Die Entwicklung schwerer Nutzfahrzeugmotoren unterliegt dem Zielkonflikt zwischen möglichst geringen Betriebskosten, hoher Leistung und der Einhaltung von Emissionsvorschriften. Bezüglich der Auslegung der Verdichterstufe des Abgasturboladers resultiert dies in einem Kompromiss zwischen Kennfeldbreite und den Wirkungsgraden im Nennpunkt sowie im Hauptfahrbereich. In der vorliegenden wissenschaftlichen Publikation wird untersucht, ob mit Hilfe einer geometrischen Verstellbarkeit des Verdichters eine bessere Lösung für das anspruchsvolle Anforderungsprofil gefunden werden kann. Das Ziel ist eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs eines 12,8l NFZ-Dieselmotors im schweren Fernverkehr, ohne dass hierbei Abstriche bezüglich weiterer Leistungsmerkmale der Verdichterstufe in Kauf genommen werden müssen. In einem ersten Schritt wird hierzu mit Hilfe der Auswertung von Lastkollektivdaten der für den Kraftstoffverbrauch relevante Betriebsbereich der Basis-Verdichterstufe identifiziert. Dieser befindet sich bei vergleichsweise geringen Massenströmen und hohen Totaldruckverhältnissen in der Nähe der Volllast-Schlucklinie im Verdichterkennfeld. Die Auswertung von ein- und dreidimensionalen Strömungssimulationen führt zur Erkenntnis, dass die hohen Tangentialgeschwindigkeiten im unbeschaufelten Diffusor ausschlagge- bend sind für die Strömungsverluste innerhalb der Verdichterstufe im Hauptfahrbereich. Eine Möglichkeit die Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung zu reduzieren, ist die Verwendung eines beschaufelten Diffusors. Zur Überprüfung des Potentials werden im Rahmen einer Parameterstudie 47 unterschiedliche Nachleitgitter im Diffusor der Basis-Verdichterstufe am Heißgasprüfstand untersucht. Es stellt sich heraus, dass durch den Einsatz einer Nachleitbeschaufelung der Verdichterwirkungsgrad um bis zu 8 Prozentpunkte verbessert werden kann, die Kennfeldbreite jedoch nicht ausreicht, um die motorischen Anforderungen bezüglich der Pumpstabilität oder der Bremsleistung zu erfüllen. Resultierend aus diesen Erkenntnissen werden drei variable Verdichter entwickelt, mit dem Ziel, den Wirkungsgradvorteil beschaufelter Diffusoren mittels einer geometrischen Verstellbarkeit für den schweren Nutzfahrzeugmotor nutzbar zu machen. Die Bewertung hinsichtlich der Ziele und Anforderungen erfolgt anhand von Versuchen am Heißgas- sowie Vollmotorenprüfstand. Die Variabilität mit der geringsten Komplexität ist die Kombination aus starrem Nachleitgitter und Schubumluftventil. Das System zeichnet sich dadurch aus, dass Strömungsabrisse im Bereich des Nachleitgitters durch Aktivieren des Schubumluftventils und somit Öffnen eines Rezirkulationskanals im Verdichtergehäuse in pumpkritischen Situationen vermieden werden können. Der Verzicht auf bewegliche Teile im Diffusor resultiert in der höchsten Reduktion des Kraftstoffverbrauchs um 0,6 − 1,4% im Hauptfahrbereich. Der Doppeldiffusor besitzt zwei separate Strömungskanäle unterschiedlicher Geometrie, die im Betrieb durch eine axiale Verschiebung mit Druckluft aktiviert werden können. Dieses völlig neuartige Konzept ermöglicht es, die Auslegungsziele auf zwei Diffusoren aufzuteilen und somit für jede Kennfeldhälfte die jeweils optimale Schaufelgeometrie auszuwählen. Mit dieser Variabilität kann die Einspritzmenge im Hauptfahrbereich um 0,5 − 0,8 Prozent gesenkt werden. Das System mit der höchsten Komplexität ist der Verdichter mit rotierbarer Nachleitbeschaufelung. Über einen elektronischen Steller können die Anstellwinkel und Halsquerschnitte in jedem Betriebspunkt den Anströmbedingungen angepasst werden, um den jeweils bestmöglichen Wirkungsgrad zu erhalten. Aufgrund der anspruchsvollen geometrischen Zwangsbedingungen bei der Auswahl der Schaufelgeometrie besitzt der Dreh- schaufler mit 0,3−0,6% das geringste Potential zur Verbesserung der Kraftstoffsparsamkeit, erzielt jedoch das beste Ergebnis bezüglich der Bremsleistung und der Pumpstabilität.:1 Einleitung 1.1 Einführung 1.2 Stand der Technik 1.3 Zielsetzung 2 Grundlagen 2.1 Der schwere Nutzfahrzeugmotor 2.1.1 Aufbau 2.1.2 Kenngrößen 2.1.3 Motorbremse 2.2 Der Turbolader-Radialverdichter 2.2.1 Systembeschreibung 2.2.2 Definition von Kenngrößen 2.2.3 ThermodynamischeBeschreibung 2.3 Thermodynamik des Aufladesystems 2.3.1 Stationäre Lastkurven im Verdichterkennfeld 2.3.2 Grenzwerte im Stationärbetrieb 2.3.3 Transientverhalten 3 Methodik 3.1 Lösungsweg 3.2 Lastkollektivauswertung 3.3 Parametrisiertes Diffusormodell 3.3.1 Geometrischer Aufbau 3.3.2 Auslegungsgrößen 3.3.3 Parameterstudie 3.4 Simulation 3.4.1 1D-Strömungssimulation in Diffusor und Volute 3.4.2 3D-Strömungssimulation der Verdichterstufe 3.4.3 Motorprozesssimulation 3.5 Heißgasprüfstand 3.5.1 Kennfeldvermessung 3.5.2 Aerodynamikmessung 3.5.3 Verkokungsanfälligkeit 3.6 Motorprüfstand 3.6.1 Aufbau 3.6.2 Randbedingungen 3.6.3 Akustikmessung 4 Ergebnisse 4.1 Validierung 4.1.1 Strömungszustand am Verdichterradaustritt 4.1.2 Simulation der Verdichterstufe mit unbeschaufeltem Diffusor 4.1.3 Simulation der Verdichterstufe mit beschaufeltem Diffusor 4.2 Verlustanalyse Basisverdichter 4.2.1 Auswertung der Lastkollektive 4.2.2 Aerodynamische Verlustanalyse 4.2.3 Strömungsmechanik im Diffusor 4.3 Parameterstudie beschaufelter Diffusoren 4.3.1 Einfluss von Nachleitgittern auf das Verdichterkennfeld 4.3.2 Anforderungen des schweren Nutzfahrzeugmotors 4.4 Aerodynamik beschaufelter Diffusoren 4.4.1 Auslegungskriterien 4.5 Verkokung beschaufelter Diffusoren 5 Variable Verdichter 5.1 VRVC - Starres Nachleitgitter mit Schubumluftventil 5.1.1 Auslegung und Konstruktion 5.1.2 Heißgasprüfstand 5.2 VSVC-Doppeldiffusor 5.2.1 Auslegung und Konstruktion 5.2.2 Heißgasprüfstand 5.3 VPVC-RotierbareSchaufeln 5.3.1 Auslegung und Konstruktion 5.3.2 Heißgasprüfstand 5.4 Verhalten variabler Verdichter am schweren NFZ-Motor 5.4.1 Volllast 5.4.2 Lastvariation 5.4.3 DynamischesAnsprechverhalten 5.4.4 Low-End Torque 5.4.5 Dynamische Pumpstabilität 5.4.6 Bremsbetrieb 5.4.7 Ansteuerung 5.4.8 Akustik 5.5 Übersicht 6 Zusammenfassung und Ausblick 7 Anhang Literaturverzeichnis / Reducing the total costs of ownership, achieving the rated engine power and compliance with exhaust-emission legislation are competing goals regarding the development of heavy duty engines. This leads to demanding requirements for the aerodynamic design of the turbocharger compressor stage such as high efficiencies at various operating points and a broad map width. The aim of the present doctoral thesis is to investigate the potential of a compressor with variable geometry in order to obtain a better compromise between efficiency and compressor map width for the purpose of increasing fuel economy without sacrifices concerning the rated power, engine brake performance or surge stability. In a first step, the evaluation of load cycles yields operating points on which the fuel consumption is heavily dependent. Results of 1D- and 3D fluid flow simulations show that the high tangential velocity in the vaneless diffusor is the main cause for the reduction of compressor efficiency in the main driving range. A parameter study