καυσίμου (early PoI) στον κινητήρα αναπτύχθηκε και εφαρμόσθηκε το αντίστοιχο μοντέλο ελέγχου εντός τού Simulink, το οποίο ενσωματώθηκε επίσης στο μοντέλο του οχήματος στο velodyn και απεικονίζεται στην Εικόνα 91. Εικόνα 91 Συνάρτηση ελέγχου early post-injection στο Simulink Μέσω της ενθαλπίας υπολογίσθηκε η νέα θερμοκρασία του καυσίμου, μετά την εφαρμογή της έγχυσης επιπρόσθετου καυσίμου (early PoI), όπως παρουσιάζουν οι Σχέσεις ( 22 ) και ( 23 ) που ακολουθούν. `(HG = `IHa +b` ( 22 ) # Hcdef = Hc [eog h# Hciej ;# Hck l>mn aoh& pq aoh& X a X )c r Hc >pq aoh& s [eog ># Hck ( 23 ) Η στρατηγική ελέγχου που εφαρμόσθηκε για τους σκοπούς της διατριβής ήταν η επιβολή επιπρόσθετης έγχυσης καυσίμου για διάρκεια 800s από την εκκίνηση του κρύου κύκλου οδήγησης (ή αθροιστική διάρκεια 800s με τον κινητήρα σε λειτουργία για την περίπτωση του υβριδικού οχήματος) με τιμές ±3% και ±6% fuel penalty, τιμές οι οποίες έπειτα ανήχθηκαν σε ολόκληρη τη διάρκεια του υπό μελέτη κύκλου για την παρουσίαση των αποτελεσμάτων. Ένα παράδειγμα του αποτελέσματος της εφαρμογής της συγκεκριμένης στρατηγικής ελέγχου στη θερμοκρασία καυσαερίου του συμβατικού οχήματος στην έξοδο του κινητήρα στην περίπτωση του NEDC με +3% και +6% fuel penalty για τα πρώτα 800s του κύκλου δίνεται στην Εικόνα 92 παρακάτω.

92 Εικόνα 92 Παράδειγμα εφαρμογής της συνάρτησης ελέγχου επιπρόσθετης έγχυσης καυσίμου με σκοπό τη θέρμανση του καυσαερίου 5.1.2 Ολοκληρωμένο μοντέλο υβριδικού οχήματος πετρελαίου με αντιρρυπαντικό σύστημα DOC+SCRF Μετά την ανάπτυξη του συμβατικού μοντέλου οχήματος κατασκευάστηκε ένα μοντέλο υβριδικού οχήματος με σύστημα παράλληλης διάταξης μετάδοσης ισχύος. Το υβριδικό σύστημα κίνησης λειτουργεί με 16 διαφορετικούς τρόπους, εξασφαλίζοντας μια πιο αποτελεσματική διαχείριση της διανομής ισχύος και ροπής. Η ΜΕΚ λειτουργεί με 3 τρόπους, τη λειτουργία φόρτισης της μπαταρίας από τη ΜΕΚ (charge-by-engine), τη λειτουργία υποβοήθησης της ροπής (torque-assist) και τη λειτουργία ενισχυμένης ροπής (boost). Κατά τη λειτουργία φόρτισης προσομοιώνεται η συμπεριφορά της φόρτισης της μπαταρίας με τη χρήση του πετρελαιοκινητήρα σε κατάσταση υψηλού φορτίου. Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας υποβοήθησης της ροπής η ΜΕΚ λειτουργεί στη χαρακτηριστική γραμμή βέλτιστης κατανάλωσης καυσίμου, προκειμένου να επιτευχθεί καλύτερη απόδοση του υβριδικού οχήματος. Τελικά, η λειτουργία boost ενεργοποιείται μόνο στην περίπτωση οδήγησης σε ιδιαιτέρως υψηλή ροπή και ο κινητήρας λειτουργεί στην καμπύλη πλήρους φορτίου. Το αναπτυχθέν μοντέλο οχήματος πετρελαίου με σύστημα παράλληλης διάταξης μετάδοσης ισχύος παρουσιάζεται στην Εικόνα 93, συζευγμένο με το προηγουμένως περιγραφέν σύστημα μετεπεξεργασίας καυσαερίων DOC και SCRF.

93 Εικόνα 93 Ολοκληρωμένο μοντέλο του υβριδικού οχήματος πετρελαίου με ενσωματωμένο DOC και SCRF που εφαρμόσθηκε στο velodyn Χαρακτηριστικά του υβριδικού μοντέλου οχήματος Το αναπτυχθέν μοντέλο είναι ενός οχήματος πετρελαίου με σύστημα παράλληλης διάταξης μετάδοσης ισχύος, του οποίου το σύστημα κίνησης αποτελείται από τη ΜΕΚ που περιγράφηκε για την περίπτωση του μοντέλου συμβατικού οχήματος, έναν ηλεκτροκινητήρα (μέγιστης ισχύος 14kW) και μία μπαταρία Li-Ion (χωρητικότητας 1.5kWh). Επίσης, λαμβάνεται υπόψιν μία επιπρόσθετη μάζα ίση με 98kg συγκριτικά με το συμβατικό όχημα (48kg για τη μπαταρία και 50kg για τον ηλεκτροκινητήρα). Ακολούθως, μελετήθηκαν άλλες δύο διαφορετικές περιπτώσεις βαθμού υβριδοποίησης εκτός της τιμής αναφοράς και οι επιπτώσεις τους στις εκπομπές νομοθετημένων ρύπων αλλάζοντας τον αριθμό των κυψελών της μπαταρίας κατά ±50%. Με τον τρόπο αυτόν δημιουργήθηκαν τα δύο μοντέλα ήπιου (mild) και μεγάλου (heavy) βαθμού υβριδοποίησης, με αριθμό κυψελών μπαταρίας 120 και 360, αντίστοιχα, διατηρώντας τον αρχικό βαθμό φόρτισής της (SoC) όμοιο με του οχήματος αναφοράς σε κάθε κύκλο οδήγησης. Ένα παράδειγμα των διαφορετικών προφίλ ροής μάζας καυσαερίου και θερμοκρασιών στην έξοδο του κινητήρα, ανάντη και κατάντη της αντιρρυπαντικής συσκευής SCRF στη διάρκεια του WLTC παρουσιάζεται στα γραφήματα στην Εικόνα 94 που ακολουθεί. Το πρώτο γράφημα αντιστοιχεί στο υβριδικό όχημα αναφοράς (default), το δεύτερο στο όχημα ήπιας υβριδοποίησης (mild) και το τρίτο στο όχημα μεγάλου βαθμού υβριδοποίησης (heavy).

94 Εικόνα 94 Θερμοκρασίες και ροή μάζας καυσαερίου στην έξοδο του κινητήρα, ανάντη και κατάντη της SCRF για τρία οχήματα με διαφορετικό βαθμό υβριδοποίησης: α. default, β. mild, γ. heavy (WLTC)

95 5.1.3 Παρουσίαση των αποτελεσμάτων για την περίπτωση εφαρμογής αντιρρυπαντικού συστήματος DOC+SCRF Στην ενότητα αυτήν παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων για όλες τις περιπτώσεις συμβατικού και υβριδικού οχήματος με εφαρμογή του αντιρρυπαντικού συστήματος DOC+SCRF. Θα πρέπει να σημειωθεί πως τα σενάρια έχουν δημιουργηθεί σε όλες τις περιπτώσεις έτσι ώστε τα οχήματα με βαθμό υβριδοποίησης αναφοράς (default) να έχουν μετά το πέρας του κάθε κύκλου οδήγησης τον ίδιο βαθμό φόρτισης της μπαταρίας (SoC) με αυτόν που είχαν στην έναρξη του κύκλου. Στην Εικόνα 95 και την Εικόνα 96 δίνονται οι θερμοκρασίες του καυσαερίου ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC και SCRF, καθώς και η ροή μάζας του στη διάρκεια ενός NEDC για την περίπτωση του συμβατικού και του υβριδικού μοντέλου οχήματος, αντίστοιχα. Εικόνα 95 Θερμοκρασίες και ροή μάζας καυσαερίου ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC και SCRF του συμβατικού οχήματος (NEDC)

96 Εικόνα 96 Θερμοκρασίες και ροή μάζας καυσαερίου στην έξοδο του κινητήρα και ανάντη και κατάντη τής συσκευής SCRF του υβριδικού οχήματος (NEDC) Είναι προφανές πως στην περίπτωση του υβριδικού οχήματος επιτυγχάνεται ταχύτερη θέρμανση του αντιρρυπαντικού συστήματος εξαιτίας των υψηλών φορτίων λειτουργίας συγκριτικά με του συμβατικού μοντέλου, παρά το σβησίματα που λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια του κύκλου, όπως έχει ήδη αναφερθεί λεπτομερώς στο Κεφάλαιο 2.1. Η Εικόνα 97 και η Εικόνα 98 παρουσιάζουν τις στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων CO ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC-SCRF για τον ίδιο κύκλο και τις δύο περιπτώσεις οχημάτων. Εικόνα 97 Στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων CO ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC-SCRF του συμβατικού οχήματος (NEDC)

97 Εικόνα 98 Στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων CO ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC-SCRF του υβριδικού οχήματος (NEDC) Όπως φαίνεται και στην Εικόνα 99 και την Εικόνα 100, οι τιμές των αθροιστικών συγκεντρώσεων CO παραμένουν ασφαλώς εντός των νομοθετημένων ορίων (T/A), τόσο για την περίπτωση του μοντέλου συμβατικού οχήματος, όσο και για του υβριδικού. Εικόνα 99 Αθροιστικές τιμές συγκεντρώσεων CO ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC-SCRF του συμβατικού οχήματος (NEDC)

98 Εικόνα 100 Αθροιστικές τιμές συγκεντρώσεων CO ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC-SCRF του υβριδικού οχήματος (NEDC) Τα αντίστοιχα γραφήματα παρουσιάζονται για τις στιγμιαίες συγκεντρώσεις HC ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC-SCRF των δύο μοντέλων οχημάτων στην Εικόνα 101 και την Εικόνα 102 παρακάτω. Εικόνα 101 Στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων HC ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC-SCRF του συμβατικού οχήματος (NEDC)

99 Εικόνα 102 Στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων HC ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC-SCRF του υβριδικού οχήματος (NEDC) Στην Εικόνα 103 και την Εικόνα 104 που ακολουθούν είναι εμφανής η μείωση των εκπεμπόμενων HC στη διάρκεια του NEDC για την περίπτωση του υβριδικού οχήματος σε σύγκριση με του συμβατικού, τόσο στην έξοδο του κινητήρα, όσο και κατάντη τού συστήματος αντιρρύπανσης. Εικόνα 103 Αθροιστικές τιμές συγκεντρώσεων HC ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC-SCRF του συμβατικού οχήματος (NEDC)

100 Εικόνα 104 Αθροιστικές τιμές συγκεντρώσεων HC ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC-SCRF του υβριδικού οχήματος (NEDC) Τα αντίστοιχα γραφήματα στιγμιαίων τιμών συγκεντρώσεων NO x ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC-SCRF δίνονται στην Εικόνα 105 και την Εικόνα 106 για τα δύο μοντέλα. Εικόνα 105 Στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων NOx ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC-SCRF του συμβατικού οχήματος (NEDC)

101 Εικόνα 106 Στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων NOx ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC-SCRF του υβριδικού οχήματος (NEDC) Οι αθροιστικές τιμές των NO x, λόγω του ιδιαίτερου ενδιαφέροντος και της κρισιμότητας που παρουσιάζουν στην περίπτωση των diesel οχημάτων θα παρουσιασθούν και θα αναλυθούν με μεγαλύτερη λεπτομέρεια αργότερα μέσα στην παρούσα ενότητα. Η Εικόνα 107 και η Εικόνα 108 παρουσιάζουν τις στιγμιαίες τιμές εγχεόμενης και αποθηκευμένης ποσότητας NH 3 στην SCRF για το μοντέλο συμβατικού και υβριδικού οχήματος, αντίστοιχα, στη διάρκεια του NEDC μετά την εφαρμογή της στρατηγικής έγχυσης που περιγράφηκε στη σχετική υπο-ενότητα.

