Assessment of technologies to reduce fuel consumption and pollutant emissions of modern passenger cars in real - world driving conditions

Abstract

In the context of this dissertation, the fuel consumption and emissions of many vehicles were measured under various driving conditions and emission and consumption reduction technologies were investigated. The impact of conventional fuel consumption reduction technologies was simulated by modeling a gasoline and diesel vehicle under NEDC, WLTP and CADC driving cycles, using the AVL Cruise platform. The technologies tested include brake energy recuperation, start-stop, vehicle mass reduction, aerodynamic resistance reduction, rolling resistance reduction, gearbox changes and engine efficiency improvements. Each technology has a different impact on each driving cycle, while the overall reduction in fuel consumption and CO2 emissions achieved by combining all technologies was in the range of 12-14%. Concerning pollutant reduction technologies, the possibility of reducing NOx emissions of a Euro 6b diesel vehicle was studied. Initially, the vehicle was tested on the road following the RDE regulation where it emitted 5 times more NOx than the 80 mg/km limit. The vehicle’s engine operation was simulated on a laboratory dyno, where an identical engine was installed. Modifications were made to the exhaust aftertreatment system, including the replacement of the LNT system with an SCR system. The modifications reduced NOx emissions by 90%, achieving compliance with the Euro 6 limits without requiring any additional fuel consumption. The effect of driving conditions on emissions and fuel consumption was then addressed. In particular, three Euro 6 diesel vehicles were tested in the NEDC, WLTP, CADC driving cycles and on the road, on normal RDE-compliant routes and other more dynamic ones. The emissions reduction strategy of the three vehicles seems to be exclusively targeting the NEDC cycle, as at non-NEDC operating conditions the use of anti-pollution systems is minimized. WLTP emissions were closer to the emissions measured under real conditions; however, the engine operating range during the road tests was greater than the range during laboratory tests. In addition, NOx emission levels increase dramatically when driving the vehicle in a more dynamic manner outside the boundaries of the RDE regulation. Finally, on-road emissions measurements were carried out on a fleet of eight vehicles, two diesel, one gasoline, one LPG vehicle, one CNG, one hybrid and two older gasoline vehicles which had been converted to gasoline-LPG dual fuels. No fuel/engine type had low CO2, CO and NOx emissions over the full range of real world driving conditions. However, it is worth mentioning that the older gasoline-LPG vehicles had the worst emission performance, the CNG vehicle had the lowest CO2 emissions and the hybrid had the lowest CO and NOx emissions combined. With regard to conventional vehicle types, diesel vehicles had very high NOx emissions, while gasoline vehicles had extremely high CO emissions under dynamic driving conditions, reaching 35 times the regulatory limits.

Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής αποτυπώθηκαν οι εκπομπές και η κατανάλωση καυσίμου πολλών οχημάτων σε διάφορες συνθήκες οδήγησης και διερευνήθηκαν οι τεχνολογίες μείωσής τους. Η επίπτωση συμβατικών τεχνολογιών μείωσης κατανάλωσης εξετάστηκε με μοντελοποιήσεις κύκλων οδήγησης NEDC, WLTP, CADC σε ένα βενζινοκίνητο και ένα πετρελαιοκίνητο όχημα χρησιμοποιώντας την πλατφόρμα AVL Cruise. Οι τεχνολογίες που εξετάστηκαν περιλαμβάνουν ανάκτηση ενέργειας φρεναρίσματος, σύστημα start-stop, μείωση μάζας οχήματος, μείωση αεροδυναμικών αντιστάσεων, μείωση αντιστάσεων κύλισης, αλλαγές στο κιβώτιο ταχυτήτων και βελτιώσεις στην απόδοση του κινητήρα. Κάθε τεχνολογία έχει διαφορετική επίδραση σε κάθε κύκλο οδήγησης, ενώ η συνολική μείωση κατανάλωσης καυσίμου και εκπομπών CO2 που επιτεύχθηκε συνδυάζοντας όλες τις τεχνολογίες ήταν της τάξης του 12-14%. Όσον αφορά τις τεχνολογίες μείωσης ρύπων, εξετάστηκε η δυνατότητα μείωσης των εκπομπών NOx ενός Euro 6b ντίζελ οχήματος. Αρχικά μετρήθηκαν κατά RDE οι εκπομπές NOx και βρέθηκαν 5 φορές περισσότερες από το όριο των 80mg/km. H λειτουργία του κινητήρα του οχήματος προσομοιώθηκε σε εργαστηριακή πέδη, όπου εγκαταστάθηκε ένας πανομοιότυπος κινητήρας. Σε αυτόν έγιναν τροποποιήσεις στο σύστημα μετεπεξεργασίας καυσαερίων, με κύρια αλλαγή την αντικατάσταση του συστήματος LNT με σύστημα SCR. Οι τροποποιήσεις μείωσαν στις εκπομπές NOx κατά 90%, επιτυγχάνοντας συμμόρφωση με τα Euro 6 όρια, χωρίς να επιβαρύνουν την κατανάλωση καυσίμου. Στη συνέχεια εξετάστηκε η επίδραση των συνθηκών οδήγησης στις εκπομπές και την κατανάλωση καυσίμου. Συγκεκριμένα διερευνήθηκε η λειτουργία τριών Euro 6 ντίζελ σε κύκλους οδήγησης NEDC, WLTP, CADC και στο δρόμο σε κανονικά δρομολόγια εντός RDE νομοθεσίας και σε άλλα πιο δυναμικά. Η στρατηγική μείωσης των εκπομπών και των τριών οχημάτων φαίνεται να στοχεύει αποκλειστικά τον κύκλο NEDC, καθώς στα σημεία λειτουργίας εκτός του NEDC η χρήση αντιρρυπαντικών συστημάτων ελαχιστοποιείται. Οι εκπομπές κατά τον WLTP ήταν πιο κοντά στις εκπομπές που μετρήθηκαν σε πραγματικές συνθήκες, ωστόσο, το εύρος λειτουργίας του κινητήρα κατά τη μέτρηση στον δρόμο ήταν μεγαλύτερο από το εύρος κατά τις εργαστηριακές συνθήκες. Επιπλέον, τα επίπεδα εκπομπών NOx αυξάνονται δραματικά κατά την οδήγηση του οχήματος με πιο δυναμικό τρόπο, εκτός των προδιαγραφών του RDE κανονισμού. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις εκπομπών στο δρόμο σε ένα στόλο οχτώ οχημάτων, δύο ντίζελ, ένα βενζινοκίνητο, ένα όχημα φυσικού αερίου, ένα υγραεριοκίνητο, ένα υβριδικό και δύο παλαιότερα βενζινοκίνητα που έχουν μετατραπεί σε υγραεριοκίνητα. Κανένας τύπος καυσίμου/κινητήρα δεν είχε χαμηλές εκπομπές CO2, CO και NOx σε όλο το φάσμα των πραγματικών συνθηκών λειτουργίας. Ωστόσο αξίζει να σημειωθεί ότι τα παλαιότερα οχήματα υγραερίου-βενζίνης είχαν τις χειρότερες επιδόσεις εκπομπών, το όχημα με φυσικό αέριο είχε τις χαμηλότερες εκπομπές CO2 και ότι το υβριδικό είχε τις χαμηλότερες εκπομπές ρύπων CO και NOx συνδυαστικά. Όσον αφορά τους συμβατικούς τύπους οχημάτων, τα ντίζελ είχαν πολύ υψηλές εκπομπές NOx, ενώ τα βενζινοκίνητα σε δυναμικές συνθήκες οδήγησης, είχαν εξαιρετικά υψηλές εκπομπές CO φτάνοντας τις 35 φορές πάνω από τα νομοθετημένα όρια.