Development and application of a computer aided engineering methodology supporting the design optimization of automotive exhaust treatment systems

Abstract

Chapter 1 presents a short review of legislation, recent advances in engine and catalytic converter technology, testing and modeling approaches, aiming at the better comprehension of the objective of this thesis and the effort exerted at all fields of vehicle engineering. Chapter 2 presents the catalytic converter simulation model, primarily focused on (a) the improvements made in the core and the shell of the source code and (b) the systematic approach towards the minimization of the model’s tunable parameters. The principles of the optimization algorithm that was used are also presented in this chapter, as well as the development of user friendly GUIs, towards the transformation of this kind of mathematical models into robust CAE tools. Chapter 3 presents the quality assurance methodology of experimental data that was developed in the frame of this thesis. Quality assurance procedures were first applied to the catalytic converter inlet test data, which are prerequisite as input for the model. Application of this kind of procedures has revealed erroneous experimental data that could practically ruin the modeling effort. It was shown the necessity of the use of several data cross-checking tools. This methodology was extended to the test data at converter’s exit and also the model’s output data. Chapter 4 presents the study of engine management characteristics of five vehicles, equipped with exhaust aftertreatment systems of varying type, size and position at the exhaust line, through modal analysis. The role of optimized engine tuning to the performance of the exhaust system is demonstrated. This study supported the selection of a proper reaction scheme for use in the model. Chapters 5,6,7 and 8 present a matrix of catalytic converter case studies modelled with the updated version of CATRAN model. They form an extensive database both for the model validation and the analysis of the different exhaust aftertreament systems. The role of mathematical modeling as an indispensable tool for the exhaust treatment system design becomes apparent through the extraction of simplified rules regarding important design parameters. Chapter nine reviews the methodology developed, the advantages, the disadvantages and the limits of the current modeling approach. The cases that were successfully modeled and those that were not, are equally weighted in this discussion. Perspectives and future paths for research and development are briefly discussed.

Στο 1ο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια σύντομη βιβλιογραφική αναφορά σε σχέση με τη νομοθεσία και τις πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία των καταλυτικών μετατροπέων, που στοχεύει σε μια καλύτερη κατανόηση του αντικειμένου της διατριβής και της συνδυασμένης προσπάθειας που γίνεται σε αυτό το πεδίο. Στο 2ο κεφάλαιο παρουσιάζεται το υπολογιστικό μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε στη διατριβή, εστιάζοντας α) στις βελτιώσεις του πηγαίου κώδικα και β) στη συστηματική προσέγγιση για την ελαχιστοποίηση των ρυθμιστικών παραμέτρων του μοντέλου. Παρουσιάζονται επίσης οι βασικές αρχές του αλγορίθμου βελτιστοποίησης που χρησιμοποιήθηκε, όπως επίσης και διάφορα γραφικά περιβάλλοντα που για την μετατροπή των μαθηματικών μοντέλων σε εργαλεία CAE. Το 3ο κεφάλαιο παρουσιάζει τημεθοδολογία ποιοτικού ελέγχου των πειραματικών δεδομένων που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής. Η μεθοδολογία αυτή χρησιμοποιήθηκε για την αναγνώριση της ποιότητας των πειραματικών δεδομένων που χρησιμοποιούνταν ως είσοδος του μοντέλου και τη βελτίωση τους όπου αυτό ήταν δυνατό. Το 4ο κεφάλαιο παρουσιάζει μια μελέτη της διαχείρισης του κινητήρα 5 οχημάτων σε σχέση με το σύστημα μετεπεξεργασίας καυσαερίων με το οποίο είναι εξοπλίσμένα. Παρουσιάζεται ο ρόλος της βελτιστοποιημένης διαχείρισης σε σχέση με την απόδοση του συστήματος μετεπεξεργασίας καυσίμου. Με βάση αυτή τη μελέτη επιλέχθηκε το σχήμα των αντιδράσεων που χρησιμοποιήθηκε στο μοντέλο. Τα κεφάλαια 5, 6, 7 και 8 παρουσιάζουν τα αποτελέσματα της μοντελοποίησης διαφόρων πραγματικών περιπτώσεων με την αναβαθμισμένη έκδοση του μοντέλου CATRAN. Από αυτή τη μελέτη εξήχθησαν απλοποιημένοι κανόνες σχετικά με σημαντικές σχεδιαστικές παραμέτρους των συστημάτων αντιρρύπανσης. Το κεφάλαιο 9 αποτελεί μια ανασκόπηση της μεθοδολογίας που αναπτύχθηκε, παρουσιάζοντας τα πλεονεκτήματα, τα μειονεκτήματα και τα όρια της συγκεκριμένης υπολογιστικής προσέγγισης. Συζητούνται οι προοπτικές και παρουσιάζονται προτάσεις για πιθανή μελλοντική βελτίωση της παρούσας μεθοδολογίας.