102 Εικόνα 107 Στιγμιαίες τιμές εγχεόμενης και αποθηκευμένης ποσότητας NH3 στην SCRF του συμβατικού οχήματος (NEDC) Εικόνα 108 Στιγμιαίες τιμές εγχεόμενης και αποθηκευμένης ποσότητας NH3 στην SCRF του υβριδικού οχήματος (NEDC)

103 Ακολούθως, στην Εικόνα 109 έως και την Εικόνα 122 παρουσιάζονται τα αντίστοιχα διαγράμματα για τα ίδια μοντέλα οχημάτων για την περίπτωση προσομοίωσης του WLTC, ενός περισσότερο μεταβατικού κύκλου οδήγησης σε σχέση με τον NEDC. Εικόνα 109 Θερμοκρασίες και ροή μάζας καυσαερίου ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC και SCRF του συμβατικού οχήματος (WLTC) Εικόνα 110 Θερμοκρασίες και ροή μάζας καυσαερίου ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC και SCRF του υβριδικού οχήματος (WLTC)

104 Εικόνα 111 Στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων CO ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC-SCRF του συμβατικού οχήματος (WLTC) Εικόνα 112 Στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων CO ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC-SCRF του υβριδικού οχήματος (WLTC)

105 Εικόνα 113 Αθροιστικές τιμές συγκεντρώσεων CO ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC-SCRF του συμβατικού οχήματος (WLTC) Εικόνα 114 Αθροιστικές τιμές συγκεντρώσεων CO ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC-SCRF του υβριδικού οχήματος (WLTC)

106 Εικόνα 115 Στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων HC ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC-SCRF του συμβατικού οχήματος (WLTC) Εικόνα 116 Στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων HC ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC-SCRF του υβριδικού οχήματος (WLTC)

107 Εικόνα 117 Αθροιστικές τιμές συγκεντρώσεων HC ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC-SCRF του συμβατικού οχήματος (WLTC) Εικόνα 118 Αθροιστικές τιμές συγκεντρώσεων HC ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC-SCRF του υβριδικού οχήματος (WLTC)

108 Εικόνα 119 Στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων NOx ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC-SCRF του συμβατικού οχήματος (WLTC) Εικόνα 120 Στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων NOx ανάντη και κατάντη των συσκευών DOC-SCRF του υβριδικού οχήματος (WLTC)

109 Εικόνα 121 Στιγμιαίες τιμές εγχεόμενης και αποθηκευμένης ποσότητας NH3 στην SCRF του συμβατικού οχήματος (WLTC) Εικόνα 122 Στιγμιαίες τιμές εγχεόμενης και αποθηκευμένης ποσότητας NH3 στην SCRF του υβριδικού οχήματος (WLTC)

110 Μελετώντας τα αποτελέσματα της προσομοίωσης των WLTC επιβεβαιώνονται οι συμπεριφορές που παρατηρήθηκαν και τα συμπεράσματα που εξήχθησαν και στην περίπτωση του NEDC αναφορικά με τη σύγκριση των μοντέλων συμβατικού και υβριδικού οχήματος. Εστιάζοντας στην περίπτωση των εκπομπών NO x, οι οποίες αποτελούν το κρίσιμο σημείο της αντιρρύπανσης των πετρελαιοκίνητων οχημάτων, όπως προαναφέρθηκε, μελετήθηκαν οι τέσσερεις ως προς το βαθμό υβριδοποίησής τους τύποι οχημάτων (συμβατικό, default υβριδικό, mild υβριδικό, heavy υβριδικό) για τις πέντε διαφορετικές περιπτώσεις fuel penalty μέσω επιπρόσθετης έγχυσης καυσίμου (early post-injection): 0%, ±3% και ±6% για 800s λειτουργίας του κινητήρα μετά την ψυχρή του εκκίνηση. Στην Εικόνα 123 που ακολουθεί παρουσιάζονται συγκριτικά οι τιμές των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης αναφορικά με την απόδοση μετατροπής των NO x τής SCRF μεταξύ των περιπτώσεων συμβατικού οχήματος και των τριών υβριδικών οχημάτων συναρτήσει της επιπλέον κατανάλωσης καυσίμου κατά τη διάρκεια ενός NEDC. Εικόνα 123 Συγκριτικό διάγραμμα των προσομοιωμένων τιμών απόδοσης μετατροπής των NOx τής SCRF για τα τέσσερα οχήματα συναρτήσει της επιπλέον κατανάλωσης καυσίμου (NEDC) Στην περίπτωση των υβριδικών οχημάτων, η θετική επίδραση της επιπρόσθετης θέρμανσης δείχνει να αντισταθμίζεται από τις ήδη υψηλές τιμές τής απόδοσης μετατροπής NO x. Οι τιμές αυτές είναι δικαιολογημένες αν συναξιολογηθούν οι αντίστοιχα υψηλότερες τιμές των μέσων θερμοκρασιών στην είσοδο της SCRF για τις υβριδικές εφαρμογές στο διάστημα που λειτουργεί η ΜΕΚ, όπως καταδεικνύεται στην Εικόνα 124 που ακολουθεί.

111 Εικόνα 124 Συγκριτικό διάγραμμα των προσομοιωμένων τιμών μέσων θερμοκρασιών ανάντη της SCRF στο διάστημα λειτουργίας του πετρελαιοκινητήρα για τα τέσσερα οχήματα (NEDC) Στην Εικόνα 125 παρακάτω παρουσιάζονται συγκριτικά οι τιμές των αποτελεσμάτων της μελέτης αναφορικά με τις αθροιστικές εκπομπές των NO x κατάντη τής SCRF μεταξύ των περιπτώσεων συμβατικού οχήματος και των τριών υβριδικών οχημάτων συναρτήσει της επιπρόσθετης κατανάλωσης καυσίμου κατά τη διάρκεια του NEDC. Στο ίδιο γράφημα προσδιορίζεται η τιμή του νομοθετημένου ορίου (T/A) για τις εκπομπές NO x.

112 Εικόνα 125 Συγκριτικό διάγραμμα των προσομοιωμένων τιμών αθροιστικών εκπομπών NOx κατάντη της SCRF για τα τέσσερα οχήματα συναρτήσει της επιπλέον κατανάλωσης καυσίμου (NEDC) Ο υψηλός βαθμός υβριδοποίησης φαίνεται πως οδηγεί σε χαμηλότερες τιμές NO x στην έξοδο του κινητήρα και ταχύτερη θέρμανση της SCRF λόγω της λειτουργίας σε υψηλότερα φορτία. Η Εικόνα 126 αποτελεί το συγκριτικό διάγραμμα των προσομοιωμένων τιμών αθροιστικών εκπομπών NO x στην έξοδο του κινητήρα και κατάντη τής SCRF για τα τέσσερα οχήματα συναρτήσει της επιπλέον κατανάλωσης καυσίμου στον NEDC.

113 Εικόνα 126 Συγκριτικό διάγραμμα των προσομοιωμένων τιμών αθροιστικών εκπομπών NOx στην έξοδο του κινητήρα και κατάντη της SCRF για τα τέσσερα οχήματα συναρτήσει της επιπλέον κατανάλωσης καυσίμου (NEDC) Ο υψηλός αριθμός NO x στην έξοδο του κινητήρα φαίνεται πως είναι η αιτία του υψηλού κινδύνου για την περίπτωση των υβριδικών οχημάτων, ιδιαιτέρως σε χαμηλού βαθμού υβριδοποίηση. Ακολούθως παρατίθενται τα αντίστοιχα γραφήματα για την περίπτωση του WLTC. Έτσι, στην Εικόνα 127 παρουσιάζονται συγκριτικά οι υπολογισμένες τιμές απόδοσης μετατροπής των NO x της SCRF για τα τέσσερα οχήματα συναρτήσει της επιπλέον κατανάλωσης καυσίμου στη διάρκεια του κύκλου οδήγησης.

114 Εικόνα 127 Συγκριτικό διάγραμμα των προσομοιωμένων τιμών απόδοσης μετατροπής των NOx της SCRF για τα τέσσερα οχήματα συναρτήσει της επιπλέον κατανάλωσης καυσίμου (WLTC) Παρατηρείται πως οι τιμές απόδοσης μετατροπής των NO x στην περίπτωση του συμβατικού οχήματος είναι υψηλότερες κατά τη διάρκεια του WLTC από ό,τι στον NEDC εξαιτίας των υψηλότερων θερμοκρασιών, οι οποίες οδηγούν σε καλύτερους βαθμούς απόδοσης. Οι μέσες τιμές των θερμοκρασιών στην είσοδο της SCRF για το διάστημα λειτουργίας της ΜΕΚ στον WLTC για τους τέσσερεις διαφορετικούς τύπους οχημάτων παρουσιάζονται στην Εικόνα 128 κάτωθι.

115 Εικόνα 128 Συγκριτικό διάγραμμα των προσομοιωμένων τιμών μέσων θερμοκρασιών ανάντη της SCRF στο διάστημα λειτουργίας του πετρελαιοκινητήρα για τα τέσσερα οχήματα (WLTC) Η Εικόνα 129 αποτελεί το συγκριτικό διάγραμμα των προσομοιωμένων τιμών αθροιστικών εκπομπών NO x κατάντη τής SCRF για τα τέσσερα οχήματα συναρτήσει της επιπλέον κατανάλωσης καυσίμου στη διάρκεια του WLTC.

116 Εικόνα 129 Συγκριτικό διάγραμμα των προσομοιωμένων τιμών αθροιστικών εκπομπών NOx κατάντη της SCRF για τα τέσσερα οχήματα συναρτήσει της επιπλέον κατανάλωσης καυσίμου (WLTC) Όπως και στην περίπτωση του NEDC, η θετική επίδραση της επιπρόσθετης θέρμανσης φαίνεται πως αντισταθμίζεται από τις υψηλές τιμές του βαθμού απόδοσης μετατροπής των NO x τής SCRF. Στην Εικόνα 130 που ακολουθεί παρουσιάζονται συγκριτικά οι προσομοιωμένες τιμές αθροιστικών εκπομπών NO x στην έξοδο του κινητήρα και κατάντη τής SCRF για τα μοντέλα του συμβατικού και των τριών υβριδικών οχημάτων συναρτήσει της επιπλέον κατανάλωσης καυσίμου στον WLTC.

117 Εικόνα 130 Συγκριτικό διάγραμμα των προσομοιωμένων τιμών αθροιστικών εκπομπών NOx στην έξοδο του κινητήρα και κατάντη τής SCRF για τα τέσσερα οχήματα συναρτήσει της επιπλέον κατανάλωσης καυσίμου (WLTC) Αντίστοιχα επιβεβαιώνεται η ίδια συμπεριφορά του WLTC με τον NEDC που παρουσιάσθηκε ανωτέρω, οπότε παρουσιάζονται χαμηλότερες συγκεντρώσεις NO x κατάντη των αντιρρυπαντικών συσκευών λόγω των χαμηλότερων τιμών τους ανάντη και της ταχύτερης θέρμανσης της SCRF εξαιτίας της λειτουργίας σε υψηλότερα φορτία. 5.1.4 Ολοκληρωμένο μοντέλο συμβατικού οχήματος πετρελαίου με αντιρρυπαντικό σύστημα LNT Το συμβατικό όχημα πετρελαίου με αυτόματο κιβώτιο ταχυτήτων που αναπτύχθηκε και μελετήθηκε είναι όμοιο με αυτό που περιγράφηκε στην προηγούμενη ενότητα για την περίπτωση DOC+SCRF και παρουσιάζεται στην Εικόνα 131 που ακολουθεί, έχοντας ενσωματωμένη αντιρρυπαντική συσκευή LNT στο σύστημα εξάτμισης.

118 Εικόνα 131 Ολοκληρωμένο μοντέλο του συμβατικού οχήματος πετρελαίου με ενσωματωμένο LNT που εφαρμόσθηκε στο velodyn Χαρακτηριστικά του μοντέλου LNT Η συσκευή LNT που χρησιμοποιήθηκε με χρήση του axicat για το συγκεκριμένο μοντέλο ήταν ένας μονόλιθος κορδιερίτη όγκου 1.5l, πυκνότητα καναλιών (cell density) ίση με 400cpsi και καταλυτική επίστρωση πυκνότητας 370g/ l. Επίσης, σε όλα τα σενάρια των προσομοιώσεων που έλαβαν χώρα στο πλαίσιο της διατριβής για την περίπτωση της LNT εφαρμογής εφαρμόσθηκαν οι ίδιες αρχικές τιμές αποθηκευμένων ποσοτήτων Ce και Ba, όπως συνοψίζει ο Πίνακας 5 που ακολουθεί. Initial CeO 2 Initial fceo 2 Initial fba(no 3) 2 1 mole/mole site 1 mole/mole site 0.3 mole/mole site Πίνακας 5 Τιμές αρχικά αποθηκευμένων ποσοτήτων στο LNT

119 Χαρακτηριστικά του μοντέλου τού ελέγχου έγχυσης καυσίμου στο LNT Αντίστοιχα με την περίπτωση των DOC+SCRF, το ημι-εμπειρικό μοντέλο ΜΕΚ και οι συσκευές του axisuite συνδέθηκαν με το μοντέλο τού οχήματος velodyn εντός της Simulink πλατφόρμας με χρήση των κατάλληλων βιβλιοθηκών. Με τη σύζευξη του velodyn και του axisuite και εκτελώντας μία συνάρτηση κλειστού βρόχου βάσει της επιθυμητής αποθηκευμένης ποσότητας NO x εντός τού LNT, όπως παρουσιάζεται στην Εικόνα 132, διαμορφώθηκε ένα δυναμικό μοντέλο, ικανό να προσομοιώσει πλήρως το ολοκληρωμένο diesel όχημα. Εικόνα 132 Συνάρτηση ελέγχου έγχυσης καυσίμου στο Simulink Η στρατηγική ελέγχου που εφαρμόσθηκε για τους σκοπούς της παρούσας μελέτης ήταν η επιβολή έγχυσης καυσίμου, δηλαδή μετάβαση από φτωχή σε πλούσια λειτουργία, για θερμοκρασία εισόδου στο LNT μεταξύ των τιμών 120 C και 400 C με στόχο η αποθηκευμένη ποσότητα NO x να παραμένει εντός των οριακών τιμών 3-9mol/m 3, καθώς και για θερμοκρασίες εισόδου μεγαλύτερες ή ίσες των 400 C, ώστε η αποθηκευμένη ποσότητα NO x να παραμένει εντός των οριακών τιμών 1.7-6.2mol/m 3. Κατά την έγχυση του καυσίμου και λειτουργία σε πλούσιο μείγμα το λάμδα λαμβάνει την τιμή 0.95 (t IT$c = 0,95). Όπως γίνεται κατανοητό, στην περίπτωση εφαρμογής του συγκεκριμένου μοντέλου ελέγχου υπάρχει ένα επιπλέον fuel penalty, διαφορετικό για κάθε σενάριο κύκλου οδήγησης και το οποίο πρέπει να συνυπολογισθεί στην εκάστοτε επιπρόσθετη κατανάλωση καυσίμου, όποτε αυτή υφίσταται. Ο υπολογισμός του επιπλέον καυσίμου υπολογίζεται βάσει των Σχέσεων ( 24 ), ( 25 ) και ( 26 ) που ακολουθούν. pq 3Mu = v w IT$c +x w &H'( x (w IT$c +w &H'( ) 1 ( 24 ) v = x = y t IT$c vz+1 y t &H'( vz+1 ( 25 ) ( 26 )

120 Επομένως, η συνολική επιπλέον κατανάλωση καυσίμου για κάθε LNT σενάριο υπολογίζεται ως το άθροισμα των δύο περιπτώσεων, όπως δίνεται από στη Σχέση ( 27 ). pq )%)'& = pq H'I&{ %} +pq 3Mu ( 27 ) 5.1.5 Ολοκληρωμένο μοντέλο υβριδικού οχήματος πετρελαίου με αντιρρυπαντικό σύστημα LNT Το υβριδικό μοντέλο οχήματος πετρελαίου με σύστημα παράλληλης διάταξης μετάδοσης ισχύος που περιγράφηκε χρησιμοποιήθηκε και στην περίπτωση μελέτης εφαρμογής LNT ως αντιρρυπαντικής συσκευής. Το νέο μοντέλο παρουσιάζεται στην Εικόνα 133, συζευγμένο με το επίσης προηγουμένως περιγραφέν σύστημα μετεπεξεργασίας καυσαερίων LNT. Εικόνα 133 Ολοκληρωμένο μοντέλο του υβριδικού οχήματος πετρελαίου με ενσωματωμένο LNT που εφαρμόσθηκε στο velodyn 5.1.6 Παρουσίαση των αποτελεσμάτων για την περίπτωση εφαρμογής αντιρρυπαντικού συστήματος LNT Στην παρούσα ενότητα παρατίθενται τα αποτελέσματα της εφαρμογής του αντιρρυπαντικού συστήματος LNT, αντίστοιχα με όσα παρουσιάσθηκαν για την περίπτωση εφαρμογής DOC-SCRF στο υπο-κεφάλαιο 5.1.3.

