Los modelos de estimación de emisiones para fuentes móviles entregan la información de entrada a los modelos de dispersión de contaminantes, que definen la calidad del aire en zonas urbanas. Dentro de estos modelos, un elemento ´ decisivo para el calculo de emisiones son los modos de conducción de los vehículos en la ciudad. Las principales características de los modos de conducción son la velocidad instantánea y la aceleración, incluyendo además la pendiente de la ruta. Con estos parámetros es posible caracterizar el estado de operación del motor mediante la potencia específica del vehículo (PSV) segundo a segundo. El objetivo principal de esta memoria es aplicar una metodología de calculo de emisiones vehiculares basada en modos de conducción y PSV para vehículos livianos en zonas urbanas. Este nuevo esquema de modelacion basado en PSV es utilizado para comparar los modos de conducción y su impacto sobre las emisiones vehiculares, entre dos centros urbanos de América Latina: Santiago y Buenos Aires. La metodología utilizada en ambas localidades es la misma y consiste en registrar velocidad y altura segundo a segundo en vehículos instrumentados. Para describir fielmente el comportamiento de conducción de cada centro urbano se seleccionan 3 sectores (alto ingreso, bajo ingreso, comercial) y, dentro de cada sector, 3 tipos de recorrido (autopista, avenida, residencial). La información recopilada a través de esta metodología es utilizada para caracterizar los modos de conducción, su PSV y las emisiones de contaminantes asociadas a cada centro urbano. La PSV traduce cuantitativamente los parámetros característicos de un modo de conducción instantáneo a niveles de demanda energética del motor. Finalmente, utilizando una base de datos de emisiones vehiculares para una categoría particular, y ponderandola con los valores de potencia específica obtenidos para cada recorrido, se determina el nivel de contaminantes unitarios emitidos en cada ciudad. Ademas, se propone una variante a la fórmula principal del cálculo de potencia específica propuesta en la literatura, específicamente en el termino asociado a la energía potencial. Se obtuvieron diferencias importantes a nivel de velocidades medias, velocidades máximas y aceleraciones entre un centro urbano y otro. Sin embargo, estas diferencias se ven disminuidas al expresar los modos de conducción en términos de PSV, debido a la preponderancia de los eventos de detención en comparación a aquellos en que se presentan cambios de velocidad. A pesar de que las diferencias a nivel de PSV son leves, estas generan un gran impacto en las emisiones vehiculares unitarias. De lo anterior se concluye que los hábitos de conducción inciden en forma importante en el calculo de emisiones vehiculares y deben ser considerados en la determinación de inventarios a través de modelos de emisión.

[ES] A la luz de la crisis medioambiental y del creciente interés en el uso del H2 para avanzar hacia la Economía del Hidrógeno, esta tesis tiene como objetivo analizar y optimizar nuevas arquitecturas de sistemas propulsivos de FCV para aplicaciones en turismos y vehículos pesados en términos de rendimiento, durabilidad e impacto medioambiental. Para ello, se ha desarrollado una plataforma de modelado de FCV multifísica y flexible que integra un modelo de pila de combustible validado junto con los componentes del BoP, los componentes mecánicos y eléctricos del vehículo y el sistema propulsivo, un modelo de degradación de FC semi-empírico informado por tendencias físicas diseñado para ser utilizado en condiciones de conducción y un optimizador de EMS en tiempo real que ofrece el mejor rendimiento dado un diseño de sistema propulsivo y un ciclo de conducción, de tal forma que todas las arquitecturas propuestas para una aplicación determinada sean comparables en términos justos. La discusión de los resultados puede dividirse en tres partes diferentes. La primera está orientada a la optimización del rendimiento del FCS. Los resultados de esta parte ayudaron a identificar la estrategia de gestión del aire que, dado un conjunto de restricciones impuestas en los componentes del BoP, maximizaba la potencia neta del FCS (eficiencia) para cada valor de densidad de corriente. El balance energético resultante, que comprende la potencia producida por la pila de combustible, las perdidas electroquímicas y el consumo de los componentes del BoP, fue analizado y utilizado para determinar y diseñar la estrategia de control de los actuadores del BoP para condiciones de conducción. La segunda parte se centra en la evaluación y optimización, cuando es posible, de la arquitectura FCREx para aplicaciones de turismos y la configuración multi-FCS para aplicaciones de vehículos de transporte pesado. Desde el punto de vista del rendimiento, la arquitectura FCREx ofrecía un consumo mínimo de H2 con una elevada potencia de la pila de combustible y una gran capacidad de la