From the last decades of the 20th century, internal combustion engines have undergone a continuous improvement process aimed to the increase of their efficiency and decrease of the pollutants emissions. The reduction of the availability of fossil fuel and the increase of human-made pollution observed in the last decades is leading worldwide to more stringent emission standards that make the engine manufacturers to constantly look for fuel consumption and emission reductions while keeping engine performance. To comply with current and incoming emission regulations, the exhaust line of internal combustion engines has been gradually complicated by the presence of aftertreatment systems. Among them, the particulate filter is the device in charge of abating the emission of soot in the atmosphere. Concerning compression ignition engines, diesel particulate filters (DPF) were first commercially utilized in significant numbers in passenger car and heavy-duty engines since the beginning of the 21st century. Euro 6 emission standards limits the emitted particulate matter from direct injection engines, thus extending the use of particulate filters also to direct injection gasoline engines. A deep knowledge of the phenomena happening inside the DPF is required for the correct understanding of the behaviour of this system and its interaction with the engine. The precise knowledge of the filtration and pressure drop processes is mandatory for the design of the particulate filter and is also essential to wisely think up and analyse solutions aimed to limit the negative impact of the filter on the fuel consumption maintaining its capability of retaining soot particles. Thus, the present work pretends to provide a contribution to the understanding of these phenomena in wall-flow DPFs. The problem has been faced on a computational and experimental basis. A notable part of the work was dedicated to the development and validation of a one-dimensional DPF filtration model to be coupled with the existing pressure drop model. The model was implemented in OpenWAM¿, the open-source gas dynamics software for internal combustion engines and components computation developed at CMT - Motores Térmicos. The developed computational tool was applied to the assessment of the aftertreatment (DOC&DPF) volume downsizing potential in post- and pre-turbo aftertreatment configuration. The study is completed with experimental analysis to support theoretical insights discussing how the soot deposition profile and the particulate layer properties impact on the DPF pressure drop. / Desde las últimas décadas del siglo XX, se ha producido un proceso de mejora continua de los motores de combustión interna alternativos con el fin de aumentar su eficiencia y reducir las emisiones contaminantes. La reducción de la disponibilidad de combustibles fósiles y el incremento de la polución de origen antropogénico observados en las ultimas décadas ha provocado el progresivo endurecimiento de las normativas anticontaminación a nivel mundial obligando a los fabricantes de motores a buscar la reducción continua del consumo de combustible y emisiones, manteniendo las prestaciones del motor. El cumplimiento de las actuales y futuras normativas anticontaminación requiere de la instalación de diversos sistemas de postratamiento de gases en la línea de escape de los motores de combustión interna alternativos, aumentando su complejidad. Entre estos sistemas, el filtro de partículas es el equipo encargado de la reducción de la emisión de hollín a la atmósfera. Con respeto a los motores de encendido por compresión, los filtros de partículas diésel se implementaron por primera vez de forma masiva en vehículos de pasajeros y vehículos pesados a principio del siglo XXI. La normativa anti contaminación Euro 6 limita las emisiones de partículas de los motores de inyección directa, extendiendo el uso de filtros de partículas a los motores de inyección directa de gasolina. Es necesario tener un conocimiento profundo de los fenómenos que tienen lugar en el DPF para comprender el comportamiento de este sistema y su interacción con el motor. El conocimiento de los procesos de filtrado y perdida de presión es vital para el diseño del filtro de partículas y resulta esencial para encontrar y analizar soluciones que ayuden a limitar el impacto negativo del DPF sobre el consumo de combustible sin perder la capacidad de retener partículas de hollín. En este contexto, este trabajo pretende aportar una contribucción a la comprensión de estos fenómenos en filtros de partículas de flujo de pared. Esta tarea se ha planteado desde un punto de vista computacional y experimental. Parte