Obsahem této diplomové práce byla vhodnost využití turbodmychadla s přidruženým motor-generátorem pro vybrané typy hybridních vozidel a následná analýza energetických toků pro danou motorovou aplikaci. Přístup prezentovaný v práci zahrnuje termodynamický model motoru v programu GT-SUITE ve kterém jsou zkoumány možnosti energetických toků při změně velikost turbínového a kompresorového kola turbodmychadla. Přistup je aplikován na turbodmychadlo s variabní geometrií lopatek s přidruženým motor generátorem pro donáškové vozidlo, kde je možné při různých zatíženích motoru rekuperovat energii z turbodmychadla. Zároveň byli zjištěny možnosti snížení spotřeby paliva v určitých provozních bodech motoru.

This diploma dissertation focuses on the constructional solutions of EGR exchangers in the form of a CAD model, on their CFD simulation, on the drawing of relevant conclusions, and also on the comparison of two developmental types of these exchangers.

In order to increase the efficiency of diesel particulate filter regeneration more knowledge about diesel soot and its reactivity is required. This thesis compares soot created during accelerated filter loading by lowered rail pressure, with soot from normal filter loading. Soot properties and their correlations to oxidation reactivity are also examined through thermogravimetric analysis, scanning electron microscopy, energy dispersive x-ray spectroscopy, BET nitrogen sorption, and FTIR spectroscopy. The usefulness of these analysis methods was also evaluated. The soot samples consisted of two carbon blacks for reference (Printex U and Vulcan XC 72), four accelerated soot samples and two non-accelerated samples. The results showed that the accelerated samples contained less volatile organic compounds than the non-accelerated soot and required slightly higher temperatures to oxidize in air. Soot with a high oxygen/carbon ratio and high levels of volatile organic compounds was found to be the most reactive. The most useful method for analyzing the soot was the thermogravimetric analysis. The scanning electron microscopy and energy dispersive x-ray spectroscopy were useful additions but the FTIR spectroscopy provided very little useful information. The usefulness of BET nitrogen sorption was not decisively concluded. / För att kunna förbättra regenereringen av dieselpartikelfilter krävs en ökad kunskap om dieselsot och dess reaktivitet. I detta examensarbete jämförs sot som skapas vid accelererad sotinlagring genom sänkt railtryck, med sot från normal sotinlagring. Hur sotets egenskaper påverkar dess reaktivitet undersöks också genom termogravimetrisk analys, svepelektronmikroskopi, energidispersiv röntgenspektroskopi, BET-kväveadsorption och FTIR-spektroskopi. Hur väl dessa analysmetoder lämpar sig för analys av sot utvärderades också. Sotproverna utgjordes av två så kallade ”carbon black” för referens (Printex U och Vulcan XC 72), fyra accelererade sotprov och två icke-accelererade prov. Resultaten visade att de accelererade proverna innehöll mindre flyktiga organiska föreningar än icke-accelererade sot och krävde något högre temperaturer för att oxideras i luft. Sot med ett högt syre/kol-förhållande och höga nivåer av flyktiga organiska föreningar visade sig vara mest reaktivt. Den mest användbara metoden för att analysera sot var den termogravimetriska analysen. Svepelektronmikroskopi och energidispersiv röntgenspektroskopi var användbara som komplementerande metoder men FTIR-spektroskopi gav väldigt lite användbar information. Ingen konkret slutsats drogs gällande nyttan av BET-kväveadsorption.

No description available.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Stringent regulatory requirements and modern diesel engine technologies have engaged automotive manufacturers and researchers in accurately predicting and controlling diesel engine-out emissions. As a result, engine control systems have become more complex and opaquer, increasing the development time and costs. To address this challenge, Model-based control methods are an effective way to deal with the criticality of the system study and controls. And physics-based combustion engine modeling is a key to achieve it. This thesis focuses on development and validation of a physics-based model for both engine and emissions using model-based design tools from MATLAB & Simulink. Engine model equipped with exhaust gas circulation and variable geometry turbine is adopted from the previously done work which was then integrated with the combustion and emission model that predicts the heat release rates and NOx emission from engine. Combustion model is designed based on the mass fraction burnt from CA10 to CA90 and then NOx predicted using the extended Zeldovich mechanism. The engine models are tuned for both steady state and dynamics test points to account for engine operating range from the performance data. Various engine and combustion parameters are estimated using parameter estimation toolbox from MATLAB and Simulink by applying the least squared solver to minimize the error between measured and estimated variables. This model is validated against the virtual engine model developed in GT-power for Cummins 6.7L turbo diesel engine. To account for the harmonization of the testing cycles to save engine development time globally, a world harmonized stationary cycle (WHSC) is used for the validation. Sub-systems are validated individually as well as in a loop with a complete model for WHSC. Engine model validation showed promising accuracy of more than 88.4 percent on average for the desired parameters required for the NOx prediction. NOx estimation is accurate for the cycle except the warm-up and cool-down phase. However, NOx prediction during these phases is limited due to actual NOx measured data for tuning the model for real-time NOx estimation. Results are summarized at the end to compare the trend of NOx estimation from the developed combustion and emission model to show the accuracy of in-cylinder parameters and required for the NOx estimation.

Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le cadre de la mise en place d’une méthodologie innovante de gestion thermique globale des véhicules automobiles. Ils portent plus particulièrement sur l’analyse de la réduction des émissions de polluants et l’amélioration des performances énergétiques d’un moteur à combustion, notamment dans les charges partielles ou en régime transitoire. Le premier objectif vise la mise en évidence de l’effet de la température d’admission sur le fonctionnement du moteur. Le deuxième objectif est relatif à la prédiction de l’apparition des phénomènes de condensation inhérents aux procédés de recirculation des gaz d’échappement à l’admission moteur. Enfin le troisième objectif est la modélisation et la mise en œuvre d’un circuit d’eau refroidit par la boucle de climatisation dont la fonction est de sous refroidir les gaz d’admission du moteur. Le premier chapitre est consacré à la présentation du système thermique véhicule et de la démarche de conception en V adoptée dans ce travail. Dans le second chapitre, et après avoir mis en évidence les effets d’un sous refroidissement des gaz admission sur le rendement thermodynamique du moteur, on montre à l’aide d’une étude technologique et numérique de la boucle de climatisation qu’il est possible d’opérer ce refroidissement par un système embarqué capable de se régénérer thermiquement lors d’un freinage. Le troisième chapitre est dédié à la modélisation du système à l’aide d’une modélisation énergétique centrée sur l’utilisation du langage bond graph. Le dernier chapitre est dédié au volet expérimental afin de valider d’une part le modèle de condensation et d’autres part un démonstrateur d’hybridation thermique et ses stratégies de pilotage / The work of this thesis is part of the development of an innovative methodology in the field of global thermal management for motor vehicles. It focuses specifically on the analysis of the reduction of pollutant emissions and improving energy efficiency of a combustion engine, especially in partial load or transient operation. The first objective is to analyze the effect of inlet temperature on the engine performance. The second objective relates to the prediction of the condensation processes inherent to exhaust gas recirculation into the engine intake. Finally, the third objective is the modeling and implementation of a water circuit cooled by the air conditioning loop and whose function is to cool the gases in at the engine intake.The first chapter is devoted to the presentation of the vehicle thermal management system and the design process adopted in this work. In the second chapter, after having shown the effects of intake gas cooling on the thermodynamic efficiency of the engine, it is shown with a numerical and technological study of the air conditioning loop that is possible to operate an onboard cooling system that is capable of regenerating heat when braking. The third chapter focuses on system modeling using an energy modeling focuses on the use of bond graph language. The final chapter is dedicated to the experimental part with the objective of validating the model of gas condensation and a demonstrator of thermal hybridation and its control strategies