batería, pero este diseño podría ser prohibitivo en términos de costes. Podía ofrecer hasta un 16.8-25% menos de consumo de H2 y un 6.8% menos de consumo de energía. La limitación en la dinámica de esta arquitectura aumento la durabilidad de la FC en un 110% con una penalización en el consumo de H2 del 4.7%. La arquitectura multi-FCS para aplicaciones pesadas podría funcionar con una dinámica aún menor, con un aumento de la durabilidad de la pila del 471% con una penalización en el consumo de H2 del 3.8%, ya que el perfil de conducción de los vehículos pesados suele ser menos dinámico. El control y el dimensionamiento diferencial solo podrían aportar beneficios en términos de impacto ambiental o de coste, pero no de rendimiento. La última parte considera los resultados obtenidos en términos de rendimiento y durabilidad para analizar el impacto medioambiental de cada arquitectura. La estrategia de producción de H2 afecta significativamente a las emisiones del ciclo de vida en ambas aplicaciones sobre cualquier otra elección de diseño. El diseño óptimo para la arquitectura FCREx que minimiza las emisiones tiene una alta potencia de la pila de combustible y una capacidad moderada de la batería. En el caso de la aplicación para vehículos pesados, se identificó la dinámica de control óptima para cada diseño y estrategia de producción de H2, y se determinó que la estrategia de diseño de dimensionado diferencial solo proporcionaba beneficios si se consideraba una tecnología de pila de combustible diferente para las distintas pilas integradas en el sistema propulsivo. / [CA] A la llum de la crisi mediambiental i del creixent interés en l'ús de l'H2 per a avançar cap a l'Economia de l'Hidrogen, aquesta tesi té com a objectiu analitzar i optimitzar noves arquitectures de sistemes propulsius de FCV per a aplicacions en turismes i vehicles pesants en termes de rendiment, durabilitat i impacte mediambiental. Per a això, s'ha desenvolupat una plataforma de modelatge de FCV multifísica i flexible que integra un model de pila de combustible validat juntament amb els components del BoP, els components mecànics i elèctrics del vehicle i el sistema propulsiu, un model de degradació de pila de combustible semi-empíric informat per tendències físiques dissenyat per a ser utilitzat en condicions de conducció i un optimitzador d'EMS en temps real que ofereix el millor rendiment donat un disseny de sistema propulsiu i un cicle de conducció, de tal forma que totes les arquitectures proposades per a una aplicació determinada siguen comparables en termes justos. La discussió dels resultats pot dividir-se en tres parts diferents. La primera està orientada a l'optimització del rendiment del FCS. Els resultats d'aquesta part van ajudar a identificar l'estratègia de gestió de l'aire que, donat un conjunt de restriccions imposades en els components del BoP, maximitzava la potència neta del FCS (eficiència) per a cada valor de densitat de corrent. El balanç energètic resultant, que comprén la potència produïda per la pila de combustible, les pèrdues electroquímiques i el consum dels components del BoP, va ser analitzat i utilitzat per a determinar i dissenyar l'estratègia de control dels actuadors del BoP per a condicions de conducció. La segona part se centra en l'avaluació i optimització, quan ¿es possible, de l'arquitectura FCREx per a aplicacions de turismes i la configuració multi-FCS per a aplicacions de vehicles de transport pesat. Des del punt de vista del rendiment, l'arquitectura FCREx oferia un consum mínim d'H2 amb una elevada potència de la pila de combustible i una gran capacitat de la bateria, però aquest disseny podría ser prohibitiu en termes de costos. Podia oferir fins a un 16.8-25% menys de consum d'H2 i un 6.8% menys de consum d'energia. La limitació en la dinàmica d'aquesta arquitectura va augmentar la durabilitat de la pila en un 110% amb una penalització en el consum d'H2 del 4.7%. L'arquitectura multi-FCS per a aplicacions pesades podria funcionar amb una dinàmica encara menor, amb un augment de la durabilitat de la pila del 471% i una penalització en el consum d'H2 del 3.8%, ja que el perfil de conducció dels vehicles pesants sol ser menys dinàmic. El control i el dimensionament diferencial només podrien aportar beneficis en termes d'impacte ambiental o de cost, però no de rendiment. L'última part considera els resultats obtinguts en termes de rendiment i durabilitat per a analitzar l'impacte mediambiental de cada arquitectura. L'estratègia de producció d'H2 afecta significativament a les emissions del cicle de vida en totes dues aplicacions sobre qualsevol altra elecció de disseny. El disseny òptim per a l'arquitectura FCREx que minimitza les emissions té una alta potència de la pila de combustible i una capacitat moderada de la bateria. En el cas de l'aplicació per a vehicles pesants, es va identificar la dinàmica de control `optima per a cada disseny i estratègia de