importante de este trabajo ha consistido en el desarrollo y validación de un modelo de filtrado unidimensional de DPF que se ha acoplado con el modelo de caida de presión ya existente. El modelo se ha implementado en OpenWAM¿, el software de libre acceso para el cálculo fluidodinámico de motores de combustión interna y sus componentes desarrollado en CMT - Motores Térmicos. La herramienta computacional desarrollada se ha aplicado a la evaluación del potencial de reducción de volumen de sistemas de postratamiento (DOC&DPF) en configuraciones post- y pre-turbo. Este estudio se ha completado con un análisis experimental para dar respaldo a los conceptos teóricos empleados discutiendo como el perfil de deposición del hollín y las propiedades de la capa de partículas afectan a la perdida de presión del DPF. / Des les últimes dècades del segle XX, s'ha produït un procés de millora contínua dels motors de combustió interna alternatius amb l'objectiu d'augmentar la seua eficiència i reduir les emissions contaminants. La reducció de la disponibilitat de combustibles fòssils i l'increment de la polució d'origen antropòlogic observats en les últimes dècades ha provocat que les normatives anticontaminació s'han fet més rígides a nivell mundial, obligant als fabricants de motors a buscar la reducció contínua del consum de combustibles i emissions, mantenint les prestacions dels motors. El cumpliment de les normes anticontaminació actuals i futures, requereixen de l'instalació de diversos sistemes de post-tractament de gasos a l'eixida dels motors de combustió interna alternatius, llavors augmentant la complexitat. Entre aquestos sistemes, el filtre de partícules es l'equip encarregat de la reducció de les partícules de sutge a l'atmosfera. Respecte als motors d'encès per compressió, els filtres de partícules van instalar-se de manera massiva als vehicles de passatgers i vehicles pesats al principi del segle XXI. La normativa anti contaminació Euro 6 limita les emissions de partícules dels motors d'inyecció directa, estenent l'ús del filtre de partícules als motors d'injecció directa de gasolina. És necessari tindre un coneixement dels fenòmens que tenen lloc al DPF per a comprendre el comportament del sistema i la seua interacció amb el motor. El coneixement dels processos de filtrat i la pèrdua de pressió és vital per al diseny del filtre de partícules i resulta essencial per a trobar i analitzar les solucions que ajuden a limitar l'impacte negatiu del DPF sobre el consum de combustible sense perdre la capacitat de retenir partícules de sutge. En aquest context, el projecte pretén aportar una contribució a la comprensió d'aquestos fenòmens en els filtres de partícules de flux de paret. Aquesta feina s'ha plantejat des d'un punt de vista computacional i experimental. Part important d'aquest treball ha consistit en el desenvolupament i validació d'un model de filtrat unidimensional de DPF que s'ha acoplat a un model de pèrdua de pressió existent. El model s'ha implementat en OpenWAM¿, el software de lliure accés per al cálcul fluidodinámic de motors de combustió interna i els seus components desenvolupats al CMT - Motores Térmicos. La ferramenta computacional desenvolupada s'ha aplicat a la evaluació del potencial de reducció del volum de sistemes de post tractament (DOC&DPF) en les configuracions post- i pre-turbo. Aquest estudi s'ha completat amb una anàlisi experimental per a donar suport als concepts teòrics emprats discutint com el perfil de la disposició de sutge i les propietats de la capa de partícules que afecten a la pèrdua de pressió del DPF. / Angiolini, E. (2017). Contribution to the understanding of filtration and pressure drop phenomena in wall-flow DPFs [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86157

In dieser Arbeit werden mit einem Raumtemperatur-Modellsystem die Wechselwirkungen und Überlagerungen der verschiedenen Einflussparameter auf die Partikelabscheidung in keramischen Tiefenfiltern dargestellt. Aussagen zum zeitlichen Beladungsverhalten, dem Einfluss der Strukturparameter und der Oberflächenrauheit der Filter auf die Abscheidung werden diskutiert. Außerdem wird die Abscheideeffizienz in Abhängigkeit der Eigenschaften der Verunreinigungen (Größe, Agglomeratzustand, Dichte), sowie dem Vorhandensein von Mikro- oder Nanogasblasen untersucht. Mit Hilfe der Computertomografie können die im Filter abgeschiedenen Verunreinigungen lokal abgebildet werden, was zum Verständnis der in schaumkeramischen Filtern ablaufenden Prozesse bei der Aluminium-Schmelzefiltration beiträgt. Ergebnisse einer dynamischen Bildanalyse lassen Rückschlüsse auf den Fraktionsabscheidegrad der Filter zu.

