[ES] Históricamente, el sector del transporte de servicio mediano y pesado ha sido desafiado por las regulaciones de emisiones que se han impuesto a lo largo de los años, lo que requirió intensificar el esfuerzo de investigación con el objetivo de avanzar en el desarrollo tecnológico para ofrecer una opción que cumpla con las normas a un precio similar para el propietario. No obstante, la reciente introducción de la normativa EUVI ha requerido la adición de un complejo sistema de postratamiento, agregando nuevos costes fijos al producto, así como costes operativos con el consumo de urea. Este avance fue necesario debido a la limitación de la combustión diésel convencional que no puede desacoplar las altas emisiones de NOx y la eficiencia. Esta limitación tecnológica ha impulsado la investigación sobre diferentes conceptos de combustión que podrían mantener niveles de eficiencia similares a los de la combustión diésel controlando la formación de emisiones durante el proceso de combustión. Entre las diferentes soluciones que han ido apareciendo a lo largo de los años, se demostró que la Ignición por Compresión Controlada por Reactividad (RCCI por sus siglas en inglés) tiene una ventaja competitiva debido a su mejor controlabilidad, alta eficiencia y bajas emisiones de hollín y NOx. A pesar de sus beneficios, la extensión de RCCI a la operación de mapa completo ha indicado limitaciones importantes como gradientes de presión excesivos a alta carga, o alta inestabilidad de combustión y productos no quemados a baja carga del motor. Recientemente, se introdujo el concepto de combustión Dual-Mode Dual-Fuel (DMDF) como un intento de resolver los inconvenientes de la combustión RCCI manteniendo sus ventajas. Los resultados preliminares obtenidos en un motor mono cilíndrico (SCE por sus siglas en inglés) han demostrado que el DMDF puede alcanzar niveles de eficiencia similares a los de la combustión diésel convencional al mismo tiempo que favorece niveles ultra bajos de hollín y NOx. Si bien, los requisitos de la condición límite son difíciles de encajar en el rango operativo de sistema de gestión de aire, así como inconvenientes como el exceso de HC y CO que aún persiste en la zona de baja y media carga, lo que puede ser un desafío para el sistema de postratamiento. Además, las futuras regulaciones a corto plazo exigirán una reducción del 15 % de las emisiones de CO2 en 2025, reto que la literatura sugiere que no se logrará fácilmente solo mediante la optimización del proceso de combustión. En este sentido, esta tesis tiene como objetivo general la implementación del concepto de combustión DMDF en un motor multicilindro (MCE por sus siglas en inglés) bajo las restricciones de las aplicaciones reales para realizar una combustión limpia y eficiente en el mapa completo a la vez que brinda alternativas para reducir la concentración de HC y CO y lograr un ahorro de CO2. Este objetivo se logra mediante un primer extenso procedimiento de calibración experimental que tiene como objetivo trasladar las pautas de la combustión DMDF del SCE al MCE respetando los límites operativos del hardware original, evaluando su impacto en los resultados de combustión, rendimiento y emisiones en condiciones estacionarias y condiciones de ciclo de conducción. A continuación, se realizan estudios específicos para abordar el problema relacionado con la concentración excesiva de productos no quemados mediante investigaciones experimentales y simulaciones numéricas para comprender las consecuencias del uso de combustibles con diferente reactividad en la eficiencia de conversión del catalizador de oxidación original y su capacidad para lograr emisiones en el escape menores que el límite EUVI. Finalmente, se busca la reducción de CO2 a través de la modificación del combustible, investigando tanto la mejora del proceso de combustión como el equilibrio entre el ciclo de vida del combustible. / [CA] Històricament, el sector del transport de servei mitjà i pesat ha sigut desafiat per les regulacions d'emissions que s'han imposat al llarg dels anys, la qual cosa va requerir intensificar l'esforç d'investigació amb l'objectiu d'avançar en el desenvolupament tecnològic per a oferir una opció que complisca amb les normes a un preu similar per al propietari. No obstant això, la recent introducció de la normativa EUVI ha requerit l'addició d'un complex sistema de postractament, agregant nous costos fixos al producte, així com costos operatius amb el consum d'urea. Aquest avanç va ser necessari a causa de la limitació de la combustió dièsel convencional que no pot desacoblar les altes emissions de NOx i l'eficiència. Aquesta limitació tecnològica ha impulsat la investigació sobre diferents conceptes de combustió que podrien mantindre nivells d'eficiència similars als de la combustió dièsel controlant la formació d'emissions durant el procés de combustió. Entre les diferents solucions que han anat apareixent al llarg dels anys, es va demostrar que la Ignició per Compressió Controlada per Reactivitat (RCCI per les seues sigles en anglés) té un avantatge competitiu a causa de la seua millor controlabilitat, alta eficiència i baixes emissions de sutge i NOx. Malgrat els seus beneficis, l'extensió del RCCI a l'operació de mapa complet ha indicat limitacions importants com a gradients de pressió excessius a alta càrrega, o alta inestabilitat de combustió i productes no cremats a baixa càrrega del motor. Recentment, es va introduir el concepte de combustió Dual-Mode Dual-Fuel (DMDF) com un intent de resoldre els inconvenients de la combustió RCCI mantenint els seus avantatges. Els resultats preliminars obtinguts en un motor mono-cilíndric (SCE per les seues sigles en anglés) han demostrat que el DMDF pot aconseguir nivells d'eficiència similars als de la combustió dièsel convencional al mateix temps que afavoreix nivells ultra baixos de sutge i NOx. Si bé, els requisits de la condició límit són difícils d'encaixar en el rang operatiu de sistema de gestió d'aire, així com inconvenients com l'excés de HC i CO que encara persisteix en la zona de baixa i mitja càrrega, la qual cosa pot ser un desafiament per al sistema de postractament. A més, les futures regulacions a curt termini exigiran una reducció del 15% de les emissions de CO¿ en 2025, repte que la literatura suggereix que no s'aconseguirà fàcilment només mitjançant l'optimització del procés de combustió. En aquest sentit, aquesta tesi té com a objectiu general la implementació del concepte de combustió DMDF en un motor multi-cilindre (MCE per les seues sigles en anglés) sota les restriccions de les aplicacions reals per a realitzar una combustió neta i eficient en el mapa complet alhora que brinda alternatives per a reduir la concentració de HC i CO i aconseguir un estalvi de CO¿. Aquest objectiu s'aconsegueix mitjançant un primer extens procediment de calibratge experimental que té com a objectiu traslladar les pautes de la combustió DMDF del SCE al MCE respectant els límits operatius del motor original, avaluant el seu impacte en els resultats de combustió, rendiment i