La pollution de l’air liée au trafic automobile constitue un problème de santé majeure et est reconnue comme un facteur de risque important pour les maladies cardiovasculaires. La contribution de la phase particulaire des émissions de moteur Diesel dans ces effets sanitaires a été bien établie. Cependant, les études portant sur la phase gazeuse sont peu nombreuses alors que l’évolution des systèmes de dépollution permettant un abattement des particules Diesel, ont conduit à un accroissement des polluants de la phase gazeuse tels que le Dioxyde d’azote (NO2),un polluant majeur et toxique. Par conséquent, l’objectif général de ce travail a été d’évaluer la part imputable de la phase gazeuse, et plus spécifiquement du NO2, dans les effets cardiovasculaires induits par des émissions Diesel représentatives du parc automobile actuel. Dans un premier temps, une étude comparative a été réalisée chez le rat Wistar exposé par inhalation au NO2 seul ou à des émissions Diesel, produisant du NO2, et prélevées en amont et en aval d’un filtre à particules(Fap). Afin de comprendre les mécanismes d’action mis en jeu, la fonction mitochondriale et le stress oxydant ont été évalués, parallèlement aux mesures de fonction cardiaque après une exposition unique (une seule exposition de 3h) et après une exposition répétée (3h/jour, 5jr/semaine pendant 3 semaines). Dans un deuxième temps, une étude portant plus spécifiquement sur les effets du NO2sur la fonction vasculaire et ses conséquences éventuelles dans un modèle d’hypertension artérielle a été réalisée en utilisant deux modèles expérimentaux : un modèle physiologique (rat Wistar) et un modèle d’hypertension artérielle (rat SHR). L’évaluation de la fonction vasculaire a été réalisée par une approche ex vivo à partir d’artères coronaires isolées après des expositions uniques et répétées chez le rat Wistar et uniquement après une exposition unique chez le rat SHR. Pour ce dernier, des expositions répétées ont également été réalisées pour explorer la fonction mitochondriale. Nos résultats montrent que l’exposition unique aux émissions, en amont et en aval du Fap induisent une légère altération de la fonction cardiaque, qui est cependant plus importante lors des expositions à 5 ppm de NO2 mais réversible. Après trois semaines d’expositions répétées, la dysfonction cardiaque persiste puisque le lendemain de la dernière exposition, les diamètres ventriculaires restent élevés, que ce soit après les expositions aux émissions Diesel, amont et aval, et au NO2. La dysfonction cardiaque est accompagnée d’une altération de la vasorelaxation des artères exposées au NO2. En parallèle à ces altérations, nous avons observé une dysfonction mitochondriale, plus particulièrement lors des expositions au NO2 indépendamment d’un stress oxydant myocardique ou systémique. L’exposition au NO2 aggrave la dysfonction mitochondriale préexistante au cours de l’hypertension artérielle, ce qui suggère l’aggravation de la fonction cardiovasculaire. L’ensemble de ces résultats démontre l’effet de la phase gazeuse, notamment du NO2 sur la fonction mitochondriale dans les deux modèles expérimentaux témoignant de l’importance de la prise en considération de l’action de la phase gazeuse dans les systèmes de dépollution à venir. / Air pollution from car traffic is a major health issue and is recognized as an importantrisk factor for cardiovascular disease. The contribution of the particulate phase of Diesel engine emissions to these health effects has been well established. However, studies on the gas phase are few in number, while the evolution of the depollution systems allowing a reduction of the Diesel particles, led to an increase in pollutants of the gas phases such as nitrogen dioxide (NO2) a major and toxic pollutant. consequently, the general objective of this work was to evaluate the attributable part of the gaseous phase, and more specifically NO2, in the cardiovascular effects induced by Diesel emissions representative of the current fleet. In a first step, a comparative study was conducted in the Wistar rat exposed by inhalation to NO2 alone or to Diesel emissions, producing NO2, and taken upstream and downstream of a particulate filter (PF). In order to understand the mechanisms of action involved, mitochondrial function and oxidative stress were evaluated, in parallel with cardiacfunction measurements after a single exposure (a single exposure of 3 h) and after repeated exposure (3 h / day, 5 days / week for 3 weeks). Second, a more specific study on the effects of NO2 on vascular function and its possible consequences in a hypertension model was carried out using two experimental models: a physiological model (Wistar rat) and a model of hypertension (SHR). Evaluation of the vascular function was performed by an ex vivo approach from isolated coronary arteries following single and repeated exposures in the Wistar rat and only after a single exposure in the SHR. For the latter, repeated exposures were also performed to explore mitochondrial function. Our results show that single exposure to emissions upstream and downstream of PF induces a slight alteration of cardiac function, which is more important at 5 ppm NO2 but reversible. After three weeks of repeated exposure, cardiac dysfunction persists as ventricular diameters remain high the day after the last exposure, both after exposures to upstream and downstream Diesel emissions and to NO2. Cardiac dysfunction is accompanied by an alteration in the vasorelaxation of the arteries exposed to NO2. In parallel with these alterations, weobserved mitochondrial dysfunction, particularly during NO2 exposures independently of myocardial or systemic oxidative stress. Exposure to NO2 aggravates pre-existingmitochondrial dysfunction during hypertension, suggesting worsening of cardiovascular function. All these results demonstrate the effect of the gaseous phase, in particular NO2, on the mitochondrial function in the two experimental models, indicating the importance of taking into account the action of the gas phase in the depollution systems to come up.