El reactor anaerobio de membranas sumergidas (SAnMBR) está considerado como tecnología candidata para mejorar la sostenibilidad en el sector de la depuración de aguas residuales, ampliando la aplicabilidad de la biotecnología anaerobia al tratamiento de aguas residuales de baja carga (v.g. agua residual urbana) o a condiciones medioambientales extremas (v.g. bajas temperaturas de operación). Esta tecnología alternativa de tratamiento de aguas residuales es más sostenible que las tecnologías aerobias actuales ya que el agua residual se transforma en una fuente renovable de energía y nutrientes, proporcionando además un recurso de agua reutilizable. SAnMBR no sólo presenta las principales ventajas de los reactores de membranas (i.e. efluente de alta calidad, y pocas necesidades de espacio), sino que también presenta las principales ventajas de los procesos anaerobios. En este sentido, la tecnología SAnMBR presenta una baja producción de fangos debido a la baja tasa de crecimiento de los microorganismos implicados en la degradación de la materia orgánica, presenta una baja demanda energética debido a la ausencia de aireación, y permite la generación de metano, el cual representa una fuente de energía renovable que mejora el balance energético neto del sistema. Cabe destacar el potencial de recuperación de nutrientes del agua residual bien cuando el efluente es destinado a irrigación directamente, o bien cuando debe ser tratado previamente mediante tecnologías de recuperación de nutrientes. El objetivo principal de esta tesis doctoral es evaluar la viabilidad de la tecnología SAnMBR como núcleo en el tratamiento de aguas residuales urbanas a temperatura ambiente. Por lo tanto, esta tesis se centra en las siguientes tareas: (1) implementación, calibración y puesta en marcha del sistema de instrumentación, control y automatización requerido; (2) identificación de los parámetros de operación clave que afectan al proceso de filtración; (3) modelación y simulación del proceso de filtración; y (4) desarrollo de estrategias de control para la optimización del proceso de filtración minimizando los costes de operación. En este trabajo de investigación se propone un sistema de instrumentación, control y automatización para SAnMBR, el cual fue esencial para alcanzar un comportamiento adecuado y estable del sistema frente a posibles perturbaciones. El comportamiento de las membranas fue comparable a sistemas MBR aerobios a escala industrial. Tras más de dos años de operación ininterrumpida, no se detectaron problemas significativos asociados al ensuciamiento irreversible de las membranas, incluso operando a elevadas concentraciones de sólidos en el licor mezcla (valores de hasta 25 g·L-1 ). En este trabajo se presenta un modelo de filtración (basado en el modelo de resistencias en serie) que permitió simular de forma adecuada el proceso de filtración. Por otra parte, se propone un control supervisor basado en un sistema experto que consiguió reducir el consumo energético asociado a la limpieza física de las membranas, un bajo porcentaje de tiempo destinado a la limpieza física respecto al total de operación, y, en general, un menor coste operacional del proceso de filtración. Esta tesis doctoral está integrada en un proyecto nacional de investigación, subvencionado por el Ministerio de Ciencia e Innovación (MICINN), con título ¿Modelación de la aplicación de la tecnología de membranas para la valorización energética de la materia orgánica del agua residual y la minimización de los fangos producidos¿ (MICINN, proyecto CTM2008-06809- C02-01/02). Para obtener resultados representativos que puedan ser extrapolados a plantas reales, esta tesis doctoral se ha llevado a cabo utilizando un sistema SAnMBR que incorpora módulos comerciales de membrana de fibra hueca. Además, esta planta es alimentada con el efluente del pre-tratamiento de la EDAR del Barranco del Carraixet (Valencia, España). / Robles Martínez, Á. (2013). Modelling, simulation and control of the filtration process in a submerged anaerobic membrane bioreactor treating urban wastewater [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/34102 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales