Emissions reduction potential by coupling a thermoelectric generator to an exhaust heater in heavy duty vehicles

Abstract

First part of this research is focused in validating the Exhaust Gas Heater (EGH) viability in reducing NOx emissions without negative effects in a standard exhaust gas circuit. Experimentation was held using a HDV Euro VI vehicle in a certified rolling bench. Results are encouraging but the system has to be properly adapted and optimized. We are seeking a balance between NOx abatement and thermal wasted energy harvested for increasing exhaust gas temperature.

Second part of this study explores the Automotive Thermoelectric Generator (ATEG) viability as the only source of energy to power the EGH. It quantifies the electrical energy produced in three common engine regimes (1000, 1250 and 1500 rpm). It measures production variations affected by different Full Throttle Pedal Positions (FTPP) all along the exposed regimes.

This study presents a Thermoelectric Aftertreatment Heater (TATH) as a solution coupled to the vehicle standard configuration. It also determines the ideal location of both EGH and ATEG to optimize its performance and keep the standard ATS with minimal variations. The use of this system is divided into two different phases, heating stage and recovery stage. Heating stage is when EGH consumes electricity to rise exhaust gas temperature. On the other hand, recovery stage is applied when exhaust gas temperatures are high enough to allow ATEG recover wasted energy. Parameters such as backpressure and added weight has been taken into account in order to provide a fair energy balance to the comparison. In this regard, extra fuel consumption of the HDV has been quantified.

Third part of our research explores the different HDV routines and its particularities in order to determine in which ones the TATH can provide a major NOx improvement. The effects of this system are explored in a real transportation routine of a long-haul journey. The presented system is reducing polluting emissions in low engine regime circumstances, mainly in urban areas that are populated. Recovery stage of the system is quantified within this specific routine. Afterwards, the amount of energy required for heating stage is quantified concerning routine requirements.

Finally, experimental results demonstrate that a certified EURO VI HDV can produce NOx emissions 5 times above the standard limit value under specific circumstances (low-speed regimes). The accomplishment of current EURO VI and prospective EURO VII has been analyzed taking into account the benefits of this proposed TATH compared to the standard homologated ATS of this particular vehicle. Results demonstrate a NOx reduction up to 97.2% using the system proposed into this particular mission profile. Apart from that, it is also demonstrated that the ATEG can produce the energy required by the EGH in a long-haul mission profile. However, the added weight and the back pressure caused by the TATH is expected to increase the fuel consumption of the vehicle in 0.35%

La primera part d'aquesta investigació se centra a validar la viabilitat de l'escalfador de fums d'escapament (EGH) per reduir les emissions de NOx sense efectes negatius en un circuit estàndard de fums d'escapament. L'experimentació es va dur a terme amb un vehicle HDV Euro VI en un banc rodant certificat. Els resultats són encoratjadors, però el sistema s'ha d'adaptar i optimitzar adequadament. Estem buscant un equilibri entre la reducció de NOx i l'energia tèrmica malbaratada recollida per augmentar la temperatura dels gasos d'escapament.

La segona part d'aquest estudi explora la viabilitat del generador termoelèctric automotriu (ATEG) com a única font d'energia per alimentar l'EGH. Quantifica l'energia elèctrica produïda en tres règims de motor habituals (1000, 1250 i 1500 rpm). Mesura les variacions de producció afectades per diferents posicions del pedal en acceleració total (FTPP) al llarg dels règims exposats.

Aquest estudi presenta un escalfador de posttractament termoelèctric (TATH) com a solució acoblada a la configuració estàndard del vehicle. També determina la ubicació ideal tant de l'EGH com de l'ATEG per optimitzar el seu rendiment i mantenir l'ATS estàndard amb variacions mínimes. L'ús d'aquest sistema es divideix en dues fases diferents, fase d’escalfament i fase de recuperació. L'etapa d’escalfament és quan l’EGH consumeix electricitat per augmentar la temperatura dels fums d'escapament. D'altra banda, l'etapa de recuperació s'aplica quan les temperatures d’aquests fums són prou elevades per permetre que l'ATEG recuperi l'energia malbaratada. S'han tingut en compte paràmetres com la contrapressió i el pes afegit per tal de proporcionar un balanç energètic just a la comparativa. En aquest sentit, s'ha quantificat el consum extra de combustible del vehicle pesant testat.

La tercera part de la nostra investigació explora les diferents rutines HDV i les seves particularitats per tal de determinar en quines d’elles el TATH pot aportar una millora important de NOx emès. Els efectes d'aquest sistema s'exploren en una rutina de transport real d'un viatge de llarg recorregut. El sistema presentat està reduint les emissions contaminants en circumstàncies de règim de motor baix, principalment en zones urbanes poblades. L'etapa de recuperació del sistema es quantifica dins d'aquesta rutina específica. Posteriorment, es quantifica l’energia necessària per a l'etapa d'escalfament pel que fa als requisits de la missió.

Finalment, els resultats experimentals demostren que un HDV certificat EURO VI pot produir emissions de NOx 5 vegades per sobre del valor límit estàndard en circumstàncies específiques (règims de baixa velocitat). El compliment de l'actual EURO VI i la futura EURO VII s'ha analitzat tenint en compte els beneficis del sistema TATH proposat en comparació amb l'ATS homologat estàndard d'aquest vehicle en particular. Els resultats demostren una reducció de NOx de fins a un 97,2% utilitzant el sistema proposat en aquest perfil de missió concret. A banda d'això, també està demostrat que l'ATEG pot produir l'energia requerida per l'EGH en un perfil de missió de llarg recorregut. Tanmateix, s'espera que el pes afegit i la contrapressió provocada pel TATH augmentin el consum de combustible del vehicle en un 0,35%