Riassunto analitico
L’elaborato verte sul sistema di post-trattamento dei gas di scarico di un motore Diesel ad elevate prestazioni per applicazioni off-road. Il costante inasprimento delle normative in tematica emissioni induce i principali costruttori a sviluppare e adottare sistemi sempre più complessi, al fine di rientrare nei limiti imposti. Questi dispositivi, in aggiunta all’odierna gestione elettronica del motore e ad una combustione ottimale, riescono a limitare le emissioni prodotte dal motore.
L’obiettivo principale è lo sviluppo sperimentale e la validazione di tale sistema nel motore KDI 3404, conforme alla normativa Stage V. Il motore in esame ha 3.4 L di cilindrata, la maggiore della famiglia KDI, ed è dotato di turbocompressore, un intercooler e di un sistema di iniezione diretta ad alta pressione. Nonostante i consumi ridotti, l’unità è in grado di erogare 650 Nm di coppia massima e fino a 112 kW di potenza, cioè 150 CV. Le limitazioni in ambito emissioni dipendono dal range di potenza del motore in esame, quindi il KDI 3404 deve essere equipaggiato con un’articolata linea di scarico a causa delle sue prestazioni di punta. Nell’ordine, il sistema di post-trattamento si compone di: DOC per l’ossidazione, DPF per intrappolare il particolato, mixer per miscelare l’Urea iniettata, SCR per poter ridurre NOx e ASC per convertire l’Ammoniaca.
La tesi descrive le attività svolte per l’ottimizzazione della strategia di rigenerazione del DPF e per la definizione degli intervalli di rigenerazione, entrambi gestiti dalla ECU. Il perfezionamento della strategia di rigenerazione del DPF è possibile grazie al controllo “drop to idle”. Questa tipologia di test permette di valutare la capacità della matrice del DPF di sopportare gli elevati stress termici e i gradienti di temperatura quando il motore viene portato da alti carichi al minimo durante la rigenerazione attiva. Per completare il secondo obiettivo, è necessario analizzare l’accuratezza del modello di accumulo di particolato all’interno del filtro. Il modello di soot è validato grazie al confronto tra i valori calcolati dalla ECU con i dati sperimentali, ottenuti grazie all’operazione di pesatura del DPF.
Tutte le attività sono state svolte all’interno di KOHLER Engines EMEA, a Reggio Emilia, dove ho svolto un tirocinio di sette mesi nel dipartimento di Ricerca e Sviluppo. Per raggiungere gli obiettivi prefissati e risolvere i problemi che si sono presentati, ho collaborato attivamente con i membri dei team di testing, sviluppo e calibrazione. Ulteriori verifiche e prove di validazione sono state effettuate sul sistema di raffreddamento, su differenti layout di turbocompressori e sul sistema di iniezione. Infine, sono state eseguite delle analisi NVH su tutto il sistema. In seguito al periodo di tirocinio, la validazione sperimentale del sistema di post-trattamento dei gas di scarico continuerà con test sulla parte di mixer e SCR, incentrati sulla rigenerazione DeSox e sulla formazione di cristalli di Urea in condizioni critiche di funzionamento.
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Abstract
This thesis work is focused on the exhaust aftertreatment system of a high-performance Diesel engine for off-road applications. A constant revision in legislations, forces main manufacturers to develop and to adopt increasingly complex aftertreatment systems, to adhere to the stringent limits on pollutant emissions. These systems, in addition to the current electronic engine management and optimal combustion, facilitate the reduction of emissions produced.
Main goal is the experimental development and validation of the aftertreatment system of the KDI 3404, compliant to Stage V emissions regulations. The engine has a displacement of 3.4 L, largest in the KDI family, and it is equipped with a turbocharger, intercooler, and direct high-pressure injection system. Along with its low fuel consumption, it provides 650 Nm of peak torque and up to 112 kW of power, or 150 HP. Emission limits depend on engine range of power, so KDI 3404 must be equipped with an elaborate exhaust line due to its high power. The system contains: DOC for oxidating, DPF for soot trapping, mixer for injected Urea, SCR for reducing NOx, and ASC for Ammonia converting. They are in that order along the exhaust gas flow.
The thesis details the activities carried out for the optimization of the DPF regeneration strategy and for the definition of regeneration interval time, both managed by ECU. Refinement of the DPF regeneration strategy is possible owing to the “drop to idle” control. It has been performed for evaluating the capability of DPF substrate to support the high thermal stress and temperature gradient when the engine is dropped from high load to idle condition, during active regeneration. For fulfilling second goal, it is necessary to assess accuracy of the model for accumulation of soot inside the filter. The soot model is validated by comparison between values calculated from ECU with experimental data, which is obtained by weighing the DPF.
All activities were carried out at KOHLER Engines EMEA in Reggio Emilia. Here, I performed a seven-month internship in the Research and Development department. To effectively fulfilling goals and to solve problems faced, I actively collaborate with testing, development, and calibration team members. Additional verification and validation tests have also been performed on the engine’s cooling system, its turbocharger layout, and the injection system. Furthermore, an overall NVH analysis has also been performed. After internship period, experimental validation of exhaust aftertreatment system will continue with tests on SCR, focused on DeSox regeneration and on Urea crystal formation in critical working conditions.
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