Made available in DSpace on 2016-03-15T19:36:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Marcio Yamawaki.pdf: 22123868 bytes, checksum: 06693820e229aaa1d1f946ee47f58c63 (MD5) Previous issue date: 2013-10-17 / Pistons are one of the most challenged components on an internal combustion engine. The range of thermal and mechanical loads on these components reach limit levels where the applied materials cannot react and are not able to go back to its original condition. We can say that pistons are the fuses of an internal combustion engine. The adequate selection of materials for the pistons must take in account the usage of the engines. For passenger cars for instance, typically light alloys are chosen in order to attend the low fuel consumption and emission level demands. For commercial vehicles there are more freedom choosing the materials because weight does not play the same level of role but on the other hand requires materials that can resist the very high loads involved. The objective of this work is to describe the criteria s involved on a piston design and how closed they are connected with the adequate material selection. A case study of a aluminum piston for Diesel engine application that presented a pin bore crack related to feathery grain formation will be shown. / Os pistões são um dos componentes mais solicitados em um motor de combustão interna. O conjunto de cargas térmicas e mecânicas nestes componentes chega a atingir limites onde os materiais empregados não conseguem mais reagir de maneira a retornar a sua condição original. Pode-se dizer que os pistões são os fusíveis de um motor à combustão interna. A escolha dos materiais mais adequados para a confecção dos pistões passa por um critério de seleção que deve levar em conta o tipo de aplicação dos motores. A aplicação de motores em carros de passeio por exemplo, tipicamente exige a utilização de ligas mais leves em seus componentes visando atender aos requisitos de redução do consumo de combustíveis e também de emissão de poluentes. Já para a aplicação em veículos utilitários pesados existe uma maior liberdade para a escolha dos materiais dos componentes pois o peso já não tem a mesma influência sobre a performance mas por outro lado exige a utilização de materiais mais resistentes devido às altas cargas envolvidas. O objetivo do trabalho é discorrer também sobre os critérios envolvidos no projeto dos pistões e como eles estão correlacionados com a escolha dos materiais mais adequados. Será mostrado também um estudo de caso de um pistão de alumínio aplicado em um motor Diesel e que apresentou uma trinca no cubo relacionada à formação de dendritas gêmeas.

Nas últimas décadas, a indústria automobilística mundial vem investindo no desenvolvimento tecnológico dos motores, com o objetivo de alcançar melhor eficiência energética e atender às legislações que limitam a quantidade de resíduos tóxicos nos gases de exaustão e menor consumo de combustível. Isso resultou na implantação dos sistemas de gerenciamento eletrônico do motor, que possibilitam funcionalidades para se controlar diversas variáveis do motor, aumentando consideravelmente o rendimento do motor. Este trabalho tem como objetivos explorar a dinâmica de um motor de combustão interna ciclo Otto, os sinais elétricos associados, e os componentes de seu gerenciamento eletrônico. A partir dessas informações, o trabalho apresenta o processo de analise dos sinais elétricos e as estratégias de controle utilizadas em um sistema de gerenciamento real. Assim, são desenvolvidos o hardware e o firmware de uma unidade microcontroladora para gerenciamento eletrônico do motor. O hardware foi elaborado com uma concepção centralizada, ou seja, foi usado apenas um microcontrolador de 32-bit para gerenciar todas as funções. O firmware de controle foi desenvolvido de forma modular baseado em modelos de malha fechada. O modelo matemático do motor foi identificado utilizando técnicas de controle em um veículo real, e a avalidação do modelo foi obtida através de testes em um dinamômetro inercial. / In the last few decades, the world automotive industry has invested in the technological development of the engines, aiming to get better energetic efficiency and comply with legislations that limit the amount of toxic exhaustion gases. This resulted in electronic management systems for engines, which allowed flexibility to control several engine-related variables, considerably increasing the engine efficiency. This work aims to explore the Otto cycle combustion engine dynamics, its electronic signals, and the elements of its electronic management. Based on that information, this work presents the analysis process of the electronic signals, and the control strategies used in a real management system. Then, the hardware and firmware of a microcontroller unity are developed for the electronic management of the engine. The hardware was elaborated with a centralized concept, i.e., only one 32-bit microcontroller was used to control all functions. The control firmware was developed in a modular scheme, based on the closed loop models. The engine mathematical model was identified using control techniques in a real engine. The results were obtained by tests in an inertial dynamometer.

L'intérêt pour les énergies renouvelables et pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre a conduit au développement de l'éthanol comme carburant pour les moteurs à combustion interne. Les moteurs dits Flexfuel, en particulier, peuvent fonctionner avec un mélange quelconque d'essence et d'éthanol. Ces deux carburants ont des propriétés physico-chimiques différentes, qui influent sur le fonctionnement du moteur et, partant, sur son contrôle. Les systèmes de contrôle moteur habituels ne prennent pas en compte ces propriétés variables. Sur un moteur Flexfuel, les réglages doivent être adaptés à chaque carburant, afin de maintenir le niveau des émissions polluantes et l'agrément. Cependant, ces adaptations ne doivent pas se faire au prix d'un accroissement excessif du travail de calibration. Cette thèse traite de ces questions. Les effets des différentes propriétés du carburant sur le moteur et son contrôle sont tout d'abord analysés afin de définir les besoins en termes de contrôle. Un modèle moyen de moteur, adapté aux variations de propriétés du carburant, est alors développé pour reproduire ces effets et permettre l'évaluation de stratégies de contrôle. Dans ce travail, celles-ci incluent une méthode d'estimation de la composition du carburant pendant le fonctionnement du moteur, et son utilisation dans le contrôle de la richesse. / The interest in renewable energies and in the reduction of greenhouse gas emissions has led to the development of ethanol as a fuel for internal combustion engines. In particular, so-called Flexfuel engines can run on any mixture of gasoline and ethanol. These two fuels have different physico-chemical properties. These influence engine operation, and in turn, its control. These variable properties are not taken into account in conventional engine management systems. In a Flexfuel engine, the engine settings must be adapted to each fuel used, in order to maintain the pollutant emissions and the drivability levels, andto take advantage of the performance and efficiency improvements allowed by ethanol. However, these adaptations should not result in a cumbersome increase in the calibration work. This thesis addresses these issues. The effects of the different fuel properties on the engine and its control are first analyzed, for defining the control requirements. A mean-value, fuel-flexible, engine model reproducing these effects is then developed for the evaluation of control strategies. These include in this work a method for estimating the fuel composition during engine operation, and its use in the equivalence ratio control.