emissions en condicions estacionàries i condicions de cicle de conducció. A continuació, es realitzen estudis específics per a abordar el problema relacionat amb la concentració excessiva de productes no cremats mitjançant investigacions experimentals i simulacions numèriques per a comprendre les conseqüències de l'ús de combustibles amb diferent reactivitat en l'eficiència de conversió del catalitzador d'oxidació original i la seua capacitat per a aconseguir emissions al tub d'escapament menors que el límit EUVI. Finalment, es busca la reducció de CO2 a través de la modificació del combustible, investigant tant la millora del procés de combustió com l'equilibri entre el cicle de vida del combustible. / [EN] The medium and heavy-duty transport sector was historically challenged by the emissions regulations that were imposed along the years, requiring to step up the research effort aiming at advancing the product development to deliver a normative compliant option at similar price to the owner. Nonetheless, the recent introduction of EUVI normative have required the addition of a complex aftertreatment system, adding new fixed costs to the product as well as operational costs with the urea consumption. This breakthrough was required due to the limitation of the conventional diesel combustion which cannot decouple high NOx emissions and efficiency. This technological limitation has boosted the investigation on different combustion concepts that could maintain similar efficiency levels than the diesel combustion while controlling the emission formation during the combustion process. Among the different solutions that have appeared along the years, Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) was demonstrated to have a competitive edge due to its better controllability, high efficiency and low soot and NOx emissions. Despite the benefits, the extension of RCCI to full map operation has presented significant limitations, as excessive pressure gradients at high load and high combustion instability and unburned products at low engine load. Recently, Dual-Mode Dual-Fuel (DMDF) combustion concept was introduced as an attempt of solving the drawbacks of the RCCI combustion while maintaining its advantages. The preliminary results obtained in single cylinder engine (SCE) have evidenced that DMDF can achieves similar efficiency levels than those from conventional diesel combustion while promoting ultra-low levels of soot and NOx. Albeit, the boundary condition requirements are hard to fit in the operating range of commercial air management system as well as drawbacks like excessive HC and CO that still persists from low to medium load, which can be a challenge for the aftertreatment system. Moreover, short-term future regulations will demand a 15 % reduction of CO2 emissions in 2025 which was proven in the literature to not be easily achieved only by combustion process optimization. In this sense, this thesis has as general objective the implementation of the DMDF combustion concept in a multi-cylinder engine (MCE) under the restrictions of real applications to realize clean and efficient combustion in the complete map while providing alternatives to reduce the HC and CO concentration and accomplish CO2 savings. This objective is accomplished by means of a first extensive experimental calibration procedure aiming to translate the guidelines of the DMDF combustion from the SCE to the MCE while respecting the operating limits of the stock hardware, assessing its impacts on combustion, performance, and emission results under steady and driving cycle conditions. Next, dedicated studies are performed to address the issue related with the excessive concentration of unburned products by means of experimental investigations and numerical simulations, to understand the consequences of using fuels with different reactivity in the stock oxidation catalyst conversion efficiency and its ability in achieving EUVI tailpipe emissions. Finally, CO2 reduction is explored through fuel modification, investigating both combustion process improvement and well-to-wheel balance as paths to realize CO2 abatement. / This doctoral thesis has been partially supported by the Spanish Ministry of Science Innovation and Universities under the grant:"Ayudas para contratos predoctorales para la formación de doctores" (PRE2018-085043) / Lago Sari, R. (2021). Dual Mode Dual Fuel Combustion: Implementation on a Real Medium Duty Engine Platform [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/165366 / TESIS

The negative impact of gas turbine emissions on the environment and human health is a growing concern. Recent studies suggest injecting water into the combustion process effectively reduces emissions and increases power output. However, this approach presents new challenges that need to be thoroughly investigated. Siemens Energy (SE) has recently conducted a study on water injection and its effects on gaseous combustion mixtures but encountere challenges the simulation results when adding water. Therefore, the primary objective of this thesis is to evaluate the methodologies available in Star CCM+ for modeling water injection in a simplified combustor model (SCM) using both liquid (diesel) and gas (methane) fuels. In addition, the behavior of the flame, temperature field inside the combustor, and burner outlet temperature, are investigated.The study has compared physical phenomena such as, the flame shape, velocity, and vorticity field of SCMs with the complete combustor model of the SGT-800 gas turbine for gas fuel. Additionally, the thesis has examined the capability of STAR CCM+ for predicting flame temperature at the outlet against in-house calculation data and Cantera software for parametric cases. The methodology involves a parametric study using the Realizable k-ε TwoLayer turbulence model for steady-state RANS simulations. Combustion is modeled using the FGM method, while Lagrangian multiphase approach is used for liquid injection.The employed FGM combustion model, Lagrangian multiphase model, and RANS simulations yielded realistic results. In addition, the convergence of gas fuel cases was smoother compared to liquid fuel cases, which involved multiphase modelling and evaporation, makes it more complex. The physical phenomena were captured by CFD simulations for the SCM. Flame shape, velocity and vorticity field have good agreement with the theory in the field of gas turbine combustion and other literature sources. Disagreements between CFD and in-house calculations were observed, with the greatest differences being 24 ℃ for premixed methane (at WFR (Water Fuel Ratio) of 0) and 28 ℃ for non-premixed diesel (at WFR of 1). On the other hand, Cantera results for Vapor and for methane cases with water addition were in limit of 10 ℃ with CFD results for WFR between 0-0.5. Nevertheless, achieving a simulation accuracy within a 10 ℃ limit proved challenging due to limitations and potential sources of error in the in-house calculation sheet, combustion modelling, RANS simulations, and reaction mechanism.