containing 47 different geometries is conducted at a hot gas test rig in order to examine the potential of vaned diffusers regarding the reduction of the tangential velocity component. It can be seen that by introducing diffuser vanes compressor efficiency can be increased by up to 8 percent. The narrow map width however prevents the use of a fixed geometry for heavy duty engines. Based on those results three variable geometry compressors are developed with the goal of maintaining the efficiency benefit of vaned diffusers while increasing the map width by adjustable geometric features. The evaluation of the variable compressor systems is based on hot gas and engine test bench measurements. The variable compressor system with the lowest complexity utilizes a recirculation valve in the compressor housing in combination with a fixed geometry vaned diffuser in order to improve the surge margin for a short period of time at a sudden load drop. The abandonment of functional gaps in the diffuser leads to the highest improvement of fuel economy of 0,6 − 1,4% in the main driving range. The compressor with stacked diffuser vanes has two separate flow channels in the diffuser. During engine operation only one vaned diffuser geometry is active. The axial movement is performed via pressure chambers in the compressor and bearing housing. The two diffuser geometries are either optimized for high or low mass flows. This way the fuel consumption in the main driving range can be reduced by 0,5 − 0,8%. The compressor with pivoting vanes in the diffuser has the highest complexity of all systems. With the aid of an electronic actuator the vane inlet angle and throat area can be adjusted to the impeller outlet flow conditions at each operating point. As a consequence the pivoting vanes compressor achieves the best results regarding engine brake performance and surge stability. The fuel economy in the main driving range can be improved by 0,3 − 0,6%. Higher benefits are prevented by demanding geometric constraints in order to ensure the rotatability of the vanes and to prevent vibrations of the impeller blades.:1 Einleitung 1.1 Einführung 1.2 Stand der Technik 1.3 Zielsetzung 2 Grundlagen 2.1 Der schwere Nutzfahrzeugmotor 2.1.1 Aufbau 2.1.2 Kenngrößen 2.1.3 Motorbremse 2.2 Der Turbolader-Radialverdichter 2.2.1 Systembeschreibung 2.2.2 Definition von Kenngrößen 2.2.3 ThermodynamischeBeschreibung 2.3 Thermodynamik des Aufladesystems 2.3.1 Stationäre Lastkurven im Verdichterkennfeld 2.3.2 Grenzwerte im Stationärbetrieb 2.3.3 Transientverhalten 3 Methodik 3.1 Lösungsweg 3.2 Lastkollektivauswertung 3.3 Parametrisiertes Diffusormodell 3.3.1 Geometrischer Aufbau 3.3.2 Auslegungsgrößen 3.3.3 Parameterstudie 3.4 Simulation 3.4.1 1D-Strömungssimulation in Diffusor und Volute 3.4.2 3D-Strömungssimulation der Verdichterstufe 3.4.3 Motorprozesssimulation 3.5 Heißgasprüfstand 3.5.1 Kennfeldvermessung 3.5.2 Aerodynamikmessung 3.5.3 Verkokungsanfälligkeit 3.6 Motorprüfstand 3.6.1 Aufbau 3.6.2 Randbedingungen 3.6.3 Akustikmessung 4 Ergebnisse 4.1 Validierung 4.1.1 Strömungszustand am Verdichterradaustritt 4.1.2 Simulation der Verdichterstufe mit unbeschaufeltem Diffusor 4.1.3 Simulation der Verdichterstufe mit beschaufeltem Diffusor 4.2 Verlustanalyse Basisverdichter 4.2.1 Auswertung der Lastkollektive 4.2.2 Aerodynamische Verlustanalyse 4.2.3 Strömungsmechanik im Diffusor 4.3 Parameterstudie beschaufelter Diffusoren 4.3.1 Einfluss von Nachleitgittern auf das Verdichterkennfeld 4.3.2 Anforderungen des schweren Nutzfahrzeugmotors 4.4 Aerodynamik