Orientador: Marco Lúcio Bittencourt / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-24T09:08:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LimaeSilva_RafaelAugustode_M.pdf: 10555723 bytes, checksum: 1d037ebafbabc24e214c06ad76c5f54a (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O trabalho descreve o projeto mecânico convencional de uma biela automotiva de motor de combustão interna e apresenta uma metodologia alternativa baseada em métodos de otimização estrutural com o objetivo de reduzir a massa do componente. Para tal, é feita a descrição de todos os parâmetros de projeto assim como a definição de critérios de projeto. Em virtude da criticidade da aplicação selecionada, motor de ciclo Diesel utilizado em caminhões de trabalho pesado com picos de pressão de combustão de até 240 bar, a biela foi projetada sem bucha utilizando-se extensivamente os métodos numéricos. O Método dos Elementos Finitos foi aplicado para cálculo de tensões, deslocamentos, pressões de contato, flambagem, fadiga e para a síntese modal de componentes utilizados na análise dinâmica de multicorpos com mancais elasto-hidrodinâmicos. Dois modelos de fadiga dos materiais foram estudados: o modelo americano baseado no diagrama de Goodman e tensões principais e o modelo alemão baseado no diagrama de Haigh e efeito do gradiente de tensões multiaxiais; dos quais concluiu-se que o modelo americano é suficiente para o projeto da biela ao passo que o modelo alemão traz oportunidades adicionais de redução de massa. A otimização topológica, otimização de forma e análise de sensibilidade permitiram a obtenção de uma biela 210g (3\%) mais leve e com melhor desempenho dos mancais hidrodinâmicos. Finalmente, concluiu-se que o Método da Otimização Topológica apresenta oportunidades interessantes aos projetistas na fase de conceituação de produtos como alternativa aos desenhos convencionais, no entanto, demanda esforço adicional para o atendimento de todos os critérios de projeto do componente / Abstract: The present work consists of the conventional mechanical design description of an internal combustion engine connecting rod and also the proposal of an alternative methodology based on optimization methods with the objective of reducing the component mass. Therefore, it is performed a detailed view of all design parameters as well as the definition of design criteria. Because of the critical application selected, Diesel engine of heavy duty truck with combustion pressure reaching up to 240bar, the connecting rod was designed without bushing and with extensive use of numerical methods. The Finite Element Method was applied to assess stresses, displacements, contact pressures, buckling, fatigue and to perform the Component Modal Synthesis for multi-body dynamics simulation with elasto-hydrodynamic bearings. Two fatigue models were studied: the American model based on Goodman's diagram and principal stresses and the German model based on Haigh's diagram and multiaxial stress gradient effect; from which it was concluded that the American model is enough to design the connecting rod, while the German model presents additional weight reduction opportunities. The topology optimization, shape optimization and sensitivity analysis enabled a 210g (3\%) lighter connecting rod with improved bearings performance. Finally, it was concluded that the Topology Optimization Method presents good opportunities for the design engineers in the conceptual phases of product development with alternatives to the conventional designs. However, additional effort is necessary to fit the concept into all design criteria / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

V rámci této práce byl vyvinut komplexní simulační nástroj, vycházející z výpočtového modelování fyzikálních a chemických dějů, který je doplněn vhodnými matematickými postupy. Výsledný software je schopen stanovit ztrátový výkon sady pístních kroužků pomocí účinků klíčových mechanismů a jejich vzájemné interakce při standardním provozu pístních kroužků. Simulační výstupy byly navrženy v souladu se zájmy průmyslové praxe, např. určení objemového toku plynů pístní skupinou, ztrátové výkony vlivem tření a spotřeba oleje, která je ovlivněna sadou pístních kroužků. Při vývoji simulačního modelu byly technické experimenty vykonány na tříválcovém zážehovém motoru za účelem získání vstupních dat a ověření výsledků. Možnosti navrženého simulačního nástroje jsou na tomto motoru dále demonstrovány v podobě parametrických studií, využitelných zejména při návrhovém procesu. Cílem dizertační práce bylo zaplnit mezeru ve výzkumné oblasti simulačních nástrojů, které mohou účinně propojit výpočtové modelování třecích ztrát a současně i spotřeby oleje, a podpořit tak výrobce pístních kroužků a vývojová oddělení spalovacích motorů.

