Development of Calibration Strategies for Gasoline Direct Injection Engines within the Scope of Sustainable Mobility

In order to limit the contributions to global warming due to burning of fossil fuels, major countries across the world have set new targets on reducing vehicular fuel consumption and tailpipe CO2 emissions. As the CO2 emission standards around the world become more stringent, the turbocharged downsized gasoline direct injection (GDI) engine provides a mature platform to achieve better fuel economy. For this reason, it is expected that the GDI engine will capture increasing shares of the market during the coming years. The in-cylinder liquid injection, though advantageous in most engine operation regimes, creates emissions during the cold crank-start and cold fast-idle phases. The engine cold-start is responsible for a disproportionate share of the hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NOx) and particulate matter (PM) emitted over the certification cycle. Understanding the sources of the pollutants during this stage is necessary for the further market penetration of GDI under the constraint of tighter emission standards. This thesis aims to examine the formation processes of the principal pollutants during various conditions in a GDI engine, and the sensitivity of the pollutant emissions to different calibration strategies. To this end, a detailed analysis was carried out with regard to the main engine combustion parameters. The results show that the pollutant formation processes are strongly dependent on the mixture formation and on the temperature and pressure history of the combustion process, so particular attention must be reserved to the engine calibration.

Al fine di limitare i contributi al riscaldamento globale dovuto alla combustione di combustibili fossili, i principali paesi del mondo hanno fissato nuovi obiettivi sulla riduzione del consumo di carburante dei veicoli e delle emissioni di CO2 dallo scarico. Man mano che gli standard sulle emissioni di CO2 in tutto il mondo diventano più rigorosi, il motore turbocompresso a iniezione diretta di benzina (GDI) ridimensionato fornisce una piattaforma matura per ottenere un migliore risparmio di carburante. Per questo motivo, si prevede che il motore GDI acquisirà quote crescenti di mercato nei prossimi anni. L'iniezione di liquido nel cilindro, sebbene vantaggiosa nella maggior parte dei regimi di funzionamento del motore, crea emissioni durante le fasi di avviamento a freddo e di minimo rapido a freddo. L'avviamento a freddo del motore è responsabile di una quota sproporzionata di idrocarburi (HC), monossido di carbonio (CO), ossidi di azoto (NOx) e particolato (PM) emessi durante il ciclo di certificazione. La comprensione delle fonti degli inquinanti in questa fase è necessaria per l'ulteriore penetrazione nel mercato di GDI sotto il vincolo di standard di emissione più rigorosi. Questa tesi si propone di esaminare i processi di formazione dei principali inquinanti in varie condizioni in un motore GDI e la sensibilità delle emissioni inquinanti a differenti strategie di calibrazione. A tal fine è stata effettuata un'analisi dettagliata dei principali parametri di combustione del motore. I risultati mostrano che i processi di formazione degli inquinanti sono fortemente dipendenti dalla formazione della miscela e dallo storico di temperatura e pressione del processo di combustione, quindi particolare attenzione deve essere riservata alla calibrazione del motore.