beschaufelter Diffusoren 4.4.1 Auslegungskriterien 4.5 Verkokung beschaufelter Diffusoren 5 Variable Verdichter 5.1 VRVC - Starres Nachleitgitter mit Schubumluftventil 5.1.1 Auslegung und Konstruktion 5.1.2 Heißgasprüfstand 5.2 VSVC-Doppeldiffusor 5.2.1 Auslegung und Konstruktion 5.2.2 Heißgasprüfstand 5.3 VPVC-RotierbareSchaufeln 5.3.1 Auslegung und Konstruktion 5.3.2 Heißgasprüfstand 5.4 Verhalten variabler Verdichter am schweren NFZ-Motor 5.4.1 Volllast 5.4.2 Lastvariation 5.4.3 DynamischesAnsprechverhalten 5.4.4 Low-End Torque 5.4.5 Dynamische Pumpstabilität 5.4.6 Bremsbetrieb 5.4.7 Ansteuerung 5.4.8 Akustik 5.5 Übersicht 6 Zusammenfassung und Ausblick 7 Anhang Literaturverzeichnis

Die Weiterentwicklung von Verbrennungsmotoren ist geprägt von einer Steigerung der Effizienz, optimaler Betriebslaststeuerung, einer Absenkung des spezifischen Verbrauchs und der Erfüllung geltender Abgasemissionsgesetzgebung. Die Optimierung des Ladungswechsels spielt dabei eine entscheidende Rolle. Eine Möglichkeit den Ladungswechsel optimal zu beeinflussen, ist der Einsatz von variablen Ventiltrieben zur Veränderung der Ventilhubbewegung sowie zur Verstellung der Steuerzeiten. thyssenkrupp Dynamic Components entwickelt und stellt Schiebenockensysteme als diskret schaltbare Ventiltriebsysteme her, welche die verschiedenen Ventilhubanforderungen über unterschiedliche Nockenprofile auf dem Schiebeelement nebeneinander abbilden können. Im Entwicklungs- und Auslegungsprozesses kommt eine Simulation des Bewegungs-, Beschleunigungs- und Abbremsverhaltens sowie der Kraftverläufe beim Verstellvorgang mittels einer Mehrkörpersimulation (MKS) in der Software alaska/ModellerStudio zum Einsatz. In diesem Beitrag wird das MKS-Modell des Schiebelements sowie der Abgleich des Modells mit Versuchen vorgestellt. Es folgt eine Darstellung von Optimierungsmöglichkeiten bereits in der Simulationsumgebung, bei denen die Kontaktnormalkräfte und Beschleunigungen in mehreren Iterationsschleifen auf den gewünschten Anwendungsfall angepasst werden können. Unter Berücksichtigung der Fertigungs- und Lagertoleranzen sowie des Verschleißverhaltens kann das System mit diesem Simulationstool bereits virtuell abgeprüft werden. / The advancement of internal combustion engines is characterized by an increase in efficiency, optimum operating load control, a reduction in specific consumption and compliance with applicable exhaust emission legislation. Optimization of the charge change plays a decisive role in this. One way of optimally influencing the charge change is to use variable valve trains to change the valve lift and adjust the timing. thyssenkrupp Dynamic Components develops and manufactures sliding cam systems as discretely switchable valve train systems that can feature the various valve lift requirements side by side via different cam profiles on the sliding element. A simulation of the motion, acceleration and deceleration behavior as well as the force curves during the sliding process by means of a multi-body simulation (MBS) in the alaska/ModellerStudio is applied in the development and design process. This presentation shows the MBS model of the sliding cam and the comparison of the model with test results. Various optimization options in the simulation environment present, how the contact normal forces and accelerations can be adapted in several iteration loops to the desired application. Taking into account the manufacturing and bearing tolerances as well as the wear behavior, this simulation tool allows to virtually check the sliding cam system.