[ES] Teniendo en cuenta la cantidad de motores de combustión interna que se encuentran en activo actualmente, y sus potenciales emisiones de contaminación si se realizaran de forma incontrolada por el parque automovilístico, las normativas internacionales son cada vez más estrictas en cuanto a la cantidad de gases perjudiciales para el medio ambiente que pueden emitir dichos motores de manera unitaria. Debido a ello, se han ido desarrollando e implantando técnicas de reducción de contaminantes como el downsizing en el cual se reduce el tamaño del motor para reducir el consumo, la implantación de motores híbridos y la Recirculación de Gases de Escape. Esta técnica de recirculación puede abordarse de dos maneras alternativas: la Recirculación de Gases de Escape de Ruta Larga inyecta dichos gases antes del compresor, mientras que la Recirculación de Gases de Escape de Ruta Corta (o alta presión) los reinyecta después del compresor, en el mismo colector de admisión del motor. Dado que en ambas configuraciones se produce una inyección directa del flujo recirculado en la corriente principal, en el presente trabajo se propone un estudio numérico de la mezcla entre las corrientes de aire y gases recirculados usando un software comercial de mecánica de fluidos computacional (STAR-CCM+). En la configuración de Ruta Larga se ha propuesto en primer lugar estudiar el efecto en los parámetros globales del compresor de una entrada heterogénea compuesta por aire y gases de escape. Para ello, se han analizado 9 puntos de funcionamiento distintos, tratando de abarcar el mapa completo del compresor centrífugo con una tasa de inyección constante. Se ha demostrado, por un lado, la necesidad de un esquema transitorio de cálculo para la obtención de resultados confiables en todo el dominio del compresor. Por otro lado, se ha demostrado que, con tasas de penetración de flujo estándar, la inyección de gases recirculados no tiene un impacto reseñable en las prestaciones del compresor, con excepción de la zona de bombeo. En segundo lugar, se ha desarrollado un diseño numérico de experimentos en configuración de Ruta Larga con el objetivo de encontrar correlaciones entre la condensación generada en dichas uniones (la cual puede aparecer bajo ciertas condiciones de operación del motor) y la mezcla entre las corrientes de aire y gases de escape. Se ha demostrado que la penetración de los gases en la corriente principal es un factor clave en la condensación generada, aumentando la cantidad de mezcla entre ambas corrientes. En la configuración de Ruta Corta se han realizado estudios de configuración numérica tratando de estudiar la influencia de factores como malla, tamaño del paso temporal y modelos de turbulencia en la distribución final de los gases de escape entre los diferentes cilindros del motor. Se ha demostrado que los submodelos RANS pueden predecir la mayor parte de puntos de operación tanto en variables medias como instantáneas comparando resultados numéricos con mediciones experimentales. Fijando una configuración numérica, posteriormente se han analizado diferentes mezcladores en colectores de motores de 4 y 6 cilindros, demostrando la aplicabilidad de los índices de mezclado desarrollados y cuantificando la influencia de los diferentes efectos físicos que influyen en la distribución y mezcla de los gases de escape en la corriente principal. / [CA] Tenint en compte la quantitat de motors de combustió interna que es troben en actiu actualment, i les seues potencials emissions de contaminació si es realitzaren de manera incontrolada pel parc automobilístic, les normatives internacionals són cada vegada més estrictes quant a la quantitat de gasos perjudicials per al medi ambient que poden emetre aquests motors de manera unitària. A causa d'això, s'han anat desenvolupant i implantant tècniques de reducció de contaminants com el downsizing en el qual es redueix la grandària del motor per a reduir el consum, la implantació de motors híbrids i la Recirculació de Gasos de Fuita. Aquesta tècnica de recirculació pot abordar-se de dues maneres alternatives: la Recirculació de Gasos de Fuita de Ruta Llarga injecta aquests gasos abans del compressor, mentre que la Recirculació de Gasos de Fuita de Ruta Curta (o alta pressió) els reinjecta després del compressor, en el mateix collector d'admissió del motor. Atés que en totes dues configuracions es produeix una injecció directa del flux recirculat en el corrent principal, en el present treball es proposa un estudi numèric de la mescla entre els corrents d'aire i gasos recirculats usant un programari comercial de mecànica de fluids computacional (STAR-CCM+). En la configuració de Ruta Llarga s'ha proposat en primer lloc estudiar l'efecte en els paràmetres globals del compressor d'una entrada heterogènia composta per aire i gasos de fuita. Per a això, s'han analitzat 9 punts de funcionament diferents, tractant d'abastar el mapa complet del compressor centrífug amb una taxa d'injecció constant. S'ha demostrat, d'una banda, la necessitat d'un esquema transitori de càlcul per a l'obtenció de resultats de confiança en tot el domini del compressor. D'altra banda, s'ha demostrat que, amb taxes de penetració de flux estàndard, la injecció de gasos recirculats no té un impacte ressenyable en les prestacions del compressor, amb excepció de la zona de bombament. En segon lloc, s'ha desenvolupat un disseny numèric d'experiments en configuració de Ruta Llarga amb l'objectiu de trobar correlacions entre la condensació generada en aquestes unions (la qual pot aparéixer sota unes certes condicions d'operació del motor) i la mescla entre els corrents d'aire i gasos de fuita. S'ha demostrat que la penetració dels gasos en el corrent principal és un factor clau en la condensació generada, augmentant la quantitat de mescla entre tots dos corrents. En la configuració de Ruta Curta s'han realitzat estudis de configuració numèrica tractant d'estudiar la influència de factors com a malla, grandària del pas temporal i models de turbulència en la distribució final dels gasos de fuita entre els diferents cilindres del motor. S'ha demostrat que els submodelos RANS poden predir la major part de punts d'operació tant en variables mitjanes com instantànies comparant resultats numèrics amb mesuraments experimentals. Fixant una configuració numèrica, posteriorment s'han analitzat diferents mescladors en col·lectors de motors de 4 i 6 cilindres, demostrant l'aplicabilitat dels índexs de barrejat desenvolupats i quantificant la influència dels diferents efectes físics que influeixen en la distribució i mescla dels gasos de fuita en el corrent principal. / [EN] Considering the amount of internal combustion engines (ICEs) existing nowadays, and the pollutants that they could potentially emit, it is no surprise that international standards are getting increasingly severe regarding the allowed limits of pollutants that can be released by such engines. For this reason, different techniques have been developed in order to diminish pollutants, as downsizing in which the engine size is reduced to decrease the consumption, the hybridation of engines and the exhaust gases recirculation (EGR). This recirculation technique can be addressed by 2 different paths: Low Pressure EGR (LP-EGR) which reintroduce the exhaust gases before the compressor, while High Pressure EGR (HP-EGR) injects exhaust gases after the compressor in the intake manifold. Since both configurations deal with a direct injection of the recirculated flow in the main stream, in the present work a numerical study of the mixing between air and EGR flows is proposed, using a commercial code of computational fluid dynamics (STAR-CCM+). In LP-EGR configuration has been proposed the study of the influence of a heterogeneous inlet (composed by air and exhaust gases) on the main performance of a centrifugal compressor. To do that, 9 different operating points have been analyzed, trying to cover the whole map of the compressor with a constant injection rate. It has been demonstrated the necessity of a transient scheme for obtaining reliable results in the complete domain of the compressor. On the other hand, it has been proved that, with standard penetration rates of the flow, EGR do not have a remarkable impact in the performance of the compressor, besides the surge zone. In LP-EGR scheme, a numerical design of experiments has been developed with the aim to find correlations between the generated volume condensation (which can appear under some operating points of the engine) and the mixing between air and exhaust gases. It has been proved that the penetration of the EGR in the main stream is a key factor in volume condensation, increasing the amount of mixing between the streams. In HP-EGR configuration, different studies of numerical configuration have been conducted trying to find the influence of factors like mesh, time-step size, and turbulence models in the final distribution of exhaust gases between the cylinders of the engine. RANS submodels have demonstrated that can predict most of the operating points both average and instantaneous variables in comparison with experimental measurements. After that, fixing a numerical setup, different mixers in 4 and 6 cylinder manifolds have been calculated, showing the applicability of the developed mixing indexes, and quantifying the influence of the different physical effects that can influence in the mixing and distribution between air and exhaust gases streams. / García Olivas, G. (2021). Numerical study of EGR mixing and distribution in a piston engine intake line [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/179406 / TESIS