Yes / Evaluation of economic aspects is one of the main milestones that affect taking rapid actions in dealing with GHGs mitigation; in particular, avoiding CO2 emissions from large source points, such as power plants. In the present study, three kinds of capturing solutions for coal power plants as the most common source of electricity generation have been studied from technical and economic standpoints. Aspen HYSYS (ver.11) has been used to simulate the overall processes, calculate the battery limit, and assess required equipment. The Taylor scoring method has been utilized to calculate the costliness indexes, assessing the capital and investment costs of a 230 MW power plant using anthracite coal with and without post-combustion, pre-combustion, and oxy-fuel combustion CO2 capture technologies. Comparing the costs and the levelized cost of electricity, it was found that pre-combustion is more costly, to the extent that the total investment for it is approximately 1.6 times higher than the oxy-fuel process. Finally, post-combustion, in terms of maturity and cost-effectiveness, seems to be more attractive, since the capital cost and indirect costs are less. Most importantly, this can be applied to the existing plants without major disruption to the current operation of the plants.

[ES] En los últimos años, la preocupación mundial con el aumento de las emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero ha motivado a las industrias del transporte y la energía a moverse hacia el desarrollo de tecnologías sostenibles con bajas o nulas emisiones de contaminantes de plantas de generación de potencia. Con este escenario, la oxicombustión surge como uno de los métodos más prometedores para mitigar la huella ambiental de plantas de generación de potencia, al erradicar sus emisiones contaminantes del tubo de escape, además de permitir la captura de dióxido de carbono (CO2) de sus gases producidos en la combustión. De esta manera, el oxígeno puro (O2) se diluye con el gas de escape recirculado para que reaccione con el combustible en el proceso de combustión y, de este modo, la corriente de gases de escape, compuesta principalmente por CO2 y vapor de agua, puede ser sometida a etapas elementales de enfriamiento y presurización para capturar CO2 de alta pureza a temperatura ambiente. Dado este contexto, en esta tesis, se desarrolla un modelo de sistema autosostenible a oxicombustión con captura de carbono para un motor policilíndrico de encendido por compresión (MEC) de 2,2 litros turboalimentado y de inyección directa como demostración de viabilidad de este concepto propuesto, considerando su aplicación potencial para el desarrollo de plantas de potencia de altas prestaciones con cero emisiones. En tales circunstancias, se emplea una membrana conductora mixta iónica-electrónica para generar O2 a partir del aire local. Para ello, se recupera la energía residual de los gases de escape mediante un ciclo Brayton adaptado con el fin de proporcionar las condiciones adecuadas para el correcto funcionamiento de la membrana en términos de temperatura y relación de presión alimentación-permeado. Asimismo, se diseña un sistema de captura de carbono (CC) local, compuesto esencialmente por dos compresores alternativos, tres unidades de refrigeración con separación de líquidos (flashes) y un tanque de almacenamiento de CO2, teniendo en cuenta las temperaturas de salida de los flashes y la presión de funcionamiento de la última etapa de purificación del CO2. En primer lugar, se diseña el modelo del sistema de oxicombustión con el motor y sus componentes auxiliares (intercambiadores de calor y turbocompresores) y, a continuación, el sistema es evaluado bajo condiciones de oxicombustión para la curva de plena carga del motor desde 1250 rpm hasta 3500 rpm en ausencia del CC, contrastando sus resultados con el comportamiento del MEC convencional de referencia. En segundo lugar, se amplía el mapa de funcionamiento de carga del motor de oxicombustión hasta los límites de estabilidad del sistema modificando el dosado oxígeno-combustible y la temperatura de los gases de escape para tres regímenes del motor. Por último, se diseña el CC y se lo acopla a la unidad de generación de O2, reciclando el agua y el exceso de O2 del CC de nuevo a la admisión del motor. A este respecto, un barrido es llevado a cabo sobre el inicio de la inyección y el flujo másico de agua recirculada para encontrar el punto de funcionamiento óptimo a 3500 rpm con respeto a la compensación entre las prestaciones del motor y la potencia de refrigeración adicional. A continuación, se mejora y adapta el modelo del sistema completo de oxicombustión con captura de carbono para una aplicación realista a escala de laboratorio y una prueba de concepto experimental, siguiendo la misma filosofía de compensación. Aunque el diseño final del motor de oxicombustión con captura de carbono presenta un ligero empeoramiento de prestaciones comparado con el MEC convencional de referencia a 3500 rpm, este nuevo concepto propuesto puede seguir siendo competitivo desde el punto de vista de la eficiencia energética como tecnología emergente que puede contribuir a la concepción de plantas de generación de potencia con emisiones cero a escala industrial comercial. / [CA] En els darrers anys, la preocupació mundial amb l'augment de les emissions antropogèniques de gasos d'efecte hivernacle ha motivat les indústries del transport i l'energia a moure's cap al desenvolupament de tecnologies sostenibles amb baixes o nul·les emissions de contaminants de plantes de generació de potència. Amb aquest escenari, l'oxicombustió sorgeix com un dels mètodes més prometedors per mitigar l'empremta ambiental de plantes de generació de potència, en eradicar les emissions contaminants del tub d'escapament, a més de permetre la captura de diòxid de carboni (CO2) dels seus gasos produïts a la combustió. D'aquesta manera, l'oxigen pur (O2) es dilueix amb el gas d'escapament recirculat perquè reaccioni amb el combustible en el procés de combustió i així el corrent de gasos d'escapament, compost principalment per CO2 i vapor d'aigua , pot ser sotmesa a etapes elementals de refredament i pressurització per capturar CO2 d'alta puresa a temperatura ambient. Atès aquest context, en aquesta tesi, es desenvolupa un model de sistema autosostenible a oxicombustió amb captura de carboni per a un motor policilíndric d'encesa per compressió (MEC) de 2,2 litres turboalimentat i d'injecció directa com a demostració de viabilitat d'aquest concepte proposat , considerant la seva aplicació potencial per al desenvolupament de plantes de potència d'altes prestacions amb zero emissions. En aquestes circumstàncies, es fa servir una membrana conductora mixta iònica-electrònica per generar O2 a partir de l'aire local. Per això, es recupera l'energia residual dels gasos d'escapament mitjançant un cicle Brayton adaptat per tal de proporcionar les condicions adequades per al funcionament correcte de la membrana en termes de temperatura i relació de pressió alimentació-permeat. Així mateix, es dissenya un sistema de captura de carboni (CC) local, compost essencialment per dos compressors alternatius, tres unitats de refrigeració amb separació de líquids (flaixos) i un tanc d'emmagatzematge de CO2, tenint en compte les temperatures de sortida dels flaixos i la pressió de funcionament de l'última etapa de purificació del CO2. En primer lloc, es dissenya el model del sistema d'oxicombustió amb el motor i els seus components auxiliars (intercanviadors de calor i turbocompressors) i, a continuació, el sistema és avaluat sota condicions d'oxicombustió per a la corba de plena càrrega del motor des de 1250 rpm fins a 3500 rpm en absència del CC, contrastant els resultats amb el comportament del MEC convencional de referència. En segon lloc, s'amplia el mapa de funcionament de càrrega del motor d'oxicombustió fins als límits d'estabilitat del sistema modificant el dosatge oxigen-combustible i la temperatura dels gasos d'escapament per a tres règims del motor. Finalment, es dissenya el CC i l'acobla a la unitat de generació d'O2, reciclant l'aigua i l'excés d'O2 del CC de nou a l'admissió del motor. Quant a això, un escombrat és dut a terme sobre l'inici de la injecció i el flux màssic d'aigua recirculada per trobar el punt de funcionament òptim a 3500 rpm respecte a la compensació entre les prestacions del motor i la potència de refrigeració addicional. A continuació, es millora i s'adapta el model del sistema complet d'oxicombustió amb captura de carboni per a una aplicació realista a escala de laboratori i una prova de concepte experimental, seguint la mateixa filosofia de compensació. Tot i que el disseny final del motor d'oxicombustió amb captura de carboni presenta un lleuger empitjorament de prestacions comparat amb el MEC convencional de referència a 3500 rpm, aquest nou concepte proposat pot continuar sent competitiu des del punt de vista de l'eficiència energètica com a tecnologia emergent que pot contribuir a la concepció de plantes de generació de potència amb emissions zero a escala industrial comercial. / [EN] In recent years, a worldwide concern with respect to an increase in anthropogenic greenhouse gas emissions has pushed transport and energy industries towards the development of sustainable technologies with low or zero pollutant emissions from powerplants. Within this scenarios, oxy-fuel combustion arises as one of the most promising methods to mitigate the environmental footprint of powerplants, by eradicating their pollutant tailpipe emissions, in addition to enabling carbon dioxide (CO2) capture from their flue gas. In this case, pure oxygen (O2) is diluted with recirculated exhaust gas to react with fuel for the combustion process and, thereby, the exhaust stream, mainly composed of CO2 and water vapor, may be subjected to elementary cooling and pressurizing steps for capturing high-purity CO2 at ambient temperature. Therefore, in this thesis, a self-sustaining oxy-fuel carbon-capture layout model is developed for a 2.2 liter turbocharged and direct-injection multicylinder compression ignition engine (CIE) as a feasibility demonstration of this proposed concept considering its potential application for development of zero-emission high-duty powerplants. In such circumstances, a mixed ionicelectronic conducting membrane is employed to generate O2 from air in-situ. For this purpose, exhaust gas wasted energy is recovered via a tailored Brayton cycle in order to provide suitable conditions for proper membrane operation in terms of temperature and feed-permeate pressure ratio. Also, an in-situ carbon capture system (CC), composed essentially of two reciprocating compressors, three cooling units with liquid separation (flashes) and a CO2 storage tank, is designed taking into account the flash out temperatures and operating pressure of the last CO2 purification step. Firstly, the oxy-fuel layout model with engine and its auxiliary components (heat exchangers and turbochargers) is designed and then assessed under oxyfuel combustion conditions for the engine full-load curve from 1250 rpm to 3500 rpm in the absence of the CC, contrasting its outputs against the baseline conventional multi-cylinder CIE behavior. Secondly, the oxy-fuel powerplant load operation map is extended until system stability limits by modifying oxygen-fuel ratio and exhaust gas temperature for three engine speeds. Finally, the CC is designed and then coupled to the O2 generation unit, recycling water and excess of O2 from CC back to engine intake. In this regard, start of injection and recirculated water mass flow are swept in order to find out optimum operating point concerning the trade-off between powerplant performance and additional cooling power at 3500 rpm. Thereafter, the complete oxy-fuel carbon-capture layout model is enhanced and adapted for realistic application at laboratory scale and experimental proof of concept, following same trade-off philosophy. Although the final oxyfuel carbon-capture engine layout presents slight deterioration in performance if compared to the baseline conventional multi-cylinder CIE at 3500 rpm, this proposed novel concept may be still energy-efficient competitive as an emerging technology which might contribute for conception of zero-emission powerplant on commercial industrial scale. / Farias Da Silva, VH. (2024). Study of oxy-fuel combustion-based power plants with in-situ O2 production and carbon capture [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207281

[ES] La actual crisis climática ha instado a la comunidad investigadora y a los fabricantes a brindar soluciones para hacer que el sector del transporte sea más sostenible. De entre las diversas tecnologías propuestas, la combustión a baja temperatura ha sido objeto de una extensa investigación. La combustión premezclada dual-fuel es uno de los conceptos que abordan el compromiso de NOx-hollín en motores de encendido por compresión manteniendo alta eficiencia térmica. Esta combustión hace uso de dos combustibles con diferentes reactividades para mejorar la controlabilidad de este modo de combustión en un amplio rango de funcionamiento. De manera similar a todos los modos de combustión premezclados, esta combustión es sensible a las condiciones de operación y suele estar sujeta a variabilidad cíclica con gradientes de presión significativos. En consecuencia, se requieren estrategias de control avanzadas para garantizar un funcionamiento seguro y preciso del motor. El control en bucle cerrado es una herramienta eficaz para abordar los desafíos que plantea la combustión premezclada dual-fuel. En este tipo de control, para mantener el funcionamiento deseado, las acciones de control se adaptan y corrigen a partir de una retroalimentación con las señales de salida del motor. Esta tesis presenta estrategias de control basadas en la medición de la señal de presión en el cilindro, aplicadas a motores de combustión premezclada dual-fuel. En ella se resuelven diversos aspectos del funcionamiento del motor mediante el diseño de controladores dedicados, haciéndose especial énfasis en analizar e implementar estas soluciones a los diferentes niveles de estratificación de mezcla considerados en estos motores (es decir, totalmente, altamente y parcialmente premezclada). Inicialmente, se diseñan estrategias de control basadas en el procesamiento de la señal de presión en el cilindro y se seleccionan acciones proporcionales-integrales para asegurar el rendimiento deseado del motor sin exceder las limitaciones mecánicas del motor. También se evalúa la técnica extremum seeking para realizar una supervisión de una combustión eficiente y la reducción de emisiones de NOx. Luego se analiza la resonancia de la presión en el cilindro y se implementa un controlador similar a aquel usado para el control de knock para garantizar el funcionamiento seguro del motor. Finalmente, se utilizan modelos matemáticos para diseñar un modelo orientado a control y un observador que tiene como objetivo combinar las señales medidas en el motor para mejorar las capacidades de predicción y diagnóstico en dicha configuración de motor. Los resultados de este trabajo destacan la importancia de considerar el control en bucle cerrado para abordar las limitaciones encontradas en los modos de combustión premezclada. En particular, el uso de la medición de presión en el cilindro muestra la relevancia y el potencial de esta señal para desarrollar estrategias de control complejas y precisas. / [CA] L'actual crisi climàtica ha instat a la comunitat investigadora i als fabricants a brindar solucions per a fer que el sector del transport siga més sostenible. D'entre les diverses tecnologies proposades, la combustió a baixa temperatura ha sigut objecte d'una extensa investigació. La combustió premesclada dual-fuel és un dels conceptes que aborden el compromís de NOx-sutge en motors d'encesa per compressió mantenint alta eficiència tèrmica. Aquesta combustió fa ús de dos combustibles amb diferents reactivitats per a millorar la controlabilitat d'aquest tipus de combustió en un ampli rang de funcionament. De manera similar a tots els tipus de combustió premesclada, aquesta combustió és sensible a les condicions d'operació i sol estar subjecta a variabilitat cíclica amb gradients de pressió significatius. En conseqüència, es requereixen estratègies de control avançades per a garantir un funcionament segur i precís del motor. El control en bucle tancat és una eina eficaç per a abordar els desafiaments que planteja la combustió premesclada dual-fuel. En aquesta mena de control, per a mantindre el funcionament desitjat, les accions de control s'adapten i corregeixen a partir d'una retroalimentació amb els senyals d'eixida del motor. Aquesta tesi presenta estratègies de control basades en el mesurament del senyal de pressió en el cilindre, aplicades a motors de combustió premesclada dual-fuel. En ella es resolen diversos aspectes del funcionament del motor mitjançant el disseny de controladors dedicats, fent-se especial èmfasi a analitzar i implementar aquestes solucions als diferents nivells d'estratificació de mescla considerats en aquests motors (és a dir, totalment, altament i parcialment premesclada). Inicialment, es dissenyen estratègies de control basades en el processament del senyal de pressió en el cilindre i se seleccionen accions proporcionals-integrals per a assegurar el rendiment desitjat del motor sense excedir les limitacions mecàniques del motor. També s'avalua la tècnica extremum seeking per a realitzar una supervisió d'una combustió eficient i la reducció d'emissions de NOx. Després s'analitza la ressonància de la pressió en el cilindre i s'implementa un controlador similar a aquell usat per al control de knock per a garantir el funcionament segur del motor. Finalment, s'utilitzen models matemàtics per a dissenyar un model orientat a control i un observador que té com a objectiu combinar els senyals mesurats en el motor per a millorar les capacitats de predicció i diagnòstic en aquesta configuració de motor. Els resultats d'aquest treball destaquen la importància de considerar el control en bucle tancat per a abordar les limitacions trobades en la combustió premesclada. En particular, l'ús del mesurament de pressió en el cilindre mostra la rellevància i el potencial d'aquest senyal per a desenvolupar estratègies de control complexes i precises. / [EN] The current climate crisis has urged the research community and manufacturers to provide solutions to make the transportation sector cleaner. Among the various technologies proposed, low temperature combustion has undergone extensive investigation. Premixed dual-fuel combustion is one of the concepts addressing the NOx-soot trade-off in compression ignited engines, while maintaining high thermal efficiency. This combustion makes use of two fuels with different reactivities in order to improve the controllability of this combustion mode over a wide range of operation. Similarly to all premixed combustion modes, this combustion is nevertheless sensitive to the operating conditions and traditionally exhibits cycle-to-cycle variability with significant pressure gradients. Consequently, advanced control strategies to ensure a safe and accurate operation of the engine are required. Feedback control is a powerful approach to address the challenges raised by the premixed dual-fuel combustion. By measuring the output signals from the engine, strategies can be developed to adapt and correct the control actions to maintain the desired operation. This thesis presents control strategies, based on the in-cylinder pressure signal measurement, applied to premixed dual-fuel combustion engines. Various objectives were addressed by designing dedicated controllers, where a special emphasis was made towards analyzing and implementing these solutions to the different levels of mixture stratification considered in these engines (i.e., fully, highly and partially premixed). At first, feedback control strategies based on the in-cylinder pressure signal processing were designed. Proportional-integral actions were selected to ensure the desired engine performance without exceeding the mechanical constraints of the engine. Extremum seeking was evaluated to track efficient combustion phasing and NOx emissions reduction. The in-cylinder pressure resonance was then analyzed and a knock-like controller was implemented to ensure safe operation of the engine. Finally, mathematical models were used to design a control-oriented model and a state observer that aimed to leverage the signals measured in the engine to improve the prediction and diagnostic capabilities in such engine configuration. The results from this work highlighted the importance of considering feedback control to address the limitations encountered in premixed combustion modes. Particularly, the use of the in-cylinder pressure measurement showed the relevance and potential of this signal to develop complex and accurate control strategies. / This thesis was financially supported by the Programa Operativo del Fondo Social Europeo (FSE) de la Comunitat Valenciana 2014-2020 through grant ACIF/2018/141. / Barbier, ARS. (2022). In-Cylinder Pressure-Based Control of Premixed Dual-Fuel Combustion [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/183274 / TESIS

[ES] Reducir las emisiones de gases contaminantes de los motores de combustión interna alternativos (MCIA) es uno de los mayores retos para combatir el calentamiento global. Dado que los motores seguirán siendo utilizados por la industria durante décadas, es necesario desarrollar nuevas tecnologías. En este contexto, la presente tesis doctoral viene motivada por la necesidad de seguir mejorando los motores, tanto desde el punto de vista de la ingeniería técnica como desde el punto de vista social, debido a los efectos de los gases de efecto invernadero. El objetivo principal de esta tesis es desarrollar una metodología de optimización para sistemas de combustión de motores de encendido por compresión (MEC) mediante el acoplamiento de algoritmos de optimización con simulación por ordenador. Con la optimización de los sistemas de combustión es posible aumentar la eficiencia de los motores, reduciendo así el consumo de combustible junto con la reducción de emisiones contaminantes, en particular óxidos de nitrógeno (NOx) y hollín. En el primer paso, se abordan diferentes algoritmos de optimización con el fin de elegir el mejor candidato para esta metodología. A partir de aquí, la primera optimización se centra en un motor de encendido por compresión que funciona con combustible convencional para validar la metodología y también para evaluar el estado actual de evolución de estos motores. Con el objetivo de reducir el consumo de combustible manteniendo los niveles de NOx y hollín por debajo de los valores de un motor real, se inicia el proceso de optimización. Los resultados obtenidos confirman que un nuevo sistema de combustión específico para este motor podría generar una reducción del consumo de combustible manteniendo las emisiones de gases por debajo del valor estipulado. Además, se concluye que los motores MEC que utilizan combustible convencional se encuentran ya en un nivel de eficiencia muy elevado, y es difícil mejorarlos sin utilizar un sistema de postratamiento. Así pues, el segundo bloque de optimización se basa en el uso de motores MEC que funcionan con un combustible alternativo, que en este caso es el OME. El objetivo de este estudio es diseñar un sistema de combustión específico para un motor que utilice este combustible y que ofrezca un rendimiento del mismo orden de magnitud que un motor diésel. En la búsqueda de una mayor eficiencia, las emisiones de NOx son una restricción del sistema de optimización para que el sistema de combustión no emita más gases que un motor real. En este caso, el hollín no se tiene en cuenta debido a que las características del combustible no producen este tipo de contaminante. Los resultados mostraron que un sistema de combustión diseñado específicamente para esta operación podía ofrecer altas eficiencias, incluso la eficiencia obtenida fue alrededor de 2,2 % mayor en comparación con el motor diesel real. Además, fue posible reducir a la mitad las emisiones de NOx cuando el motor funciona con OME. El último bloque de optimización se refiere a una nueva arquitectura de motor que permite eliminar las emisiones de NOx. El modelo de oxicombustión resulta apasionante, ya que se elimina el nitrógeno de la mezcla de admisión y, por tanto, no se generan emisiones que contengan N2. Además, con el uso de este modo de combustión, es posible capturar CO$_{2}$ de los gases de escape, que luego puede venderse