<p>One of the major challenges in the field of internal combustion engines is keeping up with the advancements in electrification and hybridization. Automakers are striving to design environment – friendly and highly efficient engines to meet stringent emission standards worldwide. Improving engine efficiency and reducing heat losses are critical aspects of this development. Therefore, accurate heat transfer prediction capabilities play a vital role in engine design process. Current methods rely on computationally intensive 3D numerical analyses, there is a growing interest in reliable simplified models. </p> <p>In this study, a 1D diesel engine model featuring predictive combustion was integrated with a detailed finite element thermal primitive based on the 3D meshing feature available in GT Suite. Coolant and oil hydraulic circuits were incorporated in the model. The model proves to be an effective means to assess the impact on heat rejection and engine heat distribution given by an engine calibration and operating conditions. </p> <p>This work also contributes to the advancement of virtual IC engine development methods by focusing on the design and tuning of complex engine system models using GT Power for accurate prediction of engine performance. The current processes in engine simulations are assessed to identify sources of errors and opportunities for improvements. The methods discussed in this work include isolated sub system level calibration and model evolution specifically address the issue of identifying noise factors and issues in smaller parts. Additionally, the study aims on improving the model’s trustworthiness by computing 1st law sanity checks, replicating real-life compressor map calculations and refining GT’s existing global convergence criteria. </p>

Steel production is today one of the most CO2-demanding activities and causes 8% of the global emissions of GHG. It is crucial for the industry to reduce its emissions radically in order to be in line with the goals of the Paris Agreement and the Science-Based Target initiative. Ovako AB, one of the leading producers of high-strength engineering steel, has been at the forefront when it comes to sustainability initiatives within the industry. Heavy investments are being made into sustainable steel production methods and technologies and to make this viable, the company has, from January 1st, 2022, started to put a price premium on their steel products of 30 € per tonne. This study aims to answer the question of how Ovako's customers, based on the three different industries of mining, automotive, and bearing, experience this price premium and how a green steel can justify this surcharge. Furthermore, this case study aims to understand the extent to which those customers require carbon neutrality when sourcing steel. Connected to the findings from the innovation theories and the literature, this study aims to answer the question of how sustainable innovations may influence future competitiveness regarding engineering steel. To answer these questions, interviews with key individuals from different customers of Ovako were conducted. Moreover, focus groups at Ovako with relevant employees have been held at the same time as a literature study has been conducted. Based on the answers obtained from the data collection, a thematic analysis has been performed where overarching themes have been identified. Additionally, a carbon impact calculator has been used to calculate the carbon reduction potential of using a carbon-neutral engineering steel in three different applications connected to the three industries investigated, namely a complete bearing, a drill bit, and a final drive unit. The results from the calculations as well as the answers obtained regarding the research questions will be presented in the conclusion chapter of the report.

[ES] La preocupación mundial por el cambio climático y la calidad del aire se refleja en normativas para la regulación de emisiones en el sector del transporte cada vez más estrictas, situando el desarrollo de sistemas propulsivos sostenibles como el objetivo fundamental. En el caso de los motores de combustión interna, el uso de sistemas de postratamiento de gases de escape, necesario para cumplir con los límites impuestos a las emisiones contaminantes, ha añadido mayor complejidad a la línea de escape. Una correcta comprensión de la respuesta de estos sistemas y su interacción con el motor requiere un profundo conocimiento de los procesos termo-fluidodinámicos y químicos que tienen lugar en los mismos. Su estudio indica que las mayores contribuciones a la reducción de las emisiones consisten en conseguir una activación más rápida de los catalizadores. Sin embargo, por lo general, las estrategias empleadas para alcanzar este fin se traducen en una penalización del consumo de combustible y, por consiguiente, de las emisiones de CO2. En este