<div> In recent decades as environmental concerns and the cost and availability of fossil fuels have become more pressing issues, the need to extract more work from each drop of fuel has increased accordingly. Electrification has been identified as a way to address these issues in vehicles powered by internal combustion engines, as it allows existing engines to be operated more efficiently, reducing overall fuel consumption. Two applications of electrification are discussed in the work presented: a series-electric hybrid powertrain from an on-road class 8 truck, and an electrically supercharged diesel engine for use in the series hybrid power system of a wheel loader.</div><div> </div><div> The first application is an experimental powertrain developed by a small start-up company for use in highway trucks. The work presented in this thesis shows test results from routes along (1) Interstate 75 between Florence, KY, and Lexington, KY, and (2) Interstates 74 and 70 east of Indianapolis, during which tests the startup collected power flow data from the vehicle's motor, generator, and battery, and three-dimensional position data from a GPS system. Based on these data, it was determined that the engine-driven generator provided an average of 15% more propulsive energy than required due to electrical losses in the drivetrain. Some of these losses occured in the power electronics, which are shown to be 82% - 92% efficient depending on power flow direction, but the battery showed significant signs of wear, accounting for the remainder of these electrical losses. Overall, most of the system's fuel savings came from its regenerative braking capability, which recaptured between 3% and 12% of the total drive energy output. Routes with significant grade changes maximize this energy recapture percentage, but it is shown minimizing drag and rolling resistance with a more modern truck and trailer could further increase this energy capture to between 8% and 18%.</div><div> </div><div> In the second application, an electrified air handling system is added to a 4.5L engine, allowing it to replace the 6.8L engine in John Deere's 644K hybrid wheel loader. Most of the fuel savings arise from downsizing the engine, so in this case an electrically driven supercharger (eBooster) allows the engine to meet the peak torque requirements of the larger, original engine. In this thesis, a control-oriented nonlinear state space model of the modified 4.5L engine is presented and linearized for use in designing a robust, multi-input multi-output (MIMO) controller which commands the engine's fueling rate, eBooster, eBooster bypass valve, exhaust gas recirculation (EGR) valve, and exhaust throttle. This integrated control strategy will ultimately allow superior tracking of engine speed, EGR fraction, and air-fuel ratio (AFR) targets, but these performance gains over independent single-input single-output control loops for each component demand linear models that accurately represent the engine's gas exchange dynamics. To address this, a physics-based model is presented and linearized to simulate pressures, temperatures, and shaft speeds based on sub-models for exhaust temperature, cylinder charge flow, valve flow, compressor flow, turbine flow, compressor power, and turbine power. The nonlinear model matches the truth reference engine model over the 1200 rpm - 2000 rpm and 100 Nm - 500 Nm speed and torque envelope of interest within 10% in steady state and 20% in transient conditions. Two linear models represent the full engine's dynamics over this speed and torque range, and these models match the truth reference model within 20% in the middle of the operating envelope. However, specifically at (1) low load for any speed and (2) high load at high speed, the linear models diverge from the nonlinear and truth reference models due to nonlinear engine dynamics lost in linearization. Nevertheless, these discrepancies at the edges of the engine's operating envelope are acceptable for control design, and if greater accuracy is needed, additional linear models can be generated to capture the engine's dynamics in this region.</div>

[EN] The potential of diesel engines in terms of robustness, efficiency and energy density has made them widely used as power generators and propulsion systems. Specifically, fuel atomization, vaporization and air-fuel mixing, have a fundamental effect on the combustion process, and consequently, a direct impact on pollutant formation, fuel consumption and noise emission. Since the combustion chamber has a limited space respect to the spray penetration, wall impingement is considered to be a common event in direct injection diesel engines, having a relevant influence in the spray evolution and its interaction with both surrounding air and solid walls. This makes of spray-wall interaction an important factor for the combustion process that is still hardly understood. At cold-start conditions, the low in-chamber pressures and temperatures promote the deposition of fuel in the piston wall, which leads to a boost in the formation of unburned hydrocarbons. Additionally, modern design trends such as the increment of rail pressures in injection systems and the progressive reduction of the engine displacement, favor the emergence of spray collision onto the walls. In spite of the evident relevance of the comprehension of this phenomenon and the efforts of engine researchers to reach it, the transient nature of injection process, its small time scales and the complexity of the physical phenomena that take place in the vicinity of the wall, make challenging the direct observation of this spray-wall interaction. Even though computational tools have proven to be priceless in this field of study, the need for reliable experimental data for the development of those predictive models is present. This thesis is aimed to shed light on the fundamental characteristics of spray-wall interaction (SWI) at diesel-like chamber conditions. A flat wall was set at different impingement distances and angles respect to the spray. In this way, two different kinds of experimental investigations on colliding sprays were carried out: A transparent quartz wall was employed into the chamber to, in isolation, analyze the macroscopic characteristics of the spray at both evaporative inert and reactive conditions, which have been observed laterally and through the wall, thanks to the use of a high-pressure and high-temperature vessel with optical accesses. This same test rig was used in the second kind of experiments, where instead of the quartz plate, a stainless steel wall was used to capture the effect