The subject of this study is the effect of in-cylinder selective non-catalytic reduction (SNCR) of NOx emissions in diesel exhaust gas by means of direct injection of aqueous urea ((NH2)2CO) into the combustion chamber. A single cylinder diesel test engine was modified to accept an electronically controlled secondary common rail injection system to deliver the aqueous urea directly into the cylinder during engine operation. Direct in-cylinder injection was chosen in order to ensure precise delivery of the reducing agent without the risk of any premature reactions taking place. Unlike direct in-cylinder injection of neat water, aqueous urea also works as a reducing agent by breaking down into ammonia (NH3) and Cyanuric Acid ((HOCN)3). These compounds serve as the primary reducing agents in the NOx reduction mechanism explored here. The main reducing agent, aqueous urea, was admixed with glycerol (C3H8O3) in an 80-20 ratio, by weight, to function as a lubricant for the secondary injector. The aqueous urea injection timing and duration is critical to the reduction of NOx emissions due to the dependence of SNCR NOx reduction on critical factors such as temperature, pressure, reducing agent to NOx ratio, Oxygen and radical content, residence time and NH3 slip. From scoping engine tests at loads of 40 percent and 80 percent at 1500 rpm, an aqueous urea injection strategy was developed. The final injection strategy chosen was four molar ratios, 4.0, 2.0, 1.0 and 0.5 with five varying injection timings of 60, 20, 10, 0, and -30 degrees after top dead center (ATDC). In addition to the base line and aqueous urea tests, water injection and an 80-20 water-glycerol solution reduction agent tests were also conducted to compare the effects of said additives as well. The comparison of baseline and SNCR operation was expected to show that the urea acted as a reducing agent, lowering NOx emissions up to 100% (based on exhaust stream studies) in the diesel exhaust gas without the aid of a catalyst. The data collected from the engine tests showed that the aqueous urea-glycerol solution secondary had no effect on the reduction of NOx and even resulted in an increase of up to 5% in some tests. This was due to the low average in-cylinder temperature as well as a short residence time, prohibiting the reduction reaction from taking place. The neat water and water-glycerol solution secondary injection was found to have a reduction effect of up to 59% on NOx production in the emissions due to the evaporative cooling effect and increased heat capacity of the water.

[ES] Los objetivos son 2: 1- Determinar el efecto de la dispersión de la recirculación de gases de escape de alta presión (HP EGR) en las emisiones de NOx y humos en motores diésel de automoción en operaciones de funcionamiento constantes. La investigación cuantifica las emisiones de NOx y humos en función del nivel de dispersión de EGR de alta presión entre cilindros. 2- Explorar los límites del modelado 1D para predecir el movimiento del flujo de los gases en la compleja situación en la que estos entran en los cilindros desde el colector de admisión. Los experimentos se realizaron en un banco de pruebas con un motor diésel de 1.6 litros. Para detectar la dispersión de EGR de alta presión se instaló un sistema de válvulas en los conductos de admisión de cada cilindro para medir la concentración de CO2, por tanto la tasa de EGR, en cada conducto. Se instaló también un sistema de válvulas en el escape para medir las emisiones de NOx en cada cilindro. Se instaló un sensor de humos en la línea de escape, aguas abajo de la turbina, para medir el efecto de la dispersión de EGR de alta presión en las emisiones de humos además del sensor para medir el resto de las emisiones contaminantes aguas abajo de la turbina. Se han estudiado 9 puntos de funcionamiento diferentes con distintas velocidades y niveles de carga. El mapa motor se ha estudiado en profundidad, desde 1250 hasta 3000 rpm y entre 3 y 20 bar de presión media efectiva (BMEP). La tasa de EGR varía entre 5 y 42%, dependiendo del punto de funcionamiento. La geometría del modelo reproduce la del motor diésel de automoción de 1.6 litros en el que se realizaron los ensayos experimentales. Incluyendo la línea de EGR de alta presión que fue instalada para controlar los niveles de dispersión durante los ensayos experimentales. La metodología centrada en las herramientas experimentales combina aparatos de medida tradicional con un sistema de válvulas específico que ofrecen una información precisa en cuanto a la concentración de especies tanto en el colector de admisión como en el de escape. El estudio se realizó a emisiones de NOx constantes para observar el efecto de la dispersión de EGR en los valores de opacidad. La metodología está centrada en las herramientas de modelado, las condiciones de contorno y toda la información