producció d'H2, i es va determinar que l'estratègia de disseny de dimensionament diferencial només proporcionava beneficis si es considerava una tecnologia de pila de combustible diferent per a les diferents piles integrades en el sistema propulsiu. / [EN] In light of the environmental crisis and the growing interest in the use of H2 to advance toward the Hydrogen Economy, this thesis aims at analyzing and optimizing novel FCV powerplant architectures for passenger car and heavy-duty vehicle applications in terms of performance, durability, and environmental impact. For that purpose, a multi-physics flexible FCV modeling platform was developed integrating a validated FC stack model together with the BoP components, the mechanical and electrical components of the vehicle and powertrain, a semi-empirical physics-informed FC degradation model designed to be used in driving conditions and a real-time EMS optimizer that offers the best performance given a powerplant design and driving cycle so that all the proposed architectures for a given application are comparable. The discussion of the results can be divided into 3 different parts. The first one is oriented towards the FCS performance optimization. The results in this part helped to identify the air management strategy that, given a set of constraints imposed in the BoP components, maximized the FCS net power output (efficiency) for each value of current density. The resulting energy balance comprising the FC stack power produced, the electrochemical losses, and the consumption of the BoP components was analyzed and used to determine and design the control strategy of the BoP actuators for driving cycle conditions. The second part is focused on the evaluation and optimization, when possible, of the FCREx architecture for passenger car applications and the multi-FCS configuration for heavy-duty vehicle applications. Performance-wise the FCREx architecture offered minimum H2 consumption with high FC stack power and high battery capacity, but this design could be prohibitive in terms of costs. It could offer up to 16.8-25% lower H2 consumption and 6.8% lower energy consumption. Limiting the dynamics of this architecture increased the FC durability by 110% with a penalty in H2 consumption of 4.7%. The multi-FCS architecture for heavy-duty applications could operate with even lower dynamics, with an increase in the FC durability of 471% with a penalty in H2 consumption of 3.8%, since the driving profile of heavy-duty vehicles is usually more steady. Differential control and sizing could only provide benefits in terms of environmental impact or cost, not performance. The last part considers the results obtained in terms of performance and durability to analyze the environmental impact of each architecture. The H2 production pathway affected significantly the life cycle emissions of both applications over any other design choice. The optimum design for FCREx architecture that minimized emissions had high FC stack power and moderate battery capacity. In the case of heavy-duty application, the optimum control dynamics for each design and H2 production pathway were identified, and the differential sizing design strategy was determined to only provide benefits if different FC stack technology was considered for the various stacks in the powerplant. / López Juárez, M. (2022). Analysis of Hydrogen Fuel Cell Powerplant Architectures for Future Transport Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/189212

[ES] Con el aumento de la demanda de soluciones más amigables con el medio ambiente en la industria de la automoción, el motor de combustión interna alternativo (MCIA) enfrenta actualmente grandes desafíos para minimizar su consumo de recursos no renovables y especialmente, para reducir sus emisiones contaminantes. Debido a que el aporte de los MCIAs es fundamental para cubrir las necesidades de movilidad y de generación de energía alrededor de todo el mundo, y el hecho de que diferentes alternativas, como los motores eléctricos e hibrido, están y continuaran enfrentado múltiples obstáculos para su implementación masiva en el futuro cercano, la investigación continua en MCIA es fundamental para cumplir con los propósitos de reducción de emisiones. En este aspecto, una aproximación para el aumento de la eficiencia del motor y la reducción del consumo de combustible es mediante la implementación de alternativas dirigidas a reducir las pérdidas mecánicas por fricción. Estas alternativas tribológicas incluyen aquellas que requieren modificaciones en los componentes del motor, como materiales y acabados superficiales, y el uso de formulaciones de aceite lubricante de menor viscosidad o aditivos que mejoren las condiciones de lubricación del motor. Con la contante evolución y mejoras en el MCIA y las condiciones de trabajo cada vez más severas, también surgen nuevas alternativas tribológicas para enfrentar los nuevos