In this research the benefits of applying oxy-combustion in a diesel engine to reduce NOx and particulate emissions were evaluated. The addition of oxygen to the intake in conjunction with exhaust gas recirculation (EGR) was shown to reduce NOx without an increase in particulate. Indicated specific NOx and particulate emissions for oxygen-enhanced EGR (O-EGR) and EGR without oxygen addition (normal or N-EGR) were compared at three engine loads. NOx emissions correlated with flame temperature for both N-EGR and O-EGR but were slightly lower at a given flame temperature for O-EGR. Flame temperature reduction for N-EGR was primarily through dilution of the available oxygen while for O-EGR both the increase of specific heat and dilution were important in reducing flame temperature. Oxygen addition allowed the use of high levels of EGR without reducing the oxygen concentration, thereby substituting CO2 and H2O for a substantial portion of the N2 as diluent. Increased dissociation due to higher levels of CO2 was believed to provide a minor enhancement to flame temperature reduction for O-EGR. An analysis of NOx formation based on the Zeldovich mechanism suggested that increased NOx reduction for O-EGR at equivalent flame temperatures is due to lower nitrogen concentrations. Indicated specific particulate increased with increasing EGR for N-EGR and correlated with flame temperature but remained constant for O-EGR and did not correlate with flame temperature. This indicated that O-EGR has a chemical effect on particulate formation and/or oxidation. The literature suggests CO2 suppresses soot formation by decreasing the radical H concentration which reduces the formation of soot precursors and soot growth.

No description available.

No description available.