en el mercado. Dado que se trata de un tema nuevo y poco investigado, los resultados son prometedores. Demuestran que fue posible obtener un sistema de combustión específico capaz de ofrecer niveles de eficiencia cercanos a los de los motores convencionales. Además, se eliminaron las emisiones de NOx, así como las de hollín. Adicionalmente, este sistema fue capaz de reducir las emisiones de CO y HC a niveles similares a los motores convencionales. Por otra parte, los resultados presentados en esta tesis doctoral proporcionan una base de datos ampliada para explorar el funcionamiento del motor CI. / [CAT] Reduir les emissions de gasos contaminants dels motors de combustió interna alternatius (MCIA) és un dels majors reptes per a combatre el camvi climàtic. Atés que els motors continuaran sent utilitzats per la indústria durant dècades, és necessari desenvolupar noves tecnologies. En aquest context, la present tesi doctoral ve motivada per la necessitat de continuar millorant els motors, tant des del punt de vista de l'enginyeria tècnica com des del punt de vista social, degut a l'efecte dels gasos d'efecte d'hivernacle. L'objectiu principal d'aquesta tesi és desenvolupar una metodologia d'optimització per a sistemes de combustió de motors d'encesa provocada mitjançant l'acoblament d'algorismes d'optimització amb simulació per ordinador. Amb l'optimització dels sistemes de combustió és possible augmentar l'eficiència dels motors, reduint així el consum de combustible, concomitantment amb la reducció d'emissions de gasos, en particular òxids de nitrogen (NOx) i sutge. En el primer pas, s'aborden diferents algorismes d'optimització amb la finalitat d'elegir el millor candidat per a aquesta metodologia. A partir d'ací, la primera optimització se centra en un motor d'encesa per compressió que funciona amb combustible convencional per a validar la metodologia i també per a avaluar l'estat actual d'evolució d'aquests motors. Amb l'objectiu de reduir el consum de combustible mantenint els nivells de NOx i sutge per davall dels valors d'un motor real, s'inicia el procés d'optimització. Els resultats obtinguts confirmen que un nou sistema de combustió específic per a aquest motor podria generar una reducció del consum de combustible mantenint les emissions de gasos per davall del valor estipulat. A més, es conclou que els motors d'encesa per compressió que utilitzen combustible convencional es troben ja en un nivell d'eficiència molt elevat, i és difícil millorar-los sense utilitzar un sistema de posttractament. Així doncs, el segon bloc d'optimització es basa en l'ús de motors d'encesa per compressió que funcionen amb un combustible alternatiu, que en aquest cas és el OME. L'objectiu d'aquest estudi és dissenyar un sistema de combustió específic per a un motor que utilitze aquest combustible i que oferisca un rendiment del mateix ordre de magnitud que un motor dièsel. En la cerca d'una major eficiència, les emissions de NOx són una restricció del sistema d'optimització perquè el sistema de combustió no emeta més gasos que un motor real. En aquest cas, el sutge no es té en compte pel fet que les característiques del combustible no produeixen aquest tipus de contaminant. Els resultats van mostrar que un sistema de combustió dissenyat específicament per a aquesta operació podia oferir altes eficiències, fins i tot l'eficiència obtinguda va ser al voltant de 2,2 % major en comparació amb el motor dièsel real. A més, va ser possible reduir a la meitat les emissions de NOx quan el motor funciona amb OME. L'últim bloc d'optimització es refereix a una nova arquitectura del motor que permet eliminar les emissions de NOx. El model de oxicombustió resulta apassionant, ja que s'elimina el nitrogen de la mescla d'admissió i, per tant, no es generen emissions que continguen N2. A més, amb l'ús d'aquesta manera de combustió, és possible capturar CO$_{2}$ dels gasos de fuita, que després pot vendre's en el mercat. Atés que es tracta d'un tema nou i poc investigat, els resultats són prometedors. Demostren que va ser possible obtindre un sistema de combustió específic capaç d'oferir nivells d'eficiència pròxims als dels motors convencionals. A més, es van eliminar les emissions de NOx, així com les de sutge. Addicionalment, aquest sistema va ser capaç de reduir les emissions de CO i HC a nivells similars als motors convencionals. D'altra banda, els resultats presentats en aquesta tesi doctoral proporcionen una base de dades ampliada per a explorar el funcionament del motor CI. / [EN] Reducing emissions of pollutant gases from internal combustion engines (ICE) is one of the biggest challenges to combat global warming. As the engines will continue to be used by industry for decades, it is necessary to develop new technologies. In this context, the present doctoral thesis was motivated by the need to further improve engines, both from a technical engineering and social point of view, due to the effects of greenhouse gases. The main objective of this thesis is to develop an optimization methodology for compression ignition (CI) engine combustion systems by coupling optimization algorithms with computer simulation. With the optimization of the combustion systems, it is possible to increase the efficiency of the engines, thus reducing fuel consumption, concomitantly with the reduction of gas emissions, in particular nitrogen oxides (NOx) and soot. In the first step, different optimization algorithms are addressed in order to elect the best candidate for this methodology. From this point on, the first optimization is focused on a CI engine operating with conventional fuel in order to validate the methodology and also to evaluate the current state of evolution of these engines. With the goal of reducing fuel consumption while keeping NOx and soot levels below the values of a real engine, the optimization process begins. The results obtained confirm that a new combustion system specifically for this engine could generate a reduction in fuel consumption while keeping gas emissions below the stipulated value. Furthermore, it is concluded that CI engines using conventional fuel are already at a very high-efficiency level, and it is