of the operating conditions on the heat flux between the wall and the spray during the injection-combustion events and to determine how spray and flame evolution are affected by realistic heat transfer situations. This wall was instrumented to control its initial in-chamber surface temperature and to measure its variation with time by using high-speed thermocouples. Tests at free-jet conditions were also performed in order to provide a solid comparative base for those experiments. / [ES] El potencial de los motores diesel en términos de robustez, eficiencia y la densidad de energía los ha hecho ser ampliamente usados como generadores de energía y sistemas propulsivos. Específicamente, la atomización de combustible, vaporización y mezcla de aire y combustible tienen un efecto fundamental en el proceso de combustión y, en consecuencia, un impacto directo en la formación de emisiones contaminantes, consumo de combustible y generación de ruido. Dado que la cámara de combustión tiene un espacio limitado con respecto la capacidad de penetración del chorro, el impacto de la pared se considera bastante común en motores de inyección directa diésel, que tienen una influencia relevante en la evolución del chorro y su interacción con el aire circundante y las paredes sólidas. Esto hace de interacción chorro-pared, un factor importante para el proceso de combustión que aún es dificilmente comprendido. En condiciones de arranque en frío, las bajas presiones y temperaturas en la cámara promueven la deposición de combustible en la pared del pistón, lo que conduce a un aumento en los niveles de formación de hidrocarburos no quemados. Además, las tendencias modernas de diseño como el incremento de las presiones de rail en los sistemas de inyección y la progresiva reducción en la cilindrada de los motores, favorecen la aparición de colisiones entre chorro y pared. A pesar de la evidente importancia en la comprensión de este fenómeno y los esfuerzos de los investigadores para alcanzarla, la transitoria naturaleza del proceso de inyección, sus pequeñas escalas de temporales y la complejidad de los fenómenos físicos que tienen lugar en las proximidades de la pared, hacen que la observación directa de esta interacción chorro-pared sea un desafío. Aunque las herramientas computacionales han demostrado ser invaluables en este campo de estudio, la necesidad de datos experimentales confiables para el desarrollo de esos modelos predictivos está muy presente. Esta tesis tiene como objetivo arrojar luz sobre las características fundamentales de la interacción chorro-pared (SWI por sus siglas en inglés) en condiciones de cámara similares a las de un motor diesel. Se colocó una pared plana a diferentes distancias de impacto y ángulos con respecto al jet. De esta manera, dos tipos diferentes de investigaciones experimentales sobre chorros en colisión se llevaron a cabo: se empleó una pared de cuarzo transparente en la cámara para, de forma aislada, analizar las características macroscópicas del chorro en condiciones evaporativas inertes y reactivas, que pueden observarse lateralmente y a través de la pared, gracias al uso de una instalación de alta presión y alta temperatura ópticamente accesible. Esta misma instalación se utilizó en el segundo tipo de experimentos en los que se introdujo una pared de acero inoxidable para capturar adicionalmente el efecto de las condiciones de operación en el flujo de calor entre ésta y el chorro durante los eventos de inyección y combustión y para determinar cómo la evolución del chorro y la llama son afectadas por una situación realista de transferencia de calor. Esta pared fue instrumentada para controlar la temperatura inicial de su superficie expuesta a la cámara y medir su variación con el tiempo, utilizando termopares de alta velocidad. Ensayos en condiciones de chorro libre también se realizaron para proporcionar una base comparativa sólida para esos experimentos. / [CA] El potencial dels motors dièsel en termes de robustesa, eficiència i la densitat d'energia els ha fet ser àmpliament usats com a generadors d'energia i sistemes propulsius. Específicament, l'atomització de combustible, vaporització i barreja d'aire i combustible tenen un efecte fonamental en el procés de combustió i, en conseqüència, un impacte directe en la formació d'emissions contaminants, consum de combustible i generació de soroll. Atès que la cambra de combustió té un espai limitat pel que fa la capacitat de penetració de l'raig, l'impacte de la paret es considera bastant comú en motors d'injecció directa dièsel, que tenen una influència rellevant en l'evolució del doll i la seva interacció amb el aire circumdant i les parets sòlides. Això fa d'interacció doll-paret, un factor important per al procés de combustió que encara és difícilment comprès. En condicions d'arrencada en fred, les baixes pressions i temperatures a la cambra promouen la deposició de combustible a la paret del pistó, el que condueix a un augment en els nivells de formació d'hidrocarburs no cremats. A més, les tendències modernes de disseny com l'increment de les pressions de rail en els sistemes d'injecció i la progressiva reducció en la cilindrada dels motors, afavoreixen l'aparició de col·lisions entre el doll i la paret. Tot i l'evident importància en la comprensió d'aquest fenomen i els esforços dels investigadors per aconseguir-la, la transitòria naturalesa de l'procés d'injecció, les seves petites escales de temporals i la complexitat dels fenòmens físics que tenen lloc en les proximitats de la paret , fan que l'observació directa d'aquesta interacció doll-paret siga un desafiament. Tot i que les eines computacionals han demostrat ser invaluables en aquest camp d'estudi, la necessitat de dades experimentals fiables per al desenvolupament d'aquests models predictius està molt present. Aquesta tesi té com a objectiu donar llum sobre les característiques fonamentals de la interacció doll-paret (SWI per les seues sigles en anglès) en condicions de cambra similars a les d'un motor dièsel. Es va col·locar una paret plana a diferents distàncies d'impacte i angles pel que fa al jet. D'aquesta manera, dos tipus diferents d'investigacions experimentals sobre dolls en col·lisió es van dur a terme: es va emprar una paret de quars transparent a la cambra per, de forma aïllada, analitzar les característiques macroscòpiques del doll en condicions evaporació inerts i reactives, que poden observar lateralment i a través de la paret, gràcies a l'ús d'una instal·lació d'alta pressió i alta temperatura òpticament accessible. Aquesta mateixa instal·lació es va utilitzar en el segon tipus d'experiments en els quals es va introduir una paret d'acer inoxidable per capturar addicionalment l'efecte de les condicions d'operació en el flux de calor entre aquesta i el dull durant els esdeveniments d'injecció i combustió i per determinar com l'evolució del doll i la flama són afectades per una situació realista de transferència de calor. Aquesta paret va ser instrumentada per controlar la temperatura inicial de la seua superfície exposada a la càmera i mesurar la seua variació amb el temps, utilitzant termoparells d'alta velocitat. Assajos en condicions de doll lliure també es van realitzar per proporcionar una base comparativa sòlida per a aquests experiments. / Peraza Ávila, JE. (2020). Experimental study of the diesel spray behavior during the jet-wall interaction at high pressure and high temperature conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/149389

[ES] Este trabajo está centrado en analizar el flujo y la eficiencia de turbinas de doble entrada, así como desarrollar modelos de capacidad de flujo y eficiencia que sean capaces de predecir su comportamiento en condiciones de admisión desiguales. Dichas condiciones son las más comunes en funcionamiento real, por lo que deben ser evaluadas adecuadamente. Se ha realizado un análisis profundo de los patrones de flujo y las principales fuentes de pérdidas mediante simulaciones CFD y campañas experimentales, identificando y cuantificando los fenómenos más importantes en distintas condiciones de admisión. El análisis CFD y la campaña experimental con la técnica LDA han mostrado que el flujo de cada rama no se mezcla completamente con el otro dentro del rotor. Esto significa que las turbinas de doble entrada podrían estudiarse como dos turbinas de entrada simple trabajando en paralelo en modelos unidimensionales. Además, las áreas de entrada y salida del rotor correspondientes a cada rama dependen linealmente de la relación de gastos másicos (MFR). Los principales fenómenos de pérdidas han sido identificados. Fenómenos ya conocidos como las pérdidas por fricción en las volutas, interespacio y rotor, las pérdidas por incidencia o las pérdidas en punta de álabe se han cuantificado. Sin embargo, se han encontrado fuentes de pérdidas adicionales que ayudan a explicar el comportamiento en condiciones de admisión desiguales. Se ha encontrado una expansión brusca aguas abajo de la unión de las volutas que produce pérdidas en la rama con más presión. Aunque el flujo de cada rama no se mezcla completamente dentro del rotor, hay un intercambio de momento entre ramas producido en la región de contacto entre ramas. La rama con mayor momento transmite parte de este a la rama con menor momento. Este fenómeno produce pérdidas en la rama con mayor momento en el interespacio y el rotor, pero también produce ganancias en la rama con menor momento. Este intercambio de momento es un fenómeno esencial para entender correctamente el funcionamiento de las turbinas de doble entrada en condiciones de admisión desiguales. Finalmente, como la mezcla completa de los flujos de cada rama se produce en la región de salida, es aquí donde se computan las pérdidas por mezcla. Toda esta información se ha usado para desarrollar modelos de área efectiva y eficiencia. El modelo de área efectiva se utiliza para extrapolar en el mapa de capacidad flujo. Este modelo se ha validado con medidas experimentales. Su capacidad de extrapolación hacia otros MFR se ha demostrado fidedigna, obteniendo un error menor del 3% en cada rama cuando solo se proporcionan al modelo los mapas de condiciones de admisión completa y parcial. El modelo de eficiencia se utiliza para extrapolar en el mapa de eficiencia. Este modelo también se ha validado con medidas experimentales. Su capacidad de extrapolación hacia otros valores de MFR también se ha demostrado fidedigna, obteniendo un error combinado de las dos ramas menor del 7%. Además, las predicciones que ofrece se han comparado con modelos empíricos y comerciales, obteniendo predicciones más precisas en condiciones de admisión desiguales. Como estas condiciones son las más comunes en funcionamiento real, el comportamiento estará mejor predicho la mayor parte del tiempo de operación. Esta mejora en las predicciones de las prestaciones puede ayudar a trabajar en condiciones de operación óptimas, lo que puede significar una eficiencia del motor de combustión interna mayor y su correspondiente reducción en consumo de combustible y emisión de gases contaminantes. Adicionalmente, otra turbina de doble entrada con una geometría distinta se ha analizado, encontrado un comportamiento muy similar. Los modelos desarrollados se han aplicado a esta geometría con buenos resultados, corroborando que dichos modelos proporcionan una descripción física razonable del comportamiento de las turbinas de doble entrada bajo condiciones de admisión desiguales. / [CA] El present treball està centrat en analitzar el flux i l'eficiència de turbines de doble entrada, així com desenvolupar models de capacitat de flux i eficiència que siguen capaços de predir el seu comportament en condicions d'admissió desiguals. Aquestes condicions són les més comunes en funcionament real, per la qual cosa s'han d'avaluar adequadament. S'ha realitzat una anàlisi profunda dels patrons de flux i de les principals fonts de pèrdues mitjançant simulacions CFD i campanyes experimentals, identificant i quantificant els fenòmens més importants en distintes condicions d'admissió. L'ànalisi CFD i la campanya experimental amb la tècnica LDA han mostrat que el flux de cada rama no es mescla completament amb l'altre dins del rotor. Açò significa que les turbines de doble entrada podrien estudiar-se com dues turbines d'entrada simple treballant en paral·lel en models unidimensionals. A més, les àrees d'entrada i eixida del rotor corresponents a cada rama depenen linealment de la relació de gastos màssics (MFR). Els principals fenòmens de pèrdues han estat identificats. Fenòmens ja coneguts com les pèrdues per fricció en les volutes, interespai i rotor, les pèrdues per incidència o les pèrdues en punta de pala s'han quantificat. Tanmateix, s'han trobat fonts de pèrdues addicionals que ajuden a explicar el comportament en condicions d'admissió desiguals. S'ha trobat una expansió brusca aigües avall de la unió de les volutes que produeixen pèrdues en la rama amb més pressió. Encara que el flux de cada rama no es mescla completament dins del rotor, hi ha un intercanvi de moment entre rames produit en la regió de contacte entre rames. La rama amb més moment transmet part d'aquest a la rama amb menor moment. Aquest fenomen produeix pèrdues en la rama amb major moment en l'interespai i el rotor, però també produeix guanys en la rama amb menor moment. Aquest intercanvi de moment entre rames es un fenomen essencial per a entendre correctament el funcionament de les turbines radials de doble entrada en condicions d'admissió desiguals. Finalment, com la mescla completa dels fluxos de cada rama es produeix en la regió d'eixida, és en aquesta regió on es computen les pèrdues per mescla. Tota aquesta informació s'ha utilitzat per desenvolupar models d'àrea efectiva i eficiencia. El model d'àrea efectiva s'utilitza per a extrapolar en el mapa de capacitat de flux. Aquest model s'ha validat amb mesures experimentals. La seua capacitat d'extrapolació cap a altres condicions d'admissió s'ha demostrat fidedigna, obtenint un error menor del 3% en cada rama quan sols es proporciona al model els mapes de condicions d'admissió completa i parcial. El model d'eficiència s'utilitza per a extrapolar en el mapa d'eficiència. Aquest model també s'ha validat amb mesures experimentals. La seua capacitat d'extrapolació cap a altres valors d'MFR també s'ha demostrat fidedigna, obtenint un error combinat de les dues rames menor del 7%. A més, les prediccions que ofereixen els nous models basats en pèrdues han estat comparades amb models empírics i comercials, aconseguint prediccions més precises en condicions d'admissió desiguals. Com les condicions d'admissió desiguals són les més comunes en funcionament real, el comportament de les turbines de doble entrada estaran millor predites la major part del temps d'operació. Aquesta millora en les prediccions de les prestacions pot ajudar a treballar en condicions d'operació òptimes la major part del temps, el qual pot significar una major eficiència del motor de combustió interna i la seua corresponent reducció en consum de combustible i emissió de gasos contaminants. Addicionalment, una altra turbina de doble entrada amb una geometria considerablement diferent s'ha analitzat, trobant un comportament molt similar. Els models proporcionen una descripció física raonable del comportament de les turbines de doble entrada baix condicions d'admissió desiguals. / [EN] The current work focuses on the flow capacity and efficiency analysis and modelling of twin-entry radial turbines under unequal admission conditions. These conditions are the most common in real operation, so they must be properly assessed. A thorough analysis of the flow patterns within twin-entry turbines and the main sources of losses have been carried out by means of computational fluid dynamics (CFD) simulations and experimental campaigns, identifying and quantifying the most important phenomena under different admission conditions. The CFD analysis and the laser Doppler anemometry experimental campaign have shown that the flow from each branch does not fully mix within the rotor. It means that twin-entry turbines could be studied as two single-entry turbines working in parallel in one-dimensional models. Moreover, the rotor inlet and outlet areas corresponding to each branch depend linearly on the mass flow ratio (MFR). The main phenomena producing losses in twin-entry turbines have been identified. Well-known sources of losses have been quantified, such as passage losses in volutes, interspace and rotor, incidence losses or tip leakage losses. However, additional sources of losses have been found that explain the behaviour of twin-entry turbines under unequal admission conditions. There is a sudden expansion downstream of the junction of the volutes that produces losses in the branch with higher pressure. Although the flow from each branch does not fully mix within the rotor, there is a momentum exchange between branches produced in the contact region between branches. The branch with higher momentum transmits some of it to the branch with lower momentum. This phenomenon produces losses in the branch with higher momentum within the interspace and the rotor, but it also produces gains in the branch with lower momentum. This momentum exchange between branches is an essential phenomenon to properly understand the behaviour of twin-entry turbines under unequal admission conditions. Finally, since the full mixing of both flows is produced in the outlet region, the mixing losses are only computed in the outlet region. The flow behaviour information extracted from the CFD simulations and experimental campaigns has been used to develop effective area and efficiency models. The effective area model is used to extrapolate the flow capacity map. The model has been validated with experimental data. Its capability of extrapolating towards other MFR values has been proven, obtaining an error lower than 3% in each branch when only partial and full admission maps are provided to feed the model. The efficiency model is used to extrapolate the efficiency map. This model has also been validated with experimental data. Its capability of extrapolating towards other MFR values is also reliable, obtaining a combined error between both branches lower than 7%. Moreover, the predictions of this loss-based efficiency model have been compared to empirical and commercial models, obtaining more accurate predictions under unequal admission conditions. Since unequal admission conditions are the most common in real operation, the performance of twin-entry turbines could be better predicted most of the time. This improvement in the performance prediction could help to work in optimum operational points most of the time, which could lead to higher internal combustion engine efficiency and a reduction in fuel consumption and pollutant emissions. Additionally, a twin-entry turbine with a considerably different geometry has been analysed, finding the same flow behaviour. The models developed have been applied to this geometry, giving good results. These results corroborate that these models provide a reasonable physical description of the behaviour of the twin-entry turbines under unequal admission conditions. / The author would like to acknowledge the financial support received through contract FPU17/02803 of the Programa de Formación de Profesorado Universitario of Spanish Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades. / Medina Tomás, N. (2022). Flow Capacity and Efficiency Modelling of Twin-Entry Radial Turbines under Unequal Admission Conditions through CFD Analysis and Experiments [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/185820