121 Στην Εικόνα 134 και την Εικόνα 135 δίνονται οι θερμοκρασίες του καυσαερίου ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT, καθώς και η ροή μάζας του στη διάρκεια ενός NEDC για την περίπτωση του συμβατικού και του υβριδικού μοντέλου οχήματος, αντίστοιχα. Εικόνα 134 Θερμοκρασίες και ροή μάζας καυσαερίου ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT του συμβατικού οχήματος (NEDC) Εικόνα 135 Θερμοκρασίες και ροή μάζας καυσαερίου ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT του υβριδικού οχήματος (NEDC) Η Εικόνα 136 και η Εικόνα 137 παρουσιάζουν τις στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων CO ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT για τον ίδιο κύκλο και τις δύο περιπτώσεις οχημάτων, αντίστοιχα.

122 Εικόνα 136 Στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων CO ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT του συμβατικού οχήματος (NEDC) Εικόνα 137 Στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων CO ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT του υβριδικού οχήματος (NEDC) Όπως φαίνεται και στην Εικόνα 138 και την Εικόνα 139, οι τιμές των αθροιστικών συγκεντρώσεων CO παραμένουν με ασφάλεια εντός των νομοθετημένων ορίων (T/A) και για την περίπτωση εφαρμογής LNT ως αντιρρυπαντικής συσκευής, τόσο για την περίπτωση του μοντέλου συμβατικού οχήματος, όσο και για του υβριδικού.

123 Εικόνα 138 Αθροιστικές τιμές συγκεντρώσεων CO ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT του συμβατικού οχήματος (NEDC) Εικόνα 139 Αθροιστικές τιμές συγκεντρώσεων CO ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT του υβριδικού οχήματος (NEDC) Τα αντίστοιχα γραφήματα παρουσιάζονται για τις στιγμιαίες συγκεντρώσεις HC ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT των δύο μοντέλων οχημάτων στην Εικόνα 140 και την Εικόνα 141 παρακάτω.

124 Εικόνα 140 Στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων HC ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT του συμβατικού οχήματος (NEDC) Εικόνα 141 Στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων HC ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT του υβριδικού οχήματος (NEDC) Στην Εικόνα 142 και την Εικόνα 143που ακολουθούν είναι εμφανής η μείωση των εκπεμπόμενων HC στη διάρκεια του NEDC για την περίπτωση του υβριδικού οχήματος σε σύγκριση με του συμβατικού, τόσο στην έξοδο του κινητήρα, όσο και κατάντη τού συστήματος αντιρρύπανσης.

125 Εικόνα 142 Αθροιστικές τιμές συγκεντρώσεων HC ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT του συμβατικού οχήματος (NEDC) Εικόνα 143 Αθροιστικές τιμές συγκεντρώσεων HC ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT του υβριδικού οχήματος (NEDC) Τα αντίστοιχα γραφήματα στιγμιαίων τιμών συγκεντρώσεων NO x ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT δίνονται στην Εικόνα 144 και την Εικόνα 145 για τα δύο μοντέλα.

126 Εικόνα 144 Στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων NOx ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT του συμβατικού οχήματος (NEDC) Εικόνα 145 Στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων NOx ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT του υβριδικού οχήματος (NEDC) Όπως αναφέρθηκε και στην περίπτωση DOC-SCRF, oι αθροιστικές τιμές των NO x, λόγω του ιδιαίτερου ενδιαφέροντος και της κρισιμότητας που παρουσιάζουν στην περίπτωση των diesel οχημάτων θα παρουσιασθούν και θα αναλυθούν με μεγαλύτερη λεπτομέρεια αργότερα μέσα στην παρούσα ενότητα και για την LNT εφαρμογή. Η Εικόνα 146 και η Εικόνα 147 παρουσιάζουν τις στιγμιαίες τιμές αποθηκευμένης σε Ba ποσότητας NO x στην συσκευή LNT για τα μοντέλα συμβατικού και υβριδικού οχήματος,

127 αντίστοιχα, στη διάρκεια του NEDC μετά την εφαρμογή της στρατηγικής επιπρόσθετης έγχυσης καυσίμου που περιγράφηκε στη σχετική υπο-ενότητα. Εικόνα 146 Στιγμιαίες τιμές αποθηκευμένης ποσότητας NOx στη συσκευή LNT για την περίπτωση του μοντέλου συμβατικού οχήματος (NEDC) Εικόνα 147 Στιγμιαίες τιμές αποθηκευμένης ποσότητας NOx στη συσκευή LNT για την περίπτωση του μοντέλου υβριδικού οχήματος (NEDC) Ακολούθως, στην Εικόνα 148 έως και την Εικόνα 161 παρουσιάζονται τα αντίστοιχα διαγράμματα για τα ίδια μοντέλα οχημάτων με σύστημα αντιρρύπανσης βασισμένο στο LNT για την περίπτωση προσομοίωσης του WLTC.

128 Εικόνα 148 Θερμοκρασίες και ροή μάζας καυσαερίου ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT του συμβατικού οχήματος (WLTC) Εικόνα 149 Θερμοκρασίες και ροή μάζας καυσαερίου ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT του υβριδικού οχήματος (WLTC)

129 Εικόνα 150 Στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων CO ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT του συμβατικού οχήματος (WLTC) Εικόνα 151 Στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων CO ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT του υβριδικού οχήματος (WLTC)

130 Εικόνα 152 Αθροιστικές τιμές συγκεντρώσεων CO ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT του συμβατικού οχήματος (WLTC) Εικόνα 153 Αθροιστικές τιμές συγκεντρώσεων CO ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT του υβριδικού οχήματος (WLTC)

131 Εικόνα 154 Στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων HC ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT του συμβατικού οχήματος (WLTC) Εικόνα 155 Στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων HC ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT του υβριδικού οχήματος (WLTC)

132 Εικόνα 156 Αθροιστικές τιμές συγκεντρώσεων HC ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT του συμβατικού οχήματος (WLTC) Εικόνα 157 Αθροιστικές τιμές συγκεντρώσεων HC ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT του υβριδικού οχήματος (WLTC)

133 Εικόνα 158 Στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων NOx ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT του συμβατικού οχήματος (WLTC) Εικόνα 159 Στιγμιαίες τιμές συγκεντρώσεων NOx ανάντη και κατάντη της συσκευής LNT του υβριδικού οχήματος (WLTC)

134 Εικόνα 160 Στιγμιαίες τιμές αποθηκευμένης ποσότητας NOx στη συσκευή LNT για την περίπτωση του μοντέλου συμβατικού οχήματος (WLTC) Εικόνα 161 Στιγμιαίες τιμές αποθηκευμένης ποσότητας NOx στη συσκευή LNT για την περίπτωση του μοντέλου υβριδικού οχήματος (WLTC) Μελετώντας τα αποτελέσματα της προσομοίωσης των WLTC επιβεβαιώνονται οι συμπεριφορές που παρατηρήθηκαν και τα συμπεράσματα που εξήχθησαν και στην περίπτωση του NEDC αναφορικά με τη σύγκριση των μοντέλων συμβατικού και υβριδικού οχήματος, με εξαίρεση τις αυξημένες αθροιστικές εκπομπές HC στην περίπτωση του υβριδικού, γεγονός που εξηγείται με τον αντίστοιχα σημαντικά αυξημένο αριθμό εγχύσεων επιπλέον καυσίμου (πέρασμα του μείγματος σε πλούσια φάση). Εξετάζοντας τα χαρακτηριστικά του καυσαερίου, οι εγχύσεις αυτές επιβάλλονται από τις διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας, όπου παρατηρούνται έντονα αυξημένες θερμοκρασίες και τιμές εκπομπών NO x στην έξοδο του πετρελαιοκινητήρα.

135 Εστιάζοντας στην περίπτωση των εκπομπών NO x, οι οποίες αποτελούν το κρίσιμο σημείο της αντιρρύπανσης των πετρελαιοκίνητων οχημάτων, όπως επισημάνθηκε ήδη, μελετήθηκαν οι τέσσερεις ως προς το βαθμό υβριδοποίησής τους τύποι οχημάτων (συμβατικό, default υβριδικό, mild υβριδικό, heavy υβριδικό) με LNT αντιρρυπαντική συσκευή για τις πέντε διαφορετικές περιπτώσεις fuel penalty μέσω επιπρόσθετης έγχυσης καυσίμου (early post-injection): 0%, ±3% και ±6% για 800s λειτουργίας του κινητήρα μετά την ψυχρή του εκκίνηση, αντίστοιχα με την προηγουμένως περιγραφείσα περίπτωση εφαρμογής DOC-SCRF. Στην Εικόνα 162 που ακολουθεί παρουσιάζονται συγκριτικά οι τιμές των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης αναφορικά με την απόδοση μετατροπής των NO x τού LNT μεταξύ των περιπτώσεων συμβατικού οχήματος και των τριών υβριδικών οχημάτων συναρτήσει της επιπλέον κατανάλωσης καυσίμου κατά τη διάρκεια ενός NEDC. Εικόνα 162 Συγκριτικό διάγραμμα των προσομοιωμένων τιμών απόδοσης μετατροπής των NOx τού LNT για τα τέσσερα οχήματα συναρτήσει της επιπλέον κατανάλωσης καυσίμου (NEDC) Τα αποτελέσματα της μελέτης του NEDC αποτελούν ένδειξη πως η επιλογή εφαρμογής του LNT ως αντιρρυπαντικής συσκευής είναι καταλληλότερη στην περίπτωση των υβριδικών οχημάτων από ό,τι στα συμβατικά. Συγκριτικά με την εφαρμογή DOC+SCRF, επίσης, αποτελεί μία απλούστερη και μικρότερη συσκευή, γεγονός που συνεπάγεται ταχύτερη θέρμανσή της και, άρα, υψηλότερες τιμές για την απόδοση μετατροπής των NO x. Το γεγονός αυτό είναι εμφανές στην Εικόνα 163, η οποία παρουσιάζει τις μέσες τιμές των θερμοκρασιών στην είσοδο του LNT για το διάστημα του NEDC που η ΜΕΚ βρίσκεται σε λειτουργία. Λόγω της μη ύπαρξης άλλης

136 αντιρρυπαντικής συσκευής ανάντη του LNT και της αντίστοιχης θερμικής αδράνειάς τους στις περιόδους που ο πετρελαιοκινητήρας δε βρίσκεται σε λειτουργία, όπως συμβαίνει με την περίπτωση της ύπαρξης DOC ανάντη τής SCRF, παρατηρείται μεγάλη απόκλιση στις μέσες τιμές των θερμοκρασιών αυτών μεταξύ του συμβατικού και των υβριδικών οχημάτων. Στην περίπτωση του συμβατικού οχήματος, όταν η ΜΕΚ βρίσκεται σε λειτουργία ρελαντί, η ψύξη είναι πολύ ταχύτερη εντός του μονόλιθου, χωρίς να παραλαμβάνει τη θερμότητα του εξαγόμενου από κάποια άλλη συσκευή καυσαερίου. Στα υβριδικά οχήματα, όταν υπάρχει σβήσιμο και επανεύναυση του πετρελαιοκινητήρα, η θέρμανση της εξάτμισης είναι ταχύτερη, καθώς αυτή αποτελείται από μία μόνο συσκευή. Εικόνα 163 Συγκριτικό διάγραμμα των προσομοιωμένων τιμών μέσων θερμοκρασιών ανάντη του LNT στο διάστημα λειτουργίας του πετρελαιοκινητήρα για τα τέσσερα οχήματα (NEDC) Αντίστοιχα, στην Εικόνα 164 δίνονται οι στιγμιαίες τιμές των θερμοκρασιών συναρτήσει του χρόνου κατά τη διάρκεια του NEDC για τις τέσσερεις περιπτώσεις μοντέλων οχημάτων.

137 Εικόνα 164 Συγκριτικό διάγραμμα των προσομοιωμένων τιμών θερμοκρασιών ανάντη του LNT για τα τέσσερα οχήματα (NEDC) Στην Εικόνα 165 παρακάτω παρουσιάζονται συγκριτικά οι τιμές των αποτελεσμάτων της μελέτης αναφορικά με τις αθροιστικές εκπομπές των NO x κατάντη τού LNT μεταξύ των περιπτώσεων συμβατικού οχήματος και των τριών υβριδικών οχημάτων συναρτήσει της επιπρόσθετης κατανάλωσης καυσίμου κατά τη διάρκεια του NEDC. Στο ίδιο γράφημα προσδιορίζεται η τιμή του νομοθετημένου ορίου (T/A) για τις εκπομπές NO x.

138 Εικόνα 165 Συγκριτικό διάγραμμα των προσομοιωμένων τιμών αθροιστικών εκπομπών NOx κατάντη τού LNT για τα τέσσερα οχήματα συναρτήσει της επιπλέον κατανάλωσης καυσίμου (NEDC) Η επιπρόσθετη κατανάλωση καυσίμου, συνεπώς και η αυξημένη θερμοκρασία εισόδου στο LNT, μοιάζει να μη συνεπάγεται πάντα θετική επίδραση στις συγκεντρώσεις των NO x κατά τη διάρκεια του σύντομου και σχετικά χαμηλών θερμοκρασιών NEDC εξαιτίας της μεγάλης επίδρασης του ίδιου του προφίλ έγχυσης HC. Το συγκεκριμένο γεγονός επιβεβαιώνεται από την ακραία περίπτωση που παρουσιάζεται για το συμβατικό όχημα με +4% επιπλέον κατανάλωση καυσίμου. Η Εικόνα 166 αποτελεί το συγκριτικό διάγραμμα των προσομοιωμένων τιμών αθροιστικών εκπομπών NO x στην έξοδο του κινητήρα και κατάντη τού LNT για τα τέσσερα οχήματα συναρτήσει της επιπλέον κατανάλωσης καυσίμου στον NEDC.

139 Εικόνα 166 Συγκριτικό διάγραμμα των προσομοιωμένων τιμών αθροιστικών εκπομπών NOx στην έξοδο του κινητήρα και κατάντη τού LNT για τα τέσσερα οχήματα συναρτήσει της επιπλέον κατανάλωσης καυσίμου (NEDC) Παρά τις ιδιαιτέρως αυξημένες εκπομπές NO x στην έξοδο του κινητήρα για τις περιπτώσεις των υβριδικών οχημάτων που παρουσιάζονται και ανάλογες του βαθμού υβριδοποίησης, αυτά παρουσιάζουν καλύτερη συμπεριφορά ως προς τις τιμές των αθροιστικών εκπομπών NO x κατάντη της αντιρρυπαντικής συσκευής κατά τη διάρκεια του NEDC. Ακολούθως παρατίθενται τα αντίστοιχα γραφήματα για την περίπτωση του WLTC. Έτσι, στην Εικόνα 167 παρουσιάζονται συγκριτικά οι υπολογισμένες τιμές απόδοσης μετατροπής των NO x τού LNT για τα τέσσερα οχήματα συναρτήσει της επιπλέον κατανάλωσης καυσίμου στη διάρκεια του κύκλου οδήγησης.

140 Εικόνα 167 Συγκριτικό διάγραμμα των προσομοιωμένων τιμών απόδοσης μετατροπής των NOx τού LNT για τα τέσσερα οχήματα συναρτήσει της επιπλέον κατανάλωσης καυσίμου (WLTC) Τα αποτελέσματα της μελέτης του WLTC παρουσιάζουν αντίστοιχη συμπεριφορά με του NEDC, καθώς δείχνουν πως η επιλογή εφαρμογής του LNT ως αντιρρυπαντικής συσκευής είναι καταλληλότερη στην περίπτωση των υβριδικών οχημάτων από ό,τι στα συμβατικά. Συγκριτικά με την εφαρμογή DOC+SCRF [67], αποτελεί μία απλούστερη και μικρότερη συσκευή, γεγονός που συνεπάγεται ταχύτερη θέρμανσή της και στην περίπτωση του WLTC και, επομένως, υψηλότερες τιμές για την απόδοση μετατροπής των NO x. Στην Εικόνα 168 παρουσιάζονται οι μέσες τιμές των θερμοκρασιών στην είσοδο του LNT για το διάστημα του WLTC που η ΜΕΚ βρίσκεται σε λειτουργία, οι οποίες ακολουθούν την ίδια συμπεριφορά με αυτήν που περιγράφηκε για την περίπτωση του NEDC.

141 Εικόνα 168 Συγκριτικό διάγραμμα των προσομοιωμένων τιμών μέσων θερμοκρασιών ανάντη του LNT στο διάστημα λειτουργίας του κινητήρα για τα τέσσερα οχήματα (WLTC) Αντίστοιχα, στην Εικόνα 169 δίνονται οι στιγμιαίες τιμές των θερμοκρασιών συναρτήσει του χρόνου κατά τη διάρκεια του WLTC για τις τέσσερεις περιπτώσεις μοντέλων οχημάτων.

142 Εικόνα 169 Συγκριτικό διάγραμμα των προσομοιωμένων τιμών θερμοκρασιών ανάντη του LNT για τα τέσσερα οχήματα (WLTC) Η Εικόνα 170 αποτελεί το συγκριτικό διάγραμμα των προσομοιωμένων τιμών αθροιστικών εκπομπών NO x κατάντη τής συσκευής LNT για τα τέσσερα οχήματα συναρτήσει τής επιπλέον κατανάλωσης καυσίμου στη διάρκεια του WLTC.

143 Εικόνα 170 Συγκριτικό διάγραμμα των προσομοιωμένων τιμών αθροιστικών εκπομπών NOx κατάντη τού LNT για τα τέσσερα οχήματα συναρτήσει της επιπλέον κατανάλωσης καυσίμου (WLTC) Παρατηρείται θετική επίδραση της επιπρόσθετης θέρμανσης στις τιμές των αθροιστικών εκπομπών NO x, τόσο στην περίπτωση του συμβατικού οχήματος, όσο και σε αυτές των υβριδικών οχημάτων. Στην Εικόνα 171 που ακολουθεί παρουσιάζονται συγκριτικά οι προσομοιωμένες τιμές αθροιστικών εκπομπών NO x στην έξοδο του κινητήρα και κατάντη τού LNT για τα μοντέλα του συμβατικού και των τριών υβριδικών οχημάτων συναρτήσει της επιπλέον κατανάλωσης καυσίμου στον WLTC.

144 Εικόνα 171 Συγκριτικό διάγραμμα των προσομοιωμένων τιμών αθροιστικών εκπομπών NOx στην έξοδο του κινητήρα και κατάντη τού LNT για τα τέσσερα οχήματα συναρτήσει της επιπλέον κατανάλωσης καυσίμου (WLTC) Αντίστοιχα με την περίπτωση μελέτης του NEDC, η εφαρμογή τού LNT ως συσκευής αντιρρύπανσης παρουσιάζει θετική επίδραση στη μείωση των NO x και δείχνει να είναι περισσότερο κατάλληλη στην περίπτωση των υβριδικών οχημάτων σε σχέση με τη σημαντικά μειωμένη απόδοση που επιτρέπουν στη συμβατική εφαρμογή.

145

146 6 Εφαρμογές σε υβριδικό κινητήρα βενζίνης 6.1 Εφαρμογή μεθοδολογίας σε υβριδικό κινητήρα βενζίνης Η υψηλή απόδοση του τριοδικού καταλύτη ως αντιρρυπαντικής συσκευής στην περίπτωση των βενζινοκίνητων οχημάτων επιτρέπει την ικανοποίηση των νομοθετημένων ορίων εκπομπών με αρκετά μεγάλη ασφάλεια στην περίπτωση των νομοθετημένων κύκλων οδήγησης. Η συμπεριφορά τους, όμως, σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης, σε συνδυασμό με την περίπτωση υβριδοποίησης αποτελούν πεδία προς διερεύνηση [68-73]. Ως εκ τούτου, και δεδομένης της πολυπλοκότητας αλλά και του υψηλού οικονομικού κόστους διεξαγωγής μετρήσεων με φορητά συστήματα μέτρησης εκπομπών (PEMS), κρίνεται αδήριτη ανάγκη η ανάπτυξη πιστοποιημένων μοντέλων προσομοίωσης για τη μελέτη της συμπεριφοράς των νομοθετημένων εκπομπών σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης και τη διερεύνηση της ικανοποίησης των νομοθετημένων ορίων σε αυτές. Σε αυτήν την κατεύθυνση παρουσιάζεται η ανάπτυξη και πιστοποίηση ενός τέτοιου ολοκληρωμένου μοντέλου οχήματος, αποτελούμενου από ΜΕΚ βενζίνης, σύστημα αντιρρύπανσης και υπο-μοντέλα υβριδικών εφαρμογών. Το μοντέλο κινητήρα βενζίνης, το οποίο περιγράφηκε στο κεφάλαιο 3, και ένα μοντέλο τριοδικού καταλύτη (TWC) που προσομοιώθηκε στο axisuite (βλ. κεφάλαιο 0) ενσωματώθηκαν στο γενικό μοντέλο του οχήματος, το οποίο αναπτύχθηκε με χρήση του velodyn (βλ. Παράρτημα II), όπως και στην περίπτωση του πετρελαιοκίνητου οχήματος. 6.1.1 Ολοκληρωμένο μοντέλο συμβατικού οχήματος βενζίνης Το συμβατικό όχημα βενζίνης με μηχανικό κιβώτιο ταχυτήτων και σύστημα start-stop που μελετήθηκε παρουσιάζεται στην Εικόνα 172 που ακολουθεί. Εικόνα 172 Ολοκληρωμένο μοντέλο του συμβατικού οχήματος βενζίνης που εφαρμόσθηκε στο velodyn

147 Οι στροφές του κινητήρα και η απαιτούμενη ροπή υπολογίζονται από το velodyn σύμφωνα με την απαιτούμενη ισχύ, την ταχύτητα του οχήματος και την ισχύ εξόδου του κινητήρα. Η λειτουργία του start-stop στο μοντέλο του οχήματος επιτυγχάνεται εξαναγκάζοντας το βενζινοκινητήρα να σβήνει στις περιόδους εκείνες που κανονικά θα λειτουργούσε σε κατάσταση ρελαντί. Έλεγχος κλειστού βρόχου (closed-loop) του λάμδα Ένα σύνηθες πρόβλημα στη μοντελοποίηση τριοδικού καταλύτη είναι η εξάρτηση των συνθηκών εισόδου από την ίδια του την απόδοση. Το χαρακτηριστικό αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο έλεγχος της τροφοδοσίας κινητήρας επιχειρεί να διατηρεί συνεχώς ένα συγκεκριμένο επίπεδο ικανότητας αποθήκευσης οξυγόνου (Oxygen Storage Capacity), βάσει ενός ελέγχου κλειστού βρόχου. Για το συγκεκριμένο μοντέλο υποτέθηκε πως ο έλεγχος κλειστού βρόχου χρησιμοποιεί το σήμα του αισθητήρα λάμδα εξόδου ως παράμετρο ελέγχου. Ειδικότερα, καθορίζεται μία ονομαστική τιμή (YQZQ %o) =1) για το λάμδα εξόδου και η μονάδα ελέγχου παράγει το επιθυμητό λάμδα εισόδου. Επιπλέον, λαμβάνεται υπόψιν και μία χρονική υστέρηση για το σήμα του λάμδα εξόδου του καταλύτη, η οποία στην πραγματικότητα αποτελεί μία συνάρτηση της ροής μάζας του καυσαερίου του κινητήρα. Η μέθοδος που περιγράφηκε παρίσταται γραφικά στην Εικόνα 173 κάτωθι. Εικόνα 173 Διόρθωση του λάμδα Οι χάρτες εκπομπών του βενζινοκινητήρα που δημιουργήθηκαν για το συγκεκριμένο μοντέλο αναφέρονται σε συνθήκες στοιχειομετρικής λειτουργίας. Για την προσομοίωση της ισχυρής εξάρτησης των εκπομπών για μικρές αλλαγές του λάμδα σε συνθήκες μεταβατικής λειτουργίας εφαρμόσθηκε ένα απλό υπομοντέλο με σκοπό τη διόρθωση των τιμών του χάρτη για τις εκπομπές CO, HC και NO x, όπως δείχνει η Σχέση ( 28 ) και περιγράφηκε λεπτομερέστερα στο κεφάλαιο 3.3.3. ~ = ~ U'[ +b~(t), ~:WzzW W R ( 28 ) Μετά τη διόρθωση των εκπομπών CO, HC και NO x σύμφωνα με την τιμή του λάμδα καθορίζεται η σύνθεση του καυσαερίου εφαρμόζοντας ένα ισοζύγιο για την καύση. Ένα παράδειγμα για τη συγκέντρωση εκπομπών CO στην έξοδο του κινητήρα και, ταυτόχρονα, είσοδο του καταλύτη σε σταθερές συνθήκες (steady-state) οδήγησης κατά τη διάρκεια του

148 υπεραστικού τμήματος του NEDC παρουσιάζεται στην Εικόνα 174 παρακάτω, λαμβάνοντας υπόψιν τη διακύμανση του λάμδα. Εικόνα 174 Υπολογισμένες τιμές engine-out στιγμιαίων εκπομπών CO κατά τη διάρκεια σταθερής λειτουργίας του κινητήρα λαμβάνοντας υπόψιν τη διακύμανση του λάμδα Χαρακτηριστικά του μοντέλου βενζινοκινητήρα Αντίστοιχα με την περίπτωση του πετρελαιοκινητήρα, εφαρμόζοντας τη μεθοδολογία που περιγράφηκε στο Κεφάλαιο 3 για την πρόβλεψη των νομοθετημένων εκπομπών ρύπων (CO, HC και NO x), καθώς και των ιδιοτήτων της ροής καυσαερίου στην εξάτμιση (θερμοκρασία και ροή μάζας) με χρήση steady-state χαρτών από steady-state πειραματικές μετρήσεις σε δυναμομετρική πέδη, αναπτύχθηκε το ημι-εμπειρικό μοντέλο του βενζινοκινητήρα, το οποίο παρουσιάζεται στην Εικόνα 179 παρακάτω. Εικόνα 175 Αναπτυχθέν ημι-εμπειρικό μοντέλο κινητήρα βενζίνης