necesaria para poner en marcha el modelo proviene de los resultados de los ensayos experimentales medidos con los diferentes sensores y aparatos mencionados anteriormente. Muchos de ellos necesarios para ajustar el modelo. La parte más importante para estudiar la capacidad de predicción del modelo es el diseño del colector de admisión. Es necesario poner especial atención en la orientación de los conductos, y en la estructura interna y la superficie para tratar de ser muy fiel a la geometría real, ya que ello determina la predicción de la dispersión. Esta aproximación de modelado cuasi tridimensional (3D) es posible gracias a un programa específico que importa la información necesaria desde un archivo CAD al programa de modelado 1D. Respecto a la parte experimental, el estudio concluye que cuando la dispersión de EGR es baja, los niveles de opacidad se reducen en todos los puntos de funcionamiento. Sin embargo, por encima de ciertos niveles de dispersión de EGR, la opacidad crece seriamente con diferentes pendientes según el punto de operación. El estudio permite cuantificar este límite de dispersión de EGR. La dispersión de EGR incrementa el consumo de combustible por encima del 6.9%. Respecto a la parte de modelado, el estudio concluye que cuando la distribución de EGR entre conductos medida experimentalmente es asimétrica y presenta un alto patrón de concavidad o convexidad, el modelo no predice adecuadamente la distribución del EGR. El estudio concluye que, aunque en los ensayos experimentales la tasa de EGR afecta a la dispersión de EGR, el modelo 1D no es tan sensible como para predecir esta influencia cuando la tasa de EGR está por debajo del 10%. / [CA] L'objectiu de l'estudi és doble. Per una banda, determinar l'efecte de la dispersió de la recirculació de gasos d'escapament d'alta pressió (HP EGR per les seues sigles en anglès) en les emissions d'òxids de nitrogen (NOx) i fums en motors dièsel d'automoció en operacions de funcionament constants. La investigació quantifica les emissions de NOx i fums en funció del nivell de dispersió d'EGR d'alta pressió entre cilindres. Per una altra banda, l'objectiu és explorar els límits del modelatge unidimensional (1D) per predir el moviment del flux dels gasos en la complexa situació en què aquests entren als cilindres des del col·lector d'admissió. Els experiments van ser realitzats en un banc de proves amb un motor dièsel de 1.6 litres. Per detectar la dispersió d'EGR d'alta pressió es va instal·lar un sistema de vàlvules en els conductes d'admissió de cada cilindre per mesurar el percentatge de CO2 i per tant la taxa d'EGR. De la mateixa manera es va instal·lar també un sistema de vàlvules d'escapament, cilindre a cilindre, per mesurar les emissions de NOx. A més també es va instal·lar un sensor de fums en la línia d'escapament, aigües avall de la turbina, per mesurar l'efecte de la dispersió d'EGR d'alta pressió en les emissions de fums, així com el sensor de mesura de la resta d'emissions aigües avall de la turbina. S'han estudiat 9 punts de funcionament diferents amb distintes velocitats i nivells de càrrega, per la qual cosa el mapa motor s'ha estudiat en profunditat, des de 1250 fins a 3000 rpm i entre 3 i 20 bar de pressió mitjana efectiva (BMEP per les seues sigles en anglès). La taxa d'EGR varia entre 5 i 42 %, depenent del punt de funcionament. La geometria del model reprodueix la geometria del motor dièsel d'automoció d'1.6 litres en el qual es van realitzar tots els assajos experimentals. La metodologia centrada en les ferramentes experimentals combina aparells de mesura tradicional amb un sistema de vàlvules específic que ofereixen una informació precisa quant a la concentració d'espècies tant al col·lector d'admissió com al d'escapament. L'estudi es va realitzar a emissions de NOx constants per observar l'efecte de la dispersió d'EGR en els valors d'opacitat. Quant a la metodologia centrada en les ferramentes de modelatge, les condicions de contorn i tota la informació necessària per posar en marxa el model prové dels resultats dels assajos experimentals mesurats amb els diferents sensors i aparells mencionats anteriorment, molts d'ells necessaris per ajustar el model. La part més important per estudiar la capacitat de predicció del model és el disseny del col·lector d'admissió. És necessari posar especial atenció a l'orientació dels conductes, i a l'estructura interna i la superfície per tractar de ser molt fidel a la geometria real, ja que determina la predicció de la dispersió. Esta aproximació del model quasi-tridimensional (3D) és possible gràcies a un programa específic que importa la informació necessària des d'un arxiu de disseny assistit per ordinador (CAD) al programa de modelat 1D. Respecte a la part experimental, l'estudi conclou que quan la dispersió d'EGR és baixa, els nivells d'opacitat es redueixen en tots els punts de funcionament. Tanmateix, per damunt de certs nivells de dispersió d'EGR, l'opacitat creix seriosament amb diferents pendents segons el punt d'operació. L'estudi permet quantificar aquest límit de dispersió d'EGR. A més, la dispersió d'EGR podria contribuir a incrementar el consum de combustible per damunt del 6.9%. Respecte a la part de modelatge, l'estudi conclou que quan la distribució d'EGR entre conductes mesurada experimentalment és asimètrica i presenta un alt patró de concavitat o convexitat, el model no prediu adequadament la distribució d'EGR. A més, l'estudi conclou que, tot i que en els assajos experimentals la taxa d'EGR afecta a la dispersió d'EGR, el model 1D no és tan sensible com per predir aquesta influència quan la taxa d’EGR està per baix del 10%. / [EN] The objective of the study is twofold. On the one hand, it is to determine the effect of the high pressure (HP) exhaust gas recirculation (EGR) dispersion in automotive diesel engines on NOx and smoke emissions in steady engine operation. The investigation quantifies the smoke emissions as a function of the dispersion of the HP EGR among cylinders. On the other hand, it is to explore the limits of the one-dimensional (1D) modeling to predict the movement of the flow in a complex situation as the gases get into the cylinders from the intake manifold. The experiments are performed on a test bench with a 1.6 liter automotive diesel engine. In order to track the HP EGR dispersion in the intake pipes, a valves system to measure CO2, hence EGR rate, pipe to pipe was installed. In the same way, a valves device to measure NOx emissions cylinder to cylinder in the exhaust was installed too. Moreover a smoke meter device was installed in the exhaust line, downstream the turbine, to measure the effect of the HP EGR dispersion on smoke emissions. A probe to measure the other raw emissions was installed downstream the turbine, too. Nine different engine running conditions were studied at different speed and load, thus the engine map was widely studied, from 1250 rpm to 3000 rpm and between 3 and 20 bar of BMEP. The EGR rate variates between 5 and 42 % depending on the working operation point. The geometry of the model reproduces the geometry of a 1.6 liter diesel automotive engine where the tests were performed. It includes an HP-EGR line and the device that was installed to perform the experiments to control the dispersion. The methodology focused on experimental tools combining traditional measuring devices with a specific valves system which offers accurate information about species concentration in both the intake and the exhaust manifolds. The study was performed at constant raw NOx emissions to observe the effect of the EGR dispersion in the opacity values. Regarding the methodology focused on modeling tools, the boundary conditions and all the necessary information to run the model comes from experimental results measured with the different sensors and devices mentioned before. Much of them were needed to adjust the model. The most important part of the modeling to study the capacity of the prediction of the EGR dispersion is the layout of the intake manifold. It is necessary put special attention to the orientation of the pipes, and the internal structure and surface trying to mimic the real geometry because it determinates the prediction of the dispersion. This approximation to quasi-three-dimensional (3D) modeling is possible thanks to a specific software that imports the necessary information from a computer-aided design (CAD) file to the 1D modeling software. Concerning the experimental results, the study leads to conclude that when the EGR dispersion is low, the opacity presents reduced values in all operation points. However, above a certain level of EGR dispersion, the opacity increases dramatically with different slopes depending on the engine running condition. This study allows quantifying this EGR dispersion threshold. In addition, the EGR dispersion could contribute to an increase in the engine fuel consumption up to 6.9%. Regarding to the modeling part, the study concludes that when the experimental EGR distribution among pipes is asymmetric and presents high concavity or convexity spatial pattern, the model does not predict properly the EGR distribution. In addition, the study concludes that, although in the experimental tests the EGR rate affects to the EGR dispersion, the 1D model is not too sensitive to predict this influence when the EGR rate is lower than 10%. / The respondent wishes to acknowledge the financial support received by contract FPI 2015 S2 3101 of Programa de Apoyo a la Investigación y Desarrollo (PAID) from Universitat Politècnica de València (UPV). / Miguel García, J. (2021). Analysis of the high pressure EGR dispersion among cylinders in automotive diesel engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/161889