Simulative and Experimental Investigations of 3-Way-Catalyst Exhaust System for a SI-Engine with a Disengageable Crankshaft

Abstract

El motor de cigüeñal divisible (SCE) está compuesto por dos motores bicilíndricos unidos a través de sus cigüeñales por un embrague, con la posibilidad de funcionar parcialmente con solo un motor o con ambos motores unidos. El banco de ensayos está compuesto por el motor primario y el sistema de escape V1, el cual incluye un precatalizador y un catalizador principal. En primer lugar, se ha desarrollado la estrategia de aplicación del motor para después medir y construir los diferentes mapas de emisiones, tanto para emisiones del motor como para emisiones después del catalizador principal. Posteriormente, se ha estudiado la respuesta transitoria del sistema para analizar el tiempo necesario hasta alcanzar la temperatura óptima de funcionamiento y si sería posible el funcionamiento con únicamente el precatalizador. Después de las investigaciones en el banco de ensayos se ha desarrollado una simulación completa del vehículo para cuantificar la mejora del SCE con respecto a un motor normal y un motor con desactivación de cilindros. Para concluir, se ha desarrollado un modelo del sistema de escape en GT-Suite para simular el comportamiento de ambos catalizadores. Este estudio concluye que el sistema necesita ambos catalizadores ya que el precatalizador no es lo suficientemente grande como para convertir todas las emisiones. La simulación del vehículo ha mostrado que el SCE consume un 10% menos combustible que un motor convencional. Por último, el SCE presenta emisiones de Nox por encima de las permitidas por la legislación actual además de mayores emisiones de Nox que un motor convencional, debido a la menor eficiencia del funcionamiento de un motor con un alto pmi que ambos motores con un pmi menor.

The Split-Crankshaft Engine (SCE) is composed by two bycilinder engines attached at their crankshafts through a clutch, with the possibility to run in partial mode with only one engine or in full mode with both engines coupled. The test bench has been set with the primary engine and the V1 exhaust system composed by a precatalyst and a main catalyst. This study has first developed the application strategy of the primary engine and measured the emissions maps of the different pollutants, for the raw emissions of the engine and the emissions after the main catalyst. Furthermore, the transient response of the system has been studied to analyse the time that the system needs to reach the optimum working temperature and if it would be possible to run only with the precatalyst. After the investigations at the test bench, a full vehicle simulation was carried out to study the improvement of the SCE with regard to a normal four cylinders engine and also a four cylinders engine with cylinder deactivation technology. To end with, a model of the exhaust system was developed in GT-Suite to simulate the behaviour of both catalytic converters. This study concludes that the system needs from both catalytic converters as the precatalytic converter is not big enough to convert all the pollutants. The full vehicle simulation has shown that the SCE produces a 10% fuel saving when compared to a four cylinders engine. The SCE does not fulfill the Nox emissions limits and also produces higher Nox emissions than a four cylinder engine as it is is more inefficient to have an engine with a high pmi than two engines with a lower pmi.