149 Συνεπώς, οι τιμές των εκπομπών, της θερμοκρασίας και της ροής μάζας καυσαερίου προβλέπονται από το ημι-εμπειρικό μοντέλο ΜΕΚ συναρτήσει των δεδομένων εισόδου, τα οποία αποτελούν οι steady-state χάρτες και το εκάστοτε προφίλ ταχύτητας/ροπής του κινητήρα. Όπως αναφέρθηκε, εφαρμόζονται οι κατάλληλες διορθώσεις με σκοπό την ορθή προσομοίωση σε μεταβατικές συνθήκες λειτουργίας, δηλαδή ένα υπομοντέλο για τις επιπλέον εκπομπές ψυχρής εκκίνησης του κινητήρα (CSEE) κατά τη διάρκεια της θέρμανσής του, καθώς και το υπομοντέλο ελέγχου κλειστού βρόχου τού λάμδα που περιγράφηκε ανωτέρω. Ακολούθως, το ημι-εμπειρικό μοντέλο ΜΕΚ βενζίνης που μελετήθηκε στο πλαίσιο της διατριβής ήταν ένας υπερπληρούμενος κινητήρας με όγκο εμβολισμού 1396cc, ισχύ 110kW και μέγιστη ροπή 220Nm, το οποίο ενσωματώθηκε στο συνολικό μοντέλο οχήματος. Χαρακτηριστικά του μοντέλου σωλήνα Προκειμένου να ληφθούν υπόψιν οι απώλειες θερμότητα των καυσαερίων προς το περιβάλλον μεταξύ της εξόδου του κινητήρα και της εισόδου της διάταξης μετεπεξεργασίας τους ενσωματώθηκε ένα μοντέλο σωλήνα εξάτμισης στο συνολικό μοντέλο του οχήματος με τη χρήση τού λογισμικού axiheat [72] τής πλατφόρμας προσομοίωσης του εργαλείου axisuite ανάντη τού TWC. Ο σωλήνας που εφαρμόσθηκαν στο συγκεκριμένο μοντέλο οχήματος ανάντη του τριοδικού καταλύτη ήταν 0.7m, με 60mm διάμετρο και 1.5mm πάχος τοιχώματος. Χαρακτηριστικά του μοντέλου του τριοδικού καταλύτη Ο τριοδικός καταλύτης που χρησιμοποιήθηκε στο axicat για το συγκεκριμένο μοντέλο ήταν ένας προηγουμένως επικυρωμένος μονόλιθος κορδιερίτη όγκου 1.4l, πυκνότητα καναλιών (cell density) ίση με 400cpsi και καταλυτική επίστρωση Al-zeolite πυκνότητας 237g/ l. Το ημι-εμπειρικό μοντέλο ΜΕΚ και οι διατάξεις τού axisuite ενώθηκαν με το μοντέλο οχήματος του velodyn εντός της πλατφόρμας του Simulink με χρήση των κατάλληλων βιβλιοθηκών. Με τη σύζευξη των velodyn και axisuite και την πραγματοποίηση του ελέγχου κλειστού βρόχου για το λάμδα, όπως φαίνεται στην Εικόνα 176, διαμορφώνεται τελικά ένα δυναμικό μοντέλο, ικανό να προσομοιώσει το ολοκληρωμένο σύστημα κίνησης του οχήματος. Εικόνα 176 Έλεγχος κλειστού βρόχου του λάμδα

150 Ανάλυση δεδομένων με τη μέθοδο των παραθύρων (windows) Δεν είναι ρεαλιστικό να αναμένει κανείς ότι ένα όχημα που έχει πιστοποιηθεί σε ένα συγκεκριμένο πρότυπο εκπομπών αερίων ρύπων θα παραμείνει εντός των νομοθετημένων ορίων σε όλες τις συνθήκες οδήγησης. Ακόμη και κατά τις μετρήσεις της έγκρισης τύπου οι εκπομπές συχνά ξεπερνούν τις οριακές νομοθετημένες τιμές σε ορισμένα σημεία του κύκλου οδήγησης, ίσως και αρκετές φορές πάνω από το όριο εκπομπών. Αυτό το χαρακτηριστικό δεν εμποδίζει τις μέσες εκπομπές τους καθ όλη τη διάρκεια του κύκλου να ικανοποιούν τα ανάλογα όρια εκπομπών. Για τον ίδιο λόγο, είναι αποδεκτό για τα οχήματα που ελέγχονται με φορητές συσκευές μέτρησης εκπομπών (ΡΕΜS) σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης να εμφανίζουν σημεία στα οποία σημειώνεται υπέρβαση των ορίων εκπομπών αλλά, την ίδια στιγμή, οι μέσες εκπομπές τους στη διάρκεια μεγάλων αποστάσεων (δηλαδή αποστάσεων συγκριτικά μεγαλύτερων σε σχέση με εκείνες των νομοθετημένων κύκλων οδήγησης) θα πρέπει να διατηρούνται υπό έλεγχο. Οι μετρήσεις με PEMS εκτελούνται, όπως προαναφέρθηκε, από οχήματα ενισχυμένα με μετρητικά όργανα σε πραγματικές συνθήκες κυκλοφορίας και οδήγησης, άρα και μη προβλέψιμες. Ως εκ τούτου, δεν είναι δυνατόν να ακολουθείται ένας συγκεκριμένος κύκλος οδήγησης, με προκαθορισμένο προφίλ χρόνου-ταχύτητας. Ωστόσο, υπάρχει η δυνατότητα συσχετισμού των αποτελεσμάτων μετρήσεων με PEMS με τις τιμές νομοθετημένων κύκλων επιλέγοντας ένα σταθερό μέγεθος αναφοράς που σχετίζεται με τον κύκλο οδήγησης και, ακολούθως, η δημιουργία windows 2 από τα δεδομένα PEMS σύμφωνα με αυτό το μέγεθος. Για παράδειγμα, γνωρίζοντας ότι ο NEDC καλύπτει μια σταθερή απόσταση 11.02km (εντός ορισμένου χρονικού διαστήματος των 1180s), ένα συγκεκριμένο σύνολο PEMS δεδομένων θα μπορούσε να διαιρεθεί σε windows που να έχουν την ίδια απόσταση (ή την ίδια διάρκεια) και να υπολογίζονται οι συνολικές εκπομπές για κάθε ένα από αυτά. Με τη μέθοδο αυτήν τα windows αποκτούν ένα κοινό χαρακτηριστικό με τον κύκλο αναφοράς και έτσι καθίσταται δυνατή η σύγκριση των εκπομπών των windows με τις γνωστές εκπομπές των κύκλων οδήγησης ή με τα νομοθετημένα όρια των εκπομπών και είναι εφικτή μια ουσιαστική εκτίμηση της επίδρασης των πραγματικών συνθηκών οδήγησης. Ένα ακόμα μέγεθος που εύλογα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μέγεθος αναφοράς για τη διαίρεση των δεδομένων από μετρήσεις με PEMS σε windows είναι η T/A τιμή εκπομπών CO 2. Με την επιλογή του CO 2 ως σημείου αναφοράς, το μέγεθος των windows δεν καθορίζεται αναφορικά με τη διανυθείσα απόσταση ή το χρόνο, αλλά από την ποσότητα CO 2 που εκπέμπεται κατά τη διάρκειά τους. Εισάγεται, επίσης, και ο όρος των κινούμενων δεδομένων windows, πράγμα που σημαίνει ότι οι υπολογισμοί για τη δημιουργία των windows πραγματοποιούνται με σημείο εκκίνησης την αρχή κάθε χρονοσειράς του συνόλου των δεδομένων PEMS και χρονικό βήμα ίσο με 1s για το καθένα [74]. Ένα πλεονέκτημα της χρήσης κινούμενων windows είναι ότι καθιστά δυνατή την παραγωγή χιλιάδων windows από ένα και μόνο σύνολο δεδομένων, τα οποία μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν για την προσέγγιση της στατιστικής κατανομής των τιμών εκπομπών ανά μονάδα απόστασης. Εάν το μέγεθος των windows είναι αρκετά μεγάλο, η μέθοδος δημιουργίας τους παρέχει επίσης έναν πιο στιβαρό τρόπο 2 Στο εξής θα χρησιμοποιείται ο όρος «windows» για τα παράθυρα, ως ευρέως χρησιμοποιούμενος όρος.

151 υπολογισμού της εκπομπών ανά μονάδα απόστασης, ο οποίος επηρεάζεται ελάχιστα από πιθανές χρονικές αποκλίσεις μεταξύ του σήματος ταχύτητας που δίνει το GPS που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των αποστάσεων και των σημάτων της μάζας εκπομπών, σε σχέση με άλλες προσεγγίσεις που χρησιμοποιούν μικρότερα σύνολα δεδομένων. Βάσει των παραπάνω, η μελέτη των αποτελεσμάτων για RDE κύκλους οδήγησης στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής γίνεται με εφαρμογή windows λαμβάνοντας υπόψιν την ισοδύναμη μάζα CO 2 ως κοινό μέγεθος αναφοράς. Έχοντας την εκπεμπόμενη μάζα CO 2 ως σημείο αναφοράς, δημιουργήθηκαν windows με χρονικό βήμα ενός δευτερολέπτου, σύμφωνα με τα «moving CO 2 windows» που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος από τον κανονισμό για βαρέα επαγγελματικά οχήματα (Heavy Duty Vehicles). 6.1.2 Ολοκληρωμένο μοντέλο υβριδικού οχήματος βενζίνης Μετά την ανάπτυξη του συμβατικού μοντέλου οχήματος κατασκευάστηκε ένα μοντέλο υβριδικού οχήματος με σύστημα παράλληλης διάταξης μετάδοσης ισχύος. Το υβριδικό σύστημα κίνησης λειτουργεί με 16 διαφορετικούς τρόπους, εξασφαλίζοντας μια πιο αποτελεσματική διαχείριση της διανομής ισχύος και ροπής. Η ΜΕΚ λειτουργεί με 3 τρόπους, τη λειτουργία φόρτισης της μπαταρίας από τη ΜΕΚ (charge-by-engine), τη λειτουργία υποβοήθησης της ροπής (torque-assist) και τη λειτουργία ενισχυμένης ροπής (boost). Κατά τη λειτουργία φόρτισης προσομοιώνεται η συμπεριφορά της φόρτισης της μπαταρίας με τη χρήση του βενζινοκινητήρα σε κατάσταση υψηλού φορτίου. Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας υποβοήθησης της ροπής η ΜΕΚ λειτουργεί στη χαρακτηριστική γραμμή βέλτιστης κατανάλωσης καυσίμου, προκειμένου να επιτευχθεί καλύτερη απόδοση του υβριδικού οχήματος. Τελικά, η λειτουργία boost ενεργοποιείται μόνο στην περίπτωση οδήγησης σε ιδιαιτέρως υψηλή ροπή και ο κινητήρας λειτουργεί στην καμπύλη πλήρους φορτίου. Το αναπτυχθέν μοντέλο οχήματος βενζίνης με σύστημα παράλληλης διάταξης μετάδοσης ισχύος παρουσιάζεται στην Εικόνα 177, συζευγμένο με το προηγουμένως περιγραφέν σύστημα μετεπεξεργασίας καυσαερίων τριοδικού καταλύτη.

152 Εικόνα 177 Ολοκληρωμένο μοντέλο του υβριδικού οχήματος βενζίνης που εφαρμόσθηκε στο velodyn Χαρακτηριστικά του υβριδικού μοντέλου οχήματος Το αναπτυχθέν μοντέλο είναι ενός οχήματος βενζίνης με σύστημα παράλληλης διάταξης μετάδοσης ισχύος, του οποίου το σύστημα κίνησης αποτελείται από μία ΜΕΚ (με όγκο εμβολισμού 1396cc και μέγιστη ροπή 220Nm), έναν ηλεκτροκινητήρα (μέγιστης ισχύος 14kW) και μία μπαταρία Li-Ion (χωρητικότητας 1.5kWh). Ακόμα, λαμβάνεται υπόψιν μία επιπρόσθετη μάζα ίση με 98kg συγκριτικά με το start-stop όχημα (48kg για τη μπαταρία και 50kg για τον ηλεκτροκινητήρα). 6.1.3 Παρουσίαση των αποτελεσμάτων RDE για την περίπτωση συμβατικού οχήματος Για τους σκοπούς της συγκεκριμένης διατριβής χρησιμοποιήθηκαν τρεις διαφορετικοί κύκλοι οδήγησης, ο νομοθετημένος NEDC, ο RDE 1, ένας μεικτός κύκλος σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης που αποτελείται ως επί το πλείστον από οδήγηση σε αυτοκινητόδρομο, και ο RDE 2, ένας ακόμη μεικτός κύκλος με αστικές συνθήκες οδήγησης κατά κύριο λόγο. Τα προφίλ ταχυτήτων αυτών των κύκλων σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης, τα οποία παρουσιάζονται στην Εικόνα 178, ελήφθησαν από πειραματικές μετρήσεις με PEMS, οι οποίες διεξήχθησαν από το TÜV NORD στο πλαίσιο του Προγράμματος της Ευρωπαϊκής Επιτροπής «Ανάπτυξη μεθόδου για την αξιολόγηση των εκπομπών diesel υβριδικών ελαφρών οχημάτων σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης» ( Development of a method for assessing real world emissions of hybrid diesel light duty vehicles").

153 Εικόνα 178 Προφίλ ταχύτητας των τριών κύκλων οδήγησης Στην Εικόνα 179 που ακολουθεί απεικονίζονται τα διαφορετικά εύρη λειτουργίας του κινητήρα, όπου είναι προφανές ότι οι κύκλοι RDE διευρύνουν τη λειτουργία του κινητήρα σε ολόκληρο το χάρτη λειτουργίας, όπως προαναφέρθηκε. Ακολούθως, παρουσιάζονται και συζητούνται τα αποτελέσματα της διερεύνησης.

154 Εικόνα 179 Εύρος λειτουργίας των τριών κύκλων οδήγησης Αρχικά, εκτιμήθηκαν από το μοντέλο οι εκπομπές στην έξοδο του καταλύτη (tailpipe) κατά τη διάρκεια ενός NEDC με κρύα εκκίνηση και των αντίστοιχων windows για τους δύο άλλους κύκλους πραγματικών συνθηκών οδήγησης, οι οποίες συγκρίθηκαν με τις Euro 6 T/A τιμές χρησιμοποιώντας την ισοδύναμη μάζα CO 2 ως κοινό μέγεθος αναφοράς. Το προφίλ οδήγησης του πραγματικού κύκλου RDE 1 παρουσιάζεται ως παράδειγμα στην Εικόνα 180 παρακάτω. Εκτός από το προφίλ στροφών-ροπής απεικονίζονται στο ίδιο γράφημα και η θερμοκρασία στην είσοδο και την έξοδο του TWC.