Resumen Los sistemas de inyección directa han sido uno de los principales puntos focales de la investigación en motores, particularmente en sistemas Diésel, donde la geometría interna, movimiento de aguja y comportamiento del flujo afectan el spray externo y por tanto determinan completamente el proceso de combustión dentro del motor. Debido a regulaciones medioambientales y al potencial de los (más ineficientes) motores "Otto", grandes esfuerzos se están aportando en investigación sobre sistemas de inyección directa de gasolina. Los motores GDi tienen el potencial de incrementar sustancialmente la economía de combustible y cumplir con las regulaciones de gases contaminantes y de efecto invernadero, aunque aún existen muchos desafíos por delante. Esta tesis estudia en detalle una moderna tobera GDi que fue específicamente diseñada para el grupo de investigación conocido como Engine Combustion Network (ECN). Con metodologías punteras, este inyector ha sido usado en un amplio abanico de instalaciones experimentales para caracterizar el flujo interno y varias características clave de geometría y funcionamiento, y aplicarlo para evaluar cómo se relaciona con los efectos observados del comportamiento del chorro externo. Para la caracterización interna del flujo, el objetivo ha sido determinar la geometría de la tobera y el desplazamiento de aguja, caracterizar la tasa de inyección y el flujo de cantidad de movimiento, y evaluar el flujo cercano. Algunas metodologías nunca antes habían sido empleadas en inyectores GDi, y muchas otras lo han sido solo eventualmente. Para la geometría interna, el levantamiento de aguja y el flujo cercano, varias técnicas avanzadas con rayos-x fueron aplicadas en las instalaciones de Argonne National Laboratory. Para la tasa de inyección y flujo de cantidad de movimiento, las técnicas disponibles en el departamento han sido adaptadas desde Diésel y aplicadas en inyectores GDi multiorificio. Dado lo novedoso de las técnicas aplicadas, las particularidades de las metodologías han sido discutidas en detalle en el documento. Aún con la elevada turbulencia del flujo interno, el inyector se comporta de forma consistente inyección a inyección, incluso cuando el estudio se centra en la variabilidad orificio a orificio. Esto ha sido atribuido al comportamiento repetitivo de la aguja, evaluado en los experimentos. También fue observado que el flujo estabilizado tiene una variación de alta frecuencia que no pude ser explicado por el movimiento de la aguja, sino por el particular diseño de las toberas. El análisis de geometría interna realizado a ocho toberas nominalmente iguales resultó en la obtención de un punto vista único en la construcción de toberas y la variabilidad de dimensiones clave. Las medidas de tasa de inyección permitieron estudiar la respuesta hidráulica del inyector a varias variables como la presión de inyección, presión de descarga, temperatura de combustible y la duración de la señal de comando. Estas medidas fueron combinadas con medidas de flujo de cantidad de movimiento para estudiar el bajo valor del coeficiente de descarga, el cual fue atribuido al bajo levantamiento de aguja y coeficiente L/D de los orificios. Por otro lado, el estudio del spray externo resultó en la identificación de un importante fenómeno específico a este particular hardware, el colapso del spray. Las extensivas campañas experimentales, utilizando Schlieren e iluminación trasera difusa (DBI) permitieron identificar y describir las características macroscópicas del spray y las condiciones bajo las que el colapso ocurre. El colapso del spray se forma por una combinación de interacción de las diferentes plumas (causado por el flujo interno) y determinadas condiciones ambiente que promueven evaporación y entrada de aire. Fue determinado que a niveles de densidad y temperatura moderados se desarrolla el colapso, modificando completamente el comportamiento espera / Abstract Fuel injection systems have been one of the main focal points of engine research, particularly in Diesel engines, where the internal geometry, needle lift and flow behavior are known to affect the external spray an in turn completely determine the combustion process inside engines. Because of environmental regulation and the potential development of the more inefficient Otto engines, a lot of research efforts are currently focused into gasoline direct injection systems. GDi engines have the potential to greatly increase fuel economy and comply with pollutant and greenhouse gases emissions limits, although many challenges still remain. The current thesis studies in detail a modern type of GDi nozzle that was specifically developed for the international research group known as the Engine Combustion Network (ECN). With the objective of employing state-of-the-art techniques, this hardware has been used in a wide range of experimental facilities in order to characterize the internal flow and several geometrical and constructive aspects like needle lift; and assess how it relates to the effects seen external spray. For the internal flow characterization, the goal was to determine the nozzle geometry and needle displacement, to characterize the rate of injection and rate of momentum, and evaluate the near-nozzle flow. Some methodologies applied here have never been applied to a GDi injector before, and many have only been applied rarely. For the internal geometry, needle lift and near-nozzle flow, several advanced x-rays techniques were used at Argonne National Laboratory. For the rate of injection and rate of momentum measurements, the techniques available in CMT-Motores Térmicos have been adapted from Diesel spray research and brought to multi-hole GDi injectors. Given the novelty of the techniques used, the particular methodologies and setups are discussed in detail. Despite the high turbulence of the flow, it was seen that the injector behaves consistently injection to injection, even when studying variation in individual holes. This is attributed to the repetitive behavior of the needle that was observed in the experiments. It was also observed that the stabilized flow has a high frequency variability that could not be explained by random movement of the needle, but rather by the particular design of the nozzle. The geometrical analysis done to eight, nominally equal nozzles, allowed a unique view into the construction of the nozzle and provided insights about the variability of key dimensions. The rate of injection measurements allowed to study the hydraulic response of the injector to the main variables like rail pressure, discharge pressure, fuel temperature and command signal duration. These measurements were combined with the rate of momentum measurements to study the low value of the discharge coefficient, that ultimately was attributed to the low needle lift and low L/D ratio of the