difficult to improve them without the use of an after-treatment system. Thus, the second optimization block is based on the use of CI engines operating on an alternative fuel, which in this case is OME. This study aimed to design a specific combustion system for an engine using this fuel that delivers efficiency on the same order of magnitude as a diesel engine. While searching for better efficiency, the NOx emissions are a restriction of the optimization system so that the combustion system does not emit more gases than a real engine. In this case, soot is not considered due to the characteristics of the fuel not producing this kind of pollutant. The results showed that a combustion system designed specifically for this operation could deliver high efficiencies, including the efficiency obtained was around 2.2 \% higher compared to the real diesel engine. In addition, it was possible to halve the NOx emissions when the engine operates with OME. The last optimization block concerns a new engine architecture that makes it possible to eliminate NOx emissions. The oxy-fuel combustion model is exciting since nitrogen is eliminated from the intake mixture, and thus no emissions containing N2 are generated. Furthermore, with the use of this combustion mode, it is possible to capture CO$_{2}$ from the exhaust gas, which can then be sold to the market. Since this is a new and little-researched topic, the results are promising. They show that it was possible to obtain a specific combustion system capable of delivering efficiency levels close to conventional engines. Furthermore, NOx emissions were eliminated, as well as soot emissions. Additionally, this system was able to reduce CO and HC emissions to levels similar to conventional engines. Moreover, the results presented in this doctoral thesis provide an extended database to explore the CI engine operation. Additionally, this work showed the potential of computational simulation allied with mathematical methods in order to design combustion systems for different applications. / I want to thanks the Universitat Politecnica de Valencia for his predoctoral contract (FPI-2019-S2-20-555), which is included within the framework of Programa de Apoyo para la Investigacion y Desarrollo (PAID). / Spohr Fernandes, C. (2023). Analysis and CFD-Guided optimization of advanced combustion systems in compression-ignited engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/193292

Magister Scientiae - MSc (Chemistry) / Pollutants such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are known for their toxic effects which may lead to the cause of degenerative diseases in both humans and animals. PAHs are widespread in the environment, and may be found in water, food, automotive industry and petrochemical industries to name but a few sources. Literature reports have highlighted industrial workplace exposure to PAHs as a leading cause for development of cancer in workers. Particularly, workers in the petrochemical industry are adversely affected and the incidence of skin and lung cancer in this population group is high. The United States of America in its guidelines developed by environmental protection agency (EPA) has identified 18 PAHs as priority pollutants. Among these are anthracene, benzo[a]pyrene and pyrene which have been selected as the focal point of this study due to their significance in the petrochemical industry. Due to the carcinogenic and mutagenic properties reported in literature for certain PAHs, there have been monitoring procedures taken in most countries around the world. The commonly used analytical methods for the detection of PAHs from industrial samples are high performance liquid chromatography (HPLC) coupled to fluorescence detection, membrane filtration, ozonation and reverse osmosis. Analysis of PAHs from the petrochemical industry is typically performed by HPLC method as well as sono-degredation in the presence of oxygen and hydrogen peroxide.

Магистерская диссертация посвящена разработке информационно-моделирующей системы зажигательного горна агломерационной машины. Результатом работы является проектирование и программная реализация информационно-моделирующей системы зажигательного горна агломерационной машины. В ходе работы произведен анализ и формализация существующей методики расчета конструкции зажигательного горна, на основе которого был реализован проект создания информационно-моделирующей системы. Созданная в результате работы система позволяет проводить расчеты агломерационной шихты, горения твердого топлива, горения природного газа, периодов зажигания, а также выбор горелочных устройств и обоснования высоты горна. Предусмотрен вывод основных расчетных показателей в табличном виде с возможностью настройки отдельных показателей и предварительного просмотра отчета. Использование разработанной информационной системы позволяет существенно сократить временные затраты, повысить эффективность процессов проектирования новых и анализа эффективности существующих конструкций зажигательного горна агломерационных машин. / The master's thesis is devoted to the development of an information-modeling system of an incendiary hearth of an agglomeration machine. The result of the work is the design and software implementation of the information-modeling system of the incendiary furnace of the sinter machine. In the course of the work, an analysis and formalization of the existing methodology for calculating the design of the incendiary hearth was made, on the basis of which the project of creating an information-modeling system was implemented. The system created as a result of the work makes it possible to carry out calculations of the sinter charge, solid fuel combustion, natural gas combustion, ignition periods, as well as the choice of burner devices and justification of the height of the hearth. The output of the main calculated indicators is provided in a table form with the ability to configure individual indicators and preview the report. Using the developed information system can significantly reduce time costs, increase the efficiency of new design processes and analyze the effectiveness of existing incendiary furnaces of sinter machines.