155 Εικόνα 180 Προφίλ ταχύτητας, ροπής και θερμοκρασίας στην είσοδο και έξοδο του TWC κατά τη διάρκεια τού RDE 1 window για το μοντέλο συμβατικού οχήματος (NEDC CO2 ισοδύναμο ψυχρή εκκίνηση) Για το ίδιο RDE 1 window, η Εικόνα 181 απεικονίζει τις στιγμιαίες εκπομπές HC ανάντη και κατάντη του TWC, καθώς και τις αθροιστικές εκπομπές HC στην έξοδο του καταλύτη σε σύγκριση με τις αντίστοιχες Euro 6 T/A τιμές. Εικόνα 181 Στιγμιαίες και αθροιστικές συγκεντρώσεις εκπομπών HC στην είσοδο και έξοδο του TWC κατά τη διάρκεια τού RDE 1 window για το μοντέλο συμβατικού οχήματος (NEDC CO2 ισοδύναμο ψυχρή εκκίνηση) Ακολουθώντας την ίδια διαδικασία για όλες τις περιπτώσεις εξάγονται τα συγκριτικά αθροιστικά αποτελέσματα των εκπομπών CO, HC και NO x για όλους τους κύκλους, οι οποίοι έχουν διαφορετικά προφίλ οδήγησης και μέσες ταχύτητες οχήματος (NEDC: 33.4km/h, RDE 1: 44.5km/h, RDE 2: 29.1km/h) και παρουσιάζονται στην Εικόνα 182.

156 Εικόνα 182 Αθροιστικές συγκεντρώσεις εκπομπών CO, HC και NOx για τους τρεις κύκλους συγκριτικά με τις Euro 6 T/A τιμές στο μοντέλο συμβατικού οχήματος Σύμφωνα με την Εικόνα 182 όλες οι εκπομπές κατάντη του καταλυτικού μετατροπέα και για τις τρεις περιπτώσεις κύκλων οδήγησης είναι με ασφάλεια χαμηλότερες των αντίστοιχων νομοθετημένων τιμών του Euro 6, ακόμα και στις περιπτώσεις των κύκλων σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης. Επιπλέον, οι τιμές των εκπομπών στην έξοδο του TWC παρουσιάζονται υψηλότερες για τους κύκλους σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης συγκριτικά με τον NEDC, επιβεβαιώνοντας την επίδραση της μεταβατικότητας των συνθηκών αυτών στην αύξηση των εκπομπών. Αναφορικά με την απόδοση μετατροπής των εκπομπών CO και HC για τους ίδιους κύκλους που παρουσιάζονται στην Εικόνα 183, φαίνεται χαμηλότερη για τις πραγματικές συνθήκες οδήγησης, ιδιαίτερα στην περίπτωση του RDE 2 που είναι κατά κύριο λόγο αστικός κύκλος. Αυτός είναι και ο λόγος που παρατηρούνται υψηλότερες τιμές εκπομπών CO κατά τη διάρκεια του RDE 2 συγκριτικά με τον NEDC, παρά το γεγονός ότι οι αντίστοιχες τιμές εκπομπών ανάντη του TWC είναι χαμηλότερες από του NEDC.

157 Εικόνα 183 Απόδοση μετατροπής εκπομπών CO, HC και NOx για τους τρεις κύκλους στο μοντέλο συμβατικού οχήματος RDE για την περίπτωση υβριδικού οχήματος Το μοντέλο υβριδικού οχήματος με συνδυασμό ΜΕΚ και ηλεκτροκινητήρα που περιγράφηκε προηγουμένως εφαρμόσθηκε για την πρόβλεψη των εκπομπών ρύπων στην έξοδο του καταλυτικού μετατροπέα για την περίπτωση του NEDC με ψυχρή εκκίνηση και των άλλων δύο κύκλων με πραγματικές συνθήκες οδήγησης συγκριτικά με τα νομοθετημένα όρια εκπομπών του Euro 6, χρησιμοποιώντας ως κοινό μέγεθος αναφοράς την ισοδύναμη μάζα CO 2 του NEDC. Το προφίλ οδήγησης του πραγματικού κύκλου RDE 1 για την περίπτωση του μοντέλου υβριδικού οχήματος παρουσιάζεται ως παράδειγμα στην Εικόνα 184 παρακάτω. Εκτός από το προφίλ στροφών-ροπής απεικονίζονται στο ίδιο γράφημα και η θερμοκρασία στην είσοδο και την έξοδο του TWC.

158 Εικόνα 184 Προφίλ ταχύτητας, ροπής και θερμοκρασίας στην είσοδο και έξοδο του TWC κατά τη διάρκεια τού RDE 1 window για το μοντέλο υβριδικού οχήματος (NEDC CO2 ισοδύναμο ψυχρή εκκίνηση) Όπως φαίνεται, ο TWC υποβάλλεται σε μία διαδικασία ψύξης κατά τη διάρκεια των περιόδων, οπότε η ΜΕΚ είναι σβηστή (λειτουργεί ο ηλεκτροκινητήρας) και επικρατούν συνθήκες μηδενικής ροής. Η ψύξη προβλέπεται από το θερμικό μοντέλο του τριοδικού καταλύτη, όπως αναφέρθηκε στο αντίστοιχο κεφάλαιο. Για το ίδιο RDE 1 window, στην Εικόνα 185 παρουσιάζονται οι στιγμιαίες μη κανονικοποιημένες τιμές των εκπομπών HC ανάντη και κατάντη του TWC, καθώς και οι αθροιστικές τιμές εκπομπών HC στην έξοδο του καταλύτη συγκριτικά με τις αντίστοιχες νομοθετημένες τιμές τού Euro 6. Εικόνα 185 Στιγμιαίες και αθροιστικές συγκεντρώσεις εκπομπών HC στην είσοδο και έξοδο του TWC κατά τη διάρκεια τού RDE 1 window για το μοντέλο υβριδικού οχήματος (NEDC CO2 ισοδύναμο ψυχρή εκκίνηση)

159 Η θετική επίδραση της υβριδοποίησης είναι εμφανής κατά τη διάρκεια των περιόδων που ο κινητήρας είναι σβηστός, οπότε και οι τιμές των εκπομπών ρύπων είναι μηδενικές. Ταυτόχρονα, παρατηρούνται αυξημένες τιμές εκπομπών κατά την επανέναυση της ΜΕΚ, ιδιαιτέρως για τις συγκεντρώσεις των CO και HC. Τα συγκριτικά μη κανονικοποιημένα αποτελέσματα για τις αθροιστικές εκπομπές CO, HC και NO x για όλους τους κύκλους με διαφορετικά προφίλ οδήγησης και μέσες ταχύτητες οχήματος (NEDC: 33.4km/h, RDE 1: 44.2km/h, RDE 2: 29.1km/h) παρουσιάζονται στην Εικόνα 186 που ακολουθεί. Εικόνα 186 Αθροιστικές συγκεντρώσεις εκπομπών CO, HC και NOx για τους τρεις κύκλους συγκριτικά με τις Euro 6 T/A τιμές στο μοντέλο υβριδικού οχήματος Συμπερασματικά, και στην περίπτωση του μοντέλου υβριδικού οχήματος τα Euro 6 όρια των εκπομπών φαίνονται να ικανοποιούνται, τόσο για τον NEDC, όσο και για τους RDE κύκλους. Επιπλέον, όλες οι εκπομπές στον RDE 2 κατάντη του καταλυτικού μετατροπέα παρουσιάζουν αξιοσημείωτα παρόμοια συμπεριφορά με του NEDC, με τον οποίον έχουν παρόμοια μέση ταχύτητα οχήματος, σε αντίθεση με τα αποτελέσματα που παρουσιάσθηκαν για την περίπτωση της προσομοίωσης του start-stop οχήματος. Το γεγονός αυτό αποτελεί μία θετική επίδραση της υβριδοποίησης για αστικές συνθήκες οδήγησης στην πραγματικότητα, αντανακλώντας τη μείωση των μεταβατικών συνθηκών για τους νομοθετημένους ρύπους ακόμη και στην περίπτωση RDE, καταργώντας τη λειτουργία της ΜΕΚ σε χαμηλά φορτία. Οι τιμές των HC που εκπέμπονται κατάντη του TWC είναι σημαντικά χαμηλότερες στην περίπτωση του υβριδικού οχήματος για όλους τους κύκλους οδήγησης που μελετήθηκαν. Επίσης, η στρατηγική που εφαρμόσθηκε στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής προϋποθέτει ψυχρή

160 εκκίνηση για τη ΜΕΚ κατά τη διάρκεια λειτουργίας σε υψηλό φορτίο του NEDC. Αυτό οδηγεί σε υψηλότερες τιμές εκπομπών NO x ανάντη του TWC (στην έξοδο του βενζινοκινητήρα) και δικαιολογεί τις υψηλότερες τιμές εκπομπών NO x κατάντη στου καταλύτη συγκριτικά με τις αντίστοιχες τιμές που προβλέπει το μοντέλο συμβατικού (start-stop) οχήματος για την περίπτωση του NEDC. Οι εκπομπές NO x παρατηρούνται, επίσης, υψηλότερες και για τις διαδρομές RDE για τον ίδιο λόγο, καθιστώντας τες πιο κρίσιμες για υβριδικές εφαρμογές, δεδομένου ότι ο RDE 1 με τις υψηλότερες τιμές NO x αποτελείται ως επί το πλείστον από υπεραστικά τμήματα. Μελέτη επίπτωσης της μείωσης του όγκου του TWC στις εκπομπές ρύπων Τα προηγούμενα αποτελέσματα για τις προβλέψεις των τιμών εκπομπών, τα οποία φαίνεται να πληρούν τα νομοθετημένα όρια, επέτρεψαν την περαιτέρω μελέτη ενδεχόμενης μείωσης του όγκου του τριοδικού καταλύτη. Για το λόγο αυτόν τα αντίστοιχα αποτελέσματα των αθροιστικών τιμών εκπομπών CO, HC και NO x για τον NEDC και τους RDE 1 και RDE 2 μετά τη μείωση του όγκου του TWC σε 1l δίνονται συγκριτικά στην Εικόνα 187 κάτωθι για την περίπτωση του μοντέλου υβριδικού οχήματος. Και σε αυτήν την περίπτωση οι εκπομπές κατάντη του καταλύτη που προβλέπονται από το μοντέλο κατά τη διάρκεια του NEDC και τα αντίστοιχα windows των άλλων δύο κύκλων RDE με ψυχρή εκκίνηση παρουσιάζονται συγκριτικά με τις Euro 6 Τ/Α τιμές, έχοντας ως κοινό μέγεθος αναφοράς την ισοδύναμη μάζα CO 2 του NEDC. Εικόνα 187 Αθροιστικές συγκεντρώσεις εκπομπών CO, HC και NOx για τους τρεις κύκλους συγκριτικά με τις Euro 6 T/A τιμές στο μοντέλο υβριδικού οχήματος μετά τη μείωση του όγκου τού TWC

161 Όπως δείχνουν τα αποτελέσματα, οι αθροιστικές τιμές εκπομπών παραμένουν με ασφάλεια κάτω από το όριο Euro 6, πράγμα που σημαίνει πως ο όγκος του καταλύτη φαίνεται να επιδέχεται μείωση στην περίπτωση της υβριδικής εφαρμογής. Μελέτη επίπτωσης της γήρανσης του TWC στις εκπομπές ρύπων Μία ακόμη περίπτωση που μελετήθηκε είναι η επίδραση της γήρανσης στην απόδοση του καταλύτη και οι επιπτώσεις στις τιμές των νομοθετημένων εκπομπών ρύπων. Οι αθροιστικές εκπομπές που προβλέφθηκαν από το μοντέλο υβριδικού οχήματος ως αποτέλεσμα αυτής της μελέτης για τον NEDC, τον RDE 1 και τον RDE 2 παρουσιάζονται στην Εικόνα 188 συγκριτικά με τα αντίστοιχα Euro 6. Εικόνα 188 Αθροιστικές συγκεντρώσεις εκπομπών CO, HC και NOx για τους τρεις κύκλους συγκριτικά με τις Euro 6 T/A τιμές στο μοντέλο υβριδικού οχήματος για γηρασμένο TWC Οι αθροιστικές τιμές εκπομπών φαίνεται να παραμένουν κάτω από την Euro 6 T/A τιμή για τους NEDC και RDE 2, όμως η τιμή των NO x του RDE 1 υπερβαίνει το νομοθετημένο όριο στην περίπτωση ακραίας γήρανσης. Για να διερευνηθεί περαιτέρω η συμπεριφορά αυτή μελετήθηκε και η περίπτωση γηρασμένου καταλύτη στο μοντέλο του συμβατικού οχήματος. Τα αποτελέσματα αυτής δίνονται συγκριτικά στην Εικόνα 189 παρακάτω.

162 Εικόνα 189 Αθροιστικές συγκεντρώσεις εκπομπών CO, HC και NOx για τους τρεις κύκλους συγκριτικά με τις Euro 6 T/A τιμές στο μοντέλο συμβατικού οχήματος για γηρασμένο TWC Είναι προφανές πως στην περίπτωση της μελέτης του συμβατικού οχήματος η γήρανση καθίσταται πιο κρίσιμη σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης. Παρά το γεγονός ότι οι τιμές των εκπομπών για τον NEDC εμφανίζονται μικρότερες από τις T/A τιμές, οι αθροιστικές τιμές των NO x του RDE 1 και των HC και NO x του RDE 2 υπερβαίνουν τα νομοθετημένα όρια στην περίπτωση ακραίας γήρανσης του TWC. Συμπερασματικά, η υβριδοποίηση φαίνεται να εισάγει μία θετική επίδραση στις εκπομπές σε περιπτώσεις χρήσης γηρασμένων καταλυτικών μετατροπέων.

163

164 7 Συμπεράσματα 7.1 Σύνοψη συμπεράσματα Με την ολοκλήρωση της εκπόνησης της διατριβής δύνανται να εξαχθούν συγκεκριμένα συμπεράσματα αναφορικά με τη βελτιστοποίηση του αντιρρυπαντικού σχεδιασμού των υβριδικών οχημάτων, τα οποία παρατίθενται παρακάτω για τις διάφορες περιπτώσεις εφαρμογής. Η διερεύνηση που έγινε αναφορικά με τις διαφοροποιήσεις των υβριδικών οχημάτων από τα συμβατικά σχετικά με τις ιδιότητες του καυσαερίου για οχήματα Diesel έδειξε πως η υβριδοποίηση δύναται να επιφέρει σημαντική μείωση των εκπομπών CO 2 και HC στην έξοδο του κινητήρα, με ταυτόχρονη αύξηση των εκπομπών NO x. Η εξήγηση βρίσκεται στο ότι η υβριδική αρχιτεκτονική επιτρέπει το σβήσιμο του κινητήρα κατά τη διάρκεια των περιόδων στις οποίες το όχημα επιβραδύνεται, επιφέροντας ταυτόχρονη μηδενική ροή στην εξάτμιση, αλλά και στη λειτουργία σε υψηλότερα φορτία. Αντιθέτως, η συμβατική αρχιτεκτονική συνοδεύεται με ψύξη του κινητήρα και της εξάτμισης, καθώς ατμοσφαιρικός αέρας εισάγεται στον κινητήρα κατά την επιβράδυνση του οχήματος, και καυσαέριο χαμηλότερης θερμοκρασίας διαπερνά την πολλαπλή εξαγωγής και τις όποιες συσκευές αντιρρύπανσης κατά τη διάρκεια του ρελαντί. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η θερμοκρασία του ψυκτικού μέσου, καθώς και η θερμοκρασία των καυσαερίων να λαμβάνουν τις μέγιστες τιμές τους γρηγορότερα μετά την έναυση του κινητήρα κατά την υβριδική λειτουργία από ό,τι κατά τη συμβατική λειτουργία του οχήματος αποκλειστικά με ΜΕΚ, γεγονός που επηρεάζει τη λειτουργία των αντιρρυπαντικών διατάξεων. Στην περίπτωση των υβριδικών βενζινοκινητήρων, το καύσιμο που εναποτίθεται κατά τη διαδικασία διακοπής της ΜΕΚ έχει μεγάλο αντίκτυπο στον εμπλουτισμό του καυσίμου και του καταλύτη κατά την επανεκκίνηση, οπότε και εμποδίζεται η μείωση των NO x. Σε επόμενο στάδιο δημιουργήθηκαν τα μοντέλα των κινητήρων πετρελαίου και βενζίνης με σκοπό την πρόβλεψη των εκπομπών καυσαερίων στην έξοδο του κινητήρα, μετά από πιστοποίησή τους με πειραματικά δεδομένα. Διαπιστώθηκε πως είναι δυνατή η εκτίμηση των εκπομπών και των χαρακτηριστικών του καυσαερίου με σημαντικά καλή ακρίβεια, μετά από εφαρμογή των κατάλληλων υπομοντέλων για μεταβατικές συνθήκες οδήγησης. Ακολούθως, έγινε η μοντελοποίηση των αντιρρυπαντικών διατάξεων για υβριδική λειτουργία του κινητήρα. Αναπτύχθηκε το κατάλληλο υπομοντέλο για τον υπολογισμό των απωλειών θερμότητας σε συνθήκες μηδενικής ροής καυσαερίου, το οποίο εφαρμόσθηκε και πιστοποιήθηκε σε σταθερές συνθήκες ψύξης και σε κύκλους οδήγησης, οπότε και επετεύχθη μεγάλη ακρίβεια στην πρόβλεψη των χαρακτηριστικών του καυσαερίου κατάντη των αντιρρυπαντικών συσκευών. Τα δύο μοντέλα ενσωματώθηκαν σε ένα ενιαίο μοντέλο υβριδικού οχήματος και μελετήθηκαν οι επιπτώσεις της υβριδοποίησης σε πετρελαιοκίνητα οχήματα για περιπτώσεις αντιρρυπαντικών διατάξεων DOC-SCRF και LNT. Η διερεύνηση της συμπεριφοράς των μοντέλων οδήγησε σε ένδειξη ότι η υβριδοποίηση μπορεί να επιφέρει θετική επίδραση στην απόδοση μετατροπής των NO x. Ωστόσο, η αυξημένη απόδοση από μόνη της φαίνεται να μην είναι ικανή να αντισταθμίσει τις ιδιαιτέρως αυξημένες εκπομπές NO x στην έξοδο του κινητήρα για τις περιπτώσεις των υβριδικών οχημάτων, καθώς ο κίνδυνος για τιμές άνω των νομοθετημένων ορίων εμφανίζεται

165 υψηλός στην περίπτωση των υβριδικών εφαρμογών, η οποία δείχνει να απαιτεί διαφορετικό σχεδιασμό από των συμβατικών. Στην περίπτωση εφαρμογής SCRF η απόδοση μετατροπής των NO x παρουσιάζει υψηλή εξάρτηση από τη στρατηγική έγχυσης AdBlue, εκτός από τη θερμοκρασία εισόδου του καυσαερίου στην SCRF, και η οποία επιδέχεται περαιτέρω βελτίωση. Υψηλότερος βαθμός υβριδοποίησης φαίνεται να συνεπάγεται θετική επίδραση στη μείωση των NO x και το βαθμό απόδοσης μετατροπής τους. Η αντιρρυπαντική συσκευή LNT μοιάζει να είναι κατάλληλη για την περίπτωση υβριδική εφαρμογής. Αποτελεί μία μικρότερη και απλούστερη διάταξη σε σύγκριση με των DOC-SCRF, η οποία έχει τη δυνατότητα ταχύτερης θέρμανσης και, επομένως, υψηλότερου βαθμού απόδοσης μετατροπής με κάποια επίπτωση στο fuel penalty λόγω συχνότερων μεταβάσεων σε πλούσιες συνθήκες στις υβριδικές εφαρμογές. Παρατηρείται ισχυρή εξάρτηση των εκπομπών από τις συνθήκες λειτουργίας, εκτός από την εφαρμοζόμενη στρατηγική ελέγχου επιπρόσθετης έγχυσης καυσίμου στο LNT. Για την προσομοίωση των νομοθετημένων εκπομπών ρύπων σε βενζινοκίνητα προτάθηκε συγκεκριμένη μεθοδολογία για ένα start-stop και ένα ισοδύναμο υβριδικό όχημα υπό μεταβατικές συνθήκες οδήγησης. Η μεθοδολογία στοχεύει στην πρόβλεψη των τάσεων των εκπεμπόμενων ρύπων στην έξοδο του κινητήρα και κατάντη των αντιρρυπαντικών συσκευών, της θερμοκρασίας και της ροής μάζας του καυσαερίου, λαμβάνοντας υπόψιν τις ψυχρές ή θερμές συνθήκες εκκίνησης της ΜΕΚ σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, οι εκπομπές ρύπων στην έξοδο της εξάτμισης της start-stop και της υβριδικής εφαρμογής παραμένουν εντός των νομοθετημένων ορίων του Euro 6 προτύπου, ακόμη και σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης. Οι εκπομπές NO x παρουσιάζονται πιο ευαίσθητες στις θερμοκρασιακές συνθήκες και, κατά συνέπεια, στις συνθήκες έναυσης της ΜΕΚ και οδήγησης, αναφορικά με τη θερμοκρασία ενεργοποίησης (light-off) του τριοδικού καταλύτη, με κρίσιμες τις περιόδους ψυχρής εκκίνησης. 7.2 Προτάσεις για περαιτέρω έρευνα 7.2.1 HEV πετρελαίου Διερεύνηση της λειτουργίας και έλεγχος της τεχνολογίας ανακυκλοφορίας των καυσαερίων (EGR) σε υβριδικές εφαρμογές με σκοπό την αποφυγή ψύξης του συστήματος αντιρρύπανσης. Μελέτη της εφαρμογής ενδεχόμενων εναλλακτικών λύσεων αναφορικά με τη διατήρηση του αντιρρυπαντικού συστήματος εντός συγκεκριμένου θερμοκρασιακού πεδίου, όπως της θερμομόνωσης και της εξωτερικής θέρμανσης του καταλύτη μέσω διαφορετικών μεθόδων θέρμανσης (ηλεκτρικής κλπ). Διερεύνηση των ενδεχομένως υψηλών επιπέδων συγκεντρώσεων NO x κατά τη διάρκεια της αναγέννησης του φίλτρου μικροσωματιδίων diesel (DPF) σε υβριδικές εφαρμογές. Εξακρίβωση της συμπεριφοράς των σωματιδίων και των DPF στα υβριδικά οχήματα. Μελέτη του φαινομένου fuel-film και ενσωμάτωση του αντίστοιχου υπο-μοντέλου στο υπάρχον.

166 7.2.2 HEV βενζίνης Σε αυτή την κατεύθυνση, η περαιτέρω μελέτη της θερμικής διαχείρισης θα μπορούσε να περιλαμβάνει την εφαρμογή εναλλακτικών στρατηγικών προθέρμανσης (warm-up) και τη διερεύνηση πιθανής εξωτερικής εφαρμογής θέρμανσης του τριοδικού καταλύτη. Αντίστοιχα, διαφορετικές στρατηγικές υβριδοποίησης θα μπορούσαν εύκολα να ελεγχθούν, προτείνοντας βελτιστοποιημένες λύσεις για τους μελλοντικούς, ακόμη πιο αυστηρούς κανονισμούς για τα υβριδικά οχήματα σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης. Μελλοντικές εργασίες θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν τη μελέτη των εκπομπών σωματιδίων, όπως ορίζεται στο επερχόμενο πρότυπο Euro 6c για τα βενζινοκίνητα οχήματα.

167

168 8 Βιβλιογραφικές αναφορές 1. Gao, Z., Chakravarthy, V. K., Conklin, J. C., Daw, C. S., A proposed methodology for estimating transient engine-out temperature and emissions from steady-state maps. International Journal of Engine Research, 2010. 11(2): p. 137-151. 2. Schneeweiss, P.T.a.B., Evaluation of NOx and Fuel Consumption Reduction Potential of Parallel Diesel-Hybrid Powertrains using Engine-In-the-Loop Simulation. 2010. 3. Katrašnik, T. and J.C. Wurzenberger, Development of Advanced Conventional and Hybrid Powertrains by Mechanistic System Level Simulations. Procedia - Social and Behavioral Sciences, 2012. 48: p. 3371-3388. 4. Taymaz, I. and M. Benli, Emissions and fuel economy for a hybrid vehicle. Fuel, 2014. 115: p. 812-817. 5. Weilenmann, M.F., P. Soltic, and S. Hausberger, The cold start emissions of light-duty-vehicle fleets: a simplified physics-based model for the estimation of CO(2) and pollutants. Sci Total Environ, 2013. 444: p. 161-76. 6. IAV, VeLoDyn User Manual. Vehicle Longitudinal Dynamics Simulation, 2012. 7. Koltsakis G.C., S.Z., Karvountzis-Kontakiotis A., Zacharopoulou T., Haralampous O., Implications of Engine Start-Stop on After-Treatment Operation. SAE Int. J. Engines 4(1):1571-1585, 2011. 8. Krüger, M., Operational Strategies of a Diesel Hybrid Electric Vehicle with Focus on the Combustion Engine. Robert Bosch GmbH, 2011. 9. Katare, S. and P.M. Laing, A Hybrid Framework for Modeling Aftertreatment Systems: A Diesel Oxidation Catalyst Application. SAE Technical Paper 2006-01-0689, 2006. 10. Windeatt, J., et al., Real World Cold Start Emissions from a Diesel Vehicle. SAE Technical Paper 2012-01-1075, 2012. 11. Li, H., et al., Study of Thermal Characteristics and Emissions during Cold Start using an on-board Measuring Method for Modern SI Car Real World Urban Driving. SAE Int. J. Engines 1(1):804-819, 2009, 2008. 12. Gao, Z., C.S. Daw, and V.K. Chakravarthy, Simulation of Catalytic Oxidation and Selective Catalytic NOx Reduction in Lean-Exhaust Hybrid Vehicles. SAE Technical Paper 2012-01-1304, 2012. 13. Favre, C., D. Bosteels, and J. May, Exhaust Emissions from European Market- Available Passenger Cars Evaluated on Various Drive Cycles. SAE Technical Paper 2013-24-0154, 2013. 14. Lindenkamp, N., C.-P. Stöber-Schmidt, and P. Eilts, Strategies for Reducing NOX- and Particulate Matter Emissions in Diesel Hybrid Electric Vehicles. SAE Technical Paper 2009-01-130, 2009.

15. Nam, E.K. and R. Giannelli, Fuel Consumption Modeling of Conventional and Advanced Technology Vehicles in the Physical Emission Rate Estimator (PERE). 2005. 16. Gao, Z., et al., System Simulations of Hybrid Electric Vehicles with Focus on Emissions. 2010 DOE-DEER Conference, 2010. 17. Gao, Z., V.K. Chakravarthy, and C.S. Daw, Comparisons of the simulated emissions and fuel efficiencies of diesel and gasoline hybrid electric vehicles. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 2011. 225(7): p. 944-959. 18. Harder, H.-D., M. Brugger, and R. Brück, Future SCR NOx Aftertreatment Systems for Euro 6. Platinum Metals Rev., 2013. 19. Henry K. Ng, J.A.A., Michael J. Duoba and Robert P. Larsen, Engine Start Characteristics of Two Hybrid Electric Vehicles (HEVs) - Honda Insight and Toyota Prius. 2001. 20. Alessandrini, A., et al., Does European Type Approval Procedure Encourage the Diffusion of Hybrid and Other Low Emission Vehicles? SAE Technical Paper 2010-01-1445, 2010. 21. Yu, S., G. Dong, and L. Li, Transient characteristics of emissions during engine start/stop operation employing a conventional gasoline engine for HEV application. International Journal of Automotive Technology, 2008. 9(5): p. 543-549. 22. Bielaczyc, P. and J. Merkisz, Exhaust Emission from Passenger Cars During Engine Cold Start and Warm-Up. SAE Technical Paper 970740, 1997, 1997. 23. Watanabe, K., Tani, M., Yamamuro, T., and Kubo, M., Development of Integrated Powertrain Simulation for Hybrid Electric Vehicles Considering Total Energy Management. SAE Technical Paper 2012-01-1012, 2012. 24. Alvarez, R. and M. Weilenmann, Effect of low ambient temperature on fuel consumption and pollutant and CO2 emissions of hybrid electric vehicles in real-world conditions. Fuel, 2012. 97: p. 119-124. 25. Weilenmann, M., J.-Y. Favez, and R. Alvarez, Cold-start emissions of modern passenger cars at different low ambient temperatures and their evolution over vehicle legislation categories. Atmospheric Environment, 2009. 43(15): p. 2419-2429. 26. Gao, Z., C.S. Daw, and D.E. Smith, Comparative Urban Drive Cycle Simulations of Light-Duty Hybrid Vehicles with Gasoline or Diesel Engines and Emissions Controls. SAE Technical Paper 2013-01-1585, 2013. 27. EU, Commission Regulation (EC) No 715/2007 of the European Parliament and of the Council. 2007, Official Journal of the European Union. p. 1-16. 28. EU, Commission Regulation (EC) No 692/2008. 2008, Official Journal of the European Union. p. 1-136. 169

170 29. EU, Commission Regulation (EU) No 459/2012 2012, Official Journal of the European Union. p. 16-24. 30. Martin Weiss, P.B., Rudolf Hummel, Nikolaus Steininger, A complementary emissions test for light-duty vehicles: Assessing the technical feasibility of candidate procedures. European Commission, Joint Research Centre, Institute for Energy and Transport (IET), 2013. 31. Fortuna, T., et al., DoE and Beyond Evolution of the Model-based Development Approach. ATZ worldwide, 2015. 117(2): p. 30-35. 32. Platner, S., et al., Model-Based Production Calibration the Efficient Way of Variant Development. MTZ worldwide, 2013. 74(10): p. 18-25. 33. Wang, Z., et al., Real-world emissions of gasoline passenger cars in Macao and their correlation with driving conditions. International Journal of Environmental Science and Technology, 2013. 11(4): p. 1135-1146. 34. Bosteels, D., Real Driving Emissions and Test Cycle Data from 4 Modern European Vehicles. IQPC 2nd International Conference Real Driving Emissions, Düsseldorf, 2014. 35. Norbert Ligterink, G.K., Pim van Mensch, Stefan Hausberger (TUG), Martin Rexeis (TUG), Investigations and real world emission performance of Euro 6 light-duty vehicles. TNO 2013 R11891, 2013. 36. Bonnel, P., Cleaner road vehicles: How are European regulations addressing Real Driving Emissions? Green Week Conference, Brussels, 2013. 37. Maschmeyer, H., M. Kluin, and C. Beidl, Real Driving Emissions A Paradigm Change for Development. MTZ worldwide, 2015. 76(2): p. 16-21. 38. Disch, C., et al., Engine-in-the-Loop as a Development Tool for Emissions Optimisation in the Hybrid Context. MTZ worldwide, 2014. 75(10): p. 40-46. 39. S. E. Yu, H.S.O.a.K.D.M., Investigation of engine restart stability after idle stop for a mild type HEV powertrain. International Journal of Automotive Technology, 2013. 14: p. 683-692. 40. Ohn, H., S. Yu, and K. Min, Spark timing and fuel injection strategy for combustion stability on HEV powertrain. Control Engineering Practice, 2010. 18(11): p. 1272-1284. 41. Min, H.O.a.K., Combustion stability analysis during engine stop and restart in a hybrid powertrain. International Journal of Automotive Technology, 2009. 42. Yu, S. and L. Li, Effect of fuel metering on combustion and emissions of a PFI gasoline engine during fast starup under an HEV-like mode. International Journal of Automotive Technology, 2013. 15: p. 699-708. 43. Striok, S., et al., Real Driving Emissions A Paradigm Shift in Vehicle Application. MTZ worldwide, 2014. 75(1): p. 4-9. 44. EU, Commission Regulation (EU) No 630/2012 2012, Official Journal of the European Union. p. 14-26.

45. Klaus Land, A., Potential for reducing emissions from road traffic and improving air quality. ENVI Committee - Public Hearing on Air Quality Policy, 2014. 46. Kashdan, J., Mendez, S., and Bruneaux, G., On the origin of Unburned Hydrocarbon Emissions in a Wall Guided, Low NOx Diesel Combustion System. SAE Technical Paper 2007-01-1836, 2007. 47. Sylvain Mendez, J.T.K., Gilles Bruneaux, Benoist Thirouard and Franck Vangraefschepe, Formation of Unburned Hydrocarbons in Low Temperature Diesel Combustion. SAE Technical Paper 2009-01-2729, 2009. 48. Favez, J.-Y., M. Weilenmann, and J. Stilli, Cold start extra emissions as a function of engine stop time: Evolution over the last 10 years. Atmospheric Environment, 2009. 43(5): p. 996-1007. 49. Σουλιώτης, Θ., Ανάπτυξη και εφαρμογή ημιεμπειρικών μοντέλων πρόβλεψης εκπομπών ρύπων βενζινοκινητήρων. Διπλωματική εργασία ΕΕΘ, 2014. 50. Cathy Chung, L.G.a.S.R., Numerical Simulation and Experimental Validation of the Catalytic Converter Cool Down Process. 2000. 51. Chen, D.K.S., Oh, S. E., Bissett, E. J., and Ostrom, D. L. V, A Three-Dimensional Model for the Analysis of Transient Thermal and Conversion Characteristics of Monolithic Catalytic Converters. SAE paper, 1988. 52. Daniel Klein, W.K.C., Spark Ignition Engine Hydrocarbon Emissions Behaviors in Stopping and Restarting. SAE paper, 2002. 53. Joachim Braun, T.H., Heike Többen, Julia Windmann, Peter Zacke, Daniel Chatterjee, Chrys Correa, Olaf Deutschmann, Lubow Maier, Steffen Tischer and Jürgen Warnatz, Three-Dimensional Simulation of the Transient Behavior of a Three-Way Catalytic Converter. SAE paper, 2002. 54. Yan Shu, M.R.a.L.G.M., Thermal Analysis of Diesel Aftertreatment System. SAE paper, 2010. 55. A. A. Adamczyk, C.P.H., F. Ament, S. H. Oh, M. J. Brady and M. C. Yee, Experimental and Modeling Evaluations of a Vacuum-Insulated Catalytic Converter. SAE paper, 1999. 56. Exothermia, axisuite 2010 User s manual. 2010. 57. Koltsakis, G.C., Stamatelos, A. M., Konstantinidis, P.A., Development and Application Range of Mathematical Models for Automotive 3-Way Catalytic Converters. Applied Catalysis B: Environmental, 1997. 12(2-3): p. 161-191. 58. Tsinoglou, D., Koltsakis, G. C., Peyton Jones, J., Oxygen Storage Modeling in 3- Way Catalysts. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2002. 41(5): p. 1152-1165. 59. Pontikakis, G.N., Koltsakis, G. C., Stamatelos, A. M., Noirot, R., Agliany, Y., Colas, H., Versaevel, Ph., Bourgeois, C., Experimental and Modeling Study on Zeolite Catalysts for Diesel Engines Topics in Catalysis. 2001: p. 329-335. 171

172 60. Stamatelos, A.M., Koltsakis, G.C., Kandylas, I.P., Pontikakis, G.N., Computer Aided Engineering in Diesel Exhaust Aftertreatment Systems Design Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Journal of Automobile Engineering, 1999. 213: p. 545-560. 61. Kandylas, I., Koltsakis, G.C. and Stamatelos, A.M., Mathematical Modelling of Precious Metals Catalytic Converters for Diesel NOx Reduction. Proc. Inst. Mech. Engrs., Part D: Journal of Automotive Engineering, 1999. 213: p. 279-292. 62. Tsinoglou, D.N., Koltsakis, G. C., Modelling of the Selective Catalytic NOx Reduction in Diesel Exhaust Including Ammonia Storage. Proceedings of the IMechE, Part D: Journal of Automobile Engineering, 2007. 221: p. 117-133. 63. Koltsakis, G.C., Margaritis, N.K., Haralampous, O.A., and Samaras, Z.C., Development and Experimental Validation of a NOx Trap Model for Diesel Exhaust. SAE Technical Paper, 2006. 64. H. M. Koegeler, G.R., T. Sams and K. Gschweitl, Using Simulation and Optimization Tools to Decide Engine Design Concepts. SAE paper, 2000. 65. G. Regner, E.L., J. Krammer, Analysis of Transient Drive Cycles using CRUISE- BOOST Co-Simulation Techniques. SAE paper, 2002. 66. Exothermia, axiheat user manual - Exhaust Pipe Heat Transfer. 2015. 67. C. Severin, A.W., Y. Rosefort, H. Kemper, et al., Diesel Hybrid and Exhaust Aftertreatment Synergies and Optimization Potentials. 2008. 68. Alexandre Chasse, G.C.a.A.D.M., Florent Perez, Online optimal control of a parallel hybrid with after-treatment constraint integration. 2010. 69. Sciarretta, J.L.a.A., On the integration of optimal energy management and thermal management of hybrid electric vehicles. 2010. 70. Pierre Michel, A.C., Guillaume Colin, and Yann Chamaillard, Energy management of HEV to optimize fuel consumption and pollutant emissions. 2012. 71. Chambon, P., et al., PHEV Cold Start Emissions Management. 2013. 72. Florian Winke, M.B., Dynamic Simulation of Urban Hybrid Electric Vehicles. MTZ worldwide, 2013: p. 56-63. 73. Michel, P., et al., Pollution Constrained Optimal Energy Management of a Gasoline-HEV. 2013. 74. Martin Weiss, P.B., Jörg Kühlwein, Alessio Provenza, Udo Lambrechtb, Stefano Alessandrini, Massimo Carriero, Rinaldo Colombo, Fausto Forni, Gaston Lanappea, Philippe Le Lijour, Urbano Manfredi, Francois Montigny, Mirco Sculati, Will Euro 6 reduce the NOx emissions of new diesel cars? Insights from on-road tests with Portable Emissions Measurement Systems (PEMS). Atmospheric Environment, 2012. 62: p. 657-665. 75. IAV, S.K.-. VeLoDyn - Standard Library Elements. 2012.

76. Rockström, R., An engine start/stop strategy for a hybrid city bus. 2009. 77. Dingel, O., et al., Benchmarking Hybrid Concepts: On-Line vs. Off-Line Fuel Economy Optimization for Different Hybrid Architectures. 2013. 173

174 Παράρτημα I. Κύριες εξισώσεις για τη μεταφορά μάζας και θερμότητας σε flowthrough καταλυτικό μετατροπέα Οι κύριες διαφορικές και αλγεβρικές εξισώσεις για τη μεταφορά θερμότητας και μάζας στο μετατροπέα δίνονται στην Εικόνα 190 που ακολουθεί. Εικόνα 190 Κύριες εξισώσεις για τη μεταφορά μάζας και θερμότητας σε flow-through καταλύτη Το μοντέλο είναι εξοπλισμένο με διακριτοποίηση ενδο-στρωμάτων (intra-layer) ώστε να λαμβάνεται υπόψιν η σύζευξη μεταξύ αντιδράσεων και φαινομένων διάχυσης. Στην περίπτωση των πολλαπλών στρωμάτων washcoat ή μεγάλων σε μήκος καταλυτών τα φαινόμενα αυτά παίζουν σημαντικό ρόλο. Οι βασικές εξισώσεις ενδο-στρώματος για τη μοντελοποίηση flow-through καταλύτη παρουσιάζονται στην Εικόνα 191 παρακάτω.

Εικόνα 191 Εξισώσεις για τη μοντελοποίηση του ενδο-στρώματος 175

176 II. Γενικές πληροφορίες για την πλατφόρμα velodyn Για την πλήρη προσομοίωση του ολοκληρωμένου μοντέλου οχήματος-κινητήρα-εξάτμισης χρησιμοποιήθηκε το εργαλείο velodyn της εταιρείας IAV GmbH [6, 75]. Το velodyn αποτελεί μία πλατφόρμα λογισμικού που επιτρέπει τη διεξαγωγή της προσομοίωσης σε πραγματικό χρόνο εντός του MATLAB /Simulink περιβάλλοντος, γεγονός που το καθιστά εξαιρετικά ευέλικτο ως προς τη δυνατότητα συνεργασίας και ενσωμάτωσης πολλών εργαλείων, όπως π.χ. του axisuite. Παρέχει την απαραίτητη μεθοδολογία για συμβατικές και υβριδικές τεχνολογίες, καθώς περιέχει μία βιβλιοθήκη κινητήρων και εξαρτημάτων (ηλεκτρικών, ηλεκτρονικών, μηχανολογικών κα), τα οποία μπορούν να ρυθμιστούν από το χρήστη για να δημιουργήσουν το επιθυμητό μοντέλο, με δυνατότητα ενσωμάτωσης και επιπλέον στοιχείων, εργαλείων προσομοίωσης, αρχείων *.dll ή bitmaps [76, 77]. Στην Εικόνα 192 παρουσιάζεται ένα παράδειγμα για τη δομή ενός μοντέλου υβριδικού οχήματος με παράλληλο σύστημα κίνησης από τα έτοιμα δείγματα που είναι διαθέσιμα στο velodyn. Εικόνα 192 Παράδειγμα της δομής ενός μοντέλου υβριδικού οχήματος με παράλληλο σύστημα κίνησης στο velodyn Το σύστημα αποτελείται από μικρότερα υποσυστήματα (blocks) που το καθένα αντιστοιχεί σε ένα συγκεκριμένο στοιχείο, το οποίο λαμβάνει τα σχετικά σήματα εισόδου και εξάγει σήματα εξόδου. Παρακάτω περιγράφεται ενδεικτικά η λειτουργία των σημαντικότερων blocks του προσομοιωτικού μοντέλου ενός υβριδικού οχήματος.