desafíos del motor, y por tanto se requiere de investigaciones adicionales en este tema. Durante el desarrollo de esta Tesis, uno de los objetivos consistió en contribuir a la investigación del uso de aceites de baja viscosidad para el ahorro de combustible como un efecto conjunto con las condiciones de conducción del vehículo. Para llevar a cabo este objetivo, se desarrollaron ensayos experimentales bajo condiciones estacionarias en un banco de motor con formulaciones de aceite de diferente viscosidad HTHS, algunas de ellos con aditivo modificador de fricción para expandir el rango de reducción de fricción a condiciones de lubricación más severas. Los mapas de consumo de combustible resultantes de estos ensayos fueron utilizados en un modelo de simulación del vehículo para estimar su consumo de combustible como función del aceite y las condiciones de trabajo de tres ciclos de conducción. Con el objetivo de expandir los conocimientos en los fundamentos de lubricación de los MCIAs y tener la capacidad de evaluar otras alternativas para reducir las pérdidas por fricción, se consideró necesario enfocar la investigación en el conjunto pistón-camisa, que es el par tribológico con mayor aporte a las perdidas por fricción. Para conseguir este objetivo, durante esta Tesis se desarrolló una maqueta específica para el ensamble pistón-camisa, y un modelo teórico para simular la lubricación del segmento de compresión. Para la primera parte, la maqueta se desarrolló basada en el método de camisa flotante, en el cual la camisa fue aislada del resto del motor y la fuerza de fricción generada en la interfaz pistón-camisa pudo ser medida mediante sensores de fuerza. En esta instalación se desarrollaron diferentes ensayos los cuales permitieron llevar a cabo un análisis exhaustivo de los fundamentos de lubricación de este par tribológico como función de diferentes parámetros que tiene impacto en las condiciones de lubricación. Este estudio se complementó con el desarrollo de un modelo de lubricación para el segmento de compresión basado en el método de diferencias finitas. Finalmente, se llevó a cabo una comparativa de resultados experimentales y teóricos para el segmento de compresión, lo cual permitió validar los ensayos experimentales en la maqueta de camisa flotante, así como el modelo de simulación desde el punto de vista de datos de entrada, condiciones de contorno y supuestos. / [CA] Amb l'augment de la demanda de solucions més amigables amb el medi ambient en la indústria de l'automoció, el motor de combustió interna alternatiu (MCIA) s'enfronta actualment a grans desafiaments per minimitzar el seu consum de recursos no renovables i especialment, per reduir les seves emissions contaminants . Tenint en compte que l'aportació dels MCIA és fonamental per a cobrir les necessitats de mobilitat i generació d'energia arreu de tot el món, i el fet que diferents alternatives, com els motors elèctrics i híbrids, estan i continuaran enfrontat múltiples obstacles per a la seva implementació massiva al proper futur, la investigació contínua en MCIA és fonamental per complir amb els propòsits de reducció d'emissions. En aquest aspecte, una aproximació per a l'augment de l'eficiència del motor i la reducció de consum de combustible és mitjançant la implementació d'alternatives dirigides a reduir les pèrdues mecàniques per fricció. Aquestes alternatives tribològiques inclouen aquelles que requereixen modificacions de components del motor, com materials i acabats superficials, i l'ús de formulacions d'oli lubricant de menor viscositat o additius que milloren les condicions de lubricació del motor. Amb la constant evolució i millores en el MCIA i les condicions de treball cada vegada més severes, també sorgeixen noves alternatives tribològiques per enfrontar els nous desafiaments del motor, i per tant es requereix d'investigacions addicionals en aquest tema. Durant el desenvolupament d'aquesta Tesi, un dels objectius va consistir a contribuir a la investigació de l'ús d'olis de baixa viscositat per a l'estalvi de combustible com un efecte conjunt amb les condicions de conducció de vehicle. Per dur a terme aquest objectiu, es van desenvolupar assajos experimentals sota condicions estacionàries en un banc de motor amb formulacions d'oli de diferent viscositat HTHS, algunes d'elles amb additiu modificador de fricció per expandir el rang de reducció de fricció a condicions de lubricació més severes . Els mapes de consum de combustible resultants d'aquests assajos van ser utilitzats en un model de simulació del vehicle per estimar el seu consum de combustible com a funció de l'oli i les condicions de treball de tres cicles de conducció. Amb l'objectiu d'expandir els coneixements en els fonaments de lubricació dels MCIAs i tenir la capacitat d'avaluar altres alternatives per reduir les pèrdues per fricció, es va considerar necessari enfocar la recerca al conjunt pistó-camisa, que és el parell