orifices. On the other hand, the study of the external spray yielded the identification of very important phenomena specific to this particular hardware, the spray collapse. The extensive experimental campaigns featuring shadowgraph (Schlieren) and Diffused Back Illumination (DBI) visualization techniques allowed identifying and describing the macroscopic characteristics of the spray and the conditions under which the collapse occurs. The spray collapse engenders from a combination of the internal flow that creates plume interaction, and ambient conditions that promote air entrainment and evaporation. At moderate density and temperature levels the collapse develops, completely modifying the expected trends in the behavior of the plumes. / Resum Els sistemes d'injecció directa han sigut un dels principals punts focals de la investigació en motors, particularment en sistemes dièsel, en què la geometria interna, el moviment de l'agulla i el comportament del flux afecten l'esprai extern i per tant determinen completament el procés de combustió dins del motor. Degut a regulacions mediambientals i al potencial dels (més ineficients) motors "Otto", grans esforços s'estan aportant en investigació sobre sistemes d'injecció directa de gasolina. Els motors GDi tenen el potencial d'incrementar substancialment l'economia del combustible i complir les regulacions de gasos contaminants i d'efecte hivernacle, encara que existeixen molts desafiaments per davant. Esta tesi estudia en detall una moderna tovera GDi que va ser especialment dissenyada per al grup d'investigació conegut com a ECN. Amb l'objectiu de desenvolupar metodologies punteres, este injector ha sigut usat en un ampli ventall d'instal·lacions experimentals per tal de caracteritzar el flux intern i diverses característiques clau de la seua geometria i funcionament, per tal d'avaluar com es relacionen amb els efectes observats del comportament de l'esprai extern. Per a la caracterització interna del flux, l'objectiu ha sigut determinar la geometria de la tovera i el desplaçament de l'agulla, caracteritzar la taxa d'injecció i el flux de quantitat de moviment, i avaluar el flux proper. Algunes metodologies no s'havien empleat abans en injectors GDi, i moltes altres ho han sigut únicament de manera eventual. Per a la geometria interna, l'alçament de l'agulla i el flux proper, s'han aplicat diverses tècniques avançades amb raigsx a les instal·lacions d'Argonne National Laboratory. Per a la taxa d'injecció i el flux de quantitat de moviment, les tècniques disponibles al departament han sigut adaptades des de Dièsel i aplicades a injectors GDi multi-orifici. Considerant la novetat de les tècniques aplicades, les particularitats de les metodologies es discuteixen en detall al document. A pesar de l'elevada turbulència del flux intern, l'injector es comporta de manera consistent injecció a injecció, inclús quan l'estudi se centra en la variabilitat orifici a orifici. Aquest fet s'ha atribuït al comportament repetitiu de l'agulla, avaluat als experiments. També es va observar que el flux estabilitzat té una variació d'altra freqüència que no pot ser explicat pel moviment de l'agulla, sinó pel particular disseny de les toveres. L'anàlisi de la geometria interna realitzat a vuit toveres nominalment iguals va permetre obtenir un punt de vista únic en la construcció de toveres i la variabilitat de dimensions clau. Les mesures de taxa d'injecció van permetre estudiar la resposta hidràulica de l'injector a diverses variables com la pressió d'injecció, la pressió de descàrrega, la temperatura del combustible i la duració de la senyal de comandament. Estes mesures van ser combinades amb mesures de flux de quantitat de moviment per tal d'estudiar el baix valor del coeficient de descàrrega, el qual va ser atribuït al baix alçament de l'agulla i al coeficient L/D dels orificis. D'altra banda, l'estudi de l'esprai extern va permetre identificar un important fenomen específic d'aquest hardware particular: el col·lapse de l'esprai. Les extensives campanyes experimentals, utilitzant Schlieren i il·luminació darrera difusa (DBI) van permetre identificar i descriure les característiques macroscòpiques de l'esprai i les condicions sota les quals el col·lapse té lloc. El col·lapse de l'esprai es forma per una combinació d'interacció de les diverses plomes (causat pel flux intern) i determinades condicions ambient que promouen evaporació i entrada d'aire. Es va determinar a quins nivells de densitat i temperatura moderats es desenvolupa el col·lapse, modificant completament el comportament esperat de l'esprai. / Vaquerizo Sánchez, D. (2018). Study on Advanced Spray-Guided Gasoline Direct Injection Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/99568

The urgent need to reduce green house gas emissions from the transport sector, particularly from heavy-duty trucks, has underscored the importance of developing more efficient internal combustion engines. Using computational fluid dynamics (CFD), this work investigated the impact of valve seat geometry on in-cylinder swirl, addressing a gap in research. Additionally, the suitability of steady-state simulations for providing valid qualitative data on port flow was assessed. To answer both research questions, two approaches were followed: steady-state port flow RANS simulations, and transient RANS simulations in a running engine setup. The results from the steady-state simulations highlighted the limitations of this approach to qualitatively predict swirl, as this quantity is highly dependent on the mesh. Despite these limitations, the steady-state simulations were still able to capture the trade-off between swirl and discharge coefficient, outlined in the literature. Transient simulations revealed that in-cylinder swirl is affected by the geometry of the valve seats. It was found that valve seats that direct the flow towards the liner, while avoiding strong flow separation tend to promote higher swirl, whereas valve seats that induce strong flow separation lead to lower swirl ratios. Despite the trade-off between swirl and volumetric efficiency, the volumetric efficiency losses were found to be practically negligible. The study emphasizes the need for a more comprehensive set of simulations, including more valve lifts and pressure ratios. Given the unsuitability of the steady-state simulations to predict swirl trends, future investigations should focus on replacing this approach by transient simulations with steady-state geometry and boundary conditions, properly addressing flow time-dependency at relatively low computational cost, and facilitating validation with experimental data.