tribològic amb major aportació a les perdudes per fricció. Per aconseguir aquest objectiu, durant aquesta Tesi es va desenvolupar una maqueta específica per al acoblament pistó-camisa, i un model teòric per simular la lubricació del segment de compressió. Per a la primera part, la maqueta es va desenvolupar basada en el mètode de camisa flotant, en el qual la camisa va ser aïllada de la resta del motor i la força de fricció generada en la interfície pistó-camisa va poder ser mesurada mitjançant sensors de força. En aquesta instal·lació es van desenvolupar diferents assajos els quals van permetre dur a terme una anàlisi exhaustiva dels fonaments de lubricació d'aquest parell tribològic com a funció de diferents paràmetres que tenen impacte en les condicions de lubricació. Aquest estudi es va complementar amb el desenvolupament d'un model de lubricació per al segment de compressió basat en el mètode de diferències finites. Finalment, es va dur a terme una comparativa de resultats experimentals i teòrics per al segment de compressió, la qual cosa va permetre validar els assajos experimentals a la maqueta de camisa flotant, així com el model de simulació des del punt de vista de dades d'entrada, condicions de contorn i hipòtesis. / [EN] With the increasing demand for greener solutions in the automotive industry, the ICE is currently facing great challenges to minimize the consumption of nonrenewable resources and specially to reduce its harmful emissions. Given that the contribution of the ICE is fundamental to cover the actual mobility and power generation needs worldwide, and the fact that different power-train alternatives, such as electric and hybrid vehicles, are and will continue facing multiple obstacles for their large-scale implementation in the near future, the continuous research on the ICE is fundamental in order to meet the emissions reduction targets. In this regard, one approach to increase the engine efficiency and reduce the fuel consumption, is through the implementation of alternatives aimed to reduce the friction mechanical losses. These tribological alternatives include those that require modifications to the engine components, such as materials and surface finishes, and the use of lubricant oil formulation of lower viscosity or additives that improve the lubrication performance of the engine. With the ongoing evolution and improvement of the ICE and the increasingly severe working conditions, new tribological solutions also emerge to face the new challenges in the ICE, and therefore further research is required on this subject. During the development of this Thesis, one of the objectives was to contribute to the research on low viscosity engine oils for fuel economy as a joint effect with the driving conditions of the vehicle. To accomplish this, experimental tests were performed under stationary conditions in an engine bench test for oil formulations of different HTHS viscosity, some of them with friction modifier additive to expand the friction reduction effect to more severe lubrication conditions. The resultant fuel consumption maps were then employed in a vehicle model to estimate the fuel consumption of the vehicle as function of the oil formulation and the working conditions of the three driving cycles. With the aim of expanding the knowledge on the lubrication fundamentals of the engine and to have the capability to assess other alternatives to further reduce the friction mechanical losses, it was deemed necessary to focus the research on the piston-cylinder liner assembly, the tribo-pair of major friction share. In order to achieve this objective, a test rig was developed in this Thesis specific for the piston-liner assembly, and a theoretical model to estimate the lubrication of the piston compression ring. For the first part, the test rig was designed based on the floating liner method, where the cylinder liner was isolated from the rest of the engine and the friction force generated in the piston-liner conjunction could be measured by means of force sensors. Different tests were developed in this test rig which allowed a comprehensive analysis of the piston lubrication fundamentals as function of different parameters having an impact on the lubrication performance of this assembly. This study was complemented with the development of a piston compression ring lubrication model based on the finite differences method. A comparison of experimental and theoretical results was performed for the piston compression ring that helped to validate both the experimental tests in the floating liner and the simulation model from the point of view of input data, boundary conditions and assumptions. / Bastidas Moncayo, KS. (2021). Experimental and analytical study of the mechanical friction losses in the piston-cylinder liner tribological pair in internal combustion engines (ICE) [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172188 / TESIS