contexto, el objetivo de esta tesis doctoral es contribuir a la comprensión de los fenómenos presentes en los reactores monolíticos de flujo continuo utilizados en los motores de combustión pobre. En primer lugar, se presenta el desarrollo de una herramienta computacional para el modelado de los reactores estándar, es decir, los monolitos con recubrimiento catalítico monocapa, con un coste computacional bajo que permite responder de manera oportuna a las nuevas condiciones de contorno. El modelo se construyó dentro del entorno de modelo de motor virtual VEMOD, un software de dinámica de gases desarrollado por el I.U.I. CMT-Motores Térmicos para la simulación termo-fluidodinámica de motores de combustión interna y sus componentes. Apoyada sobre experimentos específicos para su calibración y validación en catalizadores de oxidación y de reducción de NOx, la herramienta computacional permite la identificación y el estudio de los parámetros que determinan la eficiencia de conversión de los sistemas de postratamiento. De esta forma, se aplica, con un enfoque de cálculo de valor medio, al análisis, en primer lugar, del impacto de la meso-geometría y el material de catalizadores de oxidación en condiciones dinámicas en función de la forma del canal. También se aborda el estudio de la sensibilidad a la composición de los gases de escape considerando diversas estrategias de combustión comparadas con el diésel convencional, así como el empleo de combustibles alternativos. Por último, se explora experimentalmente la importancia de la ubicación en la línea de escape de un catalizador de oxidación para discutir el efecto sobre las emisiones y el rendimiento del motor de la ubicación pre-turbina, por los beneficios que a nivel térmico tiene esta localización para el postratamiento. Todo ello sirve como fuente de desarrollos tecnológicos y científicos en el área de control de emisiones para el uso y comprensión de la nueva generación de sistemas de postratamiento. / [CA] La preocupació mundial pel canvi climàtic i la qualitat de l'aire es reflecteix en normatives per a la regulació d'emissions en el sector del transport cada vegada més estrictes, situant el desenvolupament de sistemes propulsius sostenibles com l'objectiu fonamental. En el cas dels motors de combustió interna, l'ús de sistemes de posttractament de gasos de fuita, necessari per a complir amb els límits imposats a les emissions contaminants, ha afegit major complexitat a la línia de fuita. Una correcta comprensió de la resposta d'aquests sistemes i la seua interacció amb el motor requereix un profund coneixement dels processos termo-fluidodinámicos i químics que tenen lloc en aquests. El seu estudi indica que les majors contribucions a la reducció de les emissions consisteix a aconseguir una activació més ràpida dels catalitzadors. No obstant això, en general, les estratègies emprades per a aconseguir aquest objectiu es tradueixen en una penalització del consum de combustible i, per consegüent, de les emissions de CO2. En aquest context, l'objectiu d'aquesta tesi doctoral és contribuir a la comprensió dels fenòmens presents en els reactors monolítics de flux continu utilitzats en els motors de combustió pobra. En primer lloc, es presenta el desenvolupament d'una eina computacional per al modelatge dels reactors estàndard, és a dir, els monòlits amb recobriment catalític monocapa, amb un cost computacional baix que permet respondre de manera oportuna a les noves condicions de contorn. El model es va construir dins de l'entorn de model de motor virtual VEMOD, un programari de dinàmica de gasos desenvolupat per l'I.U.I. CMT-Motors Tèrmics per a la simulació termo-fluidodinámica de motors de combustió interna i els seus components. Recolzada sobre experiments específics per al seu calibratge i validació en catalitzadors d'oxidació i de reducció de NOx, l'eina computacional permet la identificació l'estudi dels paràmetres que determinen l'eficiència de conversió dels sistemes de posttractament. D'aquesta manera, s'aplica, amb un enfocament de càlcul de valor mitjà, a l'anàlisi, en primer lloc, de l'impacte de la meso-geometria i el material de catalitzadors d'oxidació en condicions dinàmiques en funció de la forma del canal. També s'aborda l'estudi de la sensibilitat a la composició dels gasos de fuita considerant diverses estratègies de combustió comparades amb el dièsel convencional, així com l'ús de combustibles alternatius. Finalment, s'explora experimentalment la importància de la ubicació en la línia de fuita d'un catalitzador d'oxidació per a discutir l'efecte sobre les emissions i el rendiment del motor de la ubicació pre-turbina, pels beneficis que a nivell tèrmic té aquesta localització per al posttractament. Tot això serveix com a font de desenvolupaments tecnològics i científics en l'àrea de control d'emissions per a l'ús i comprensió de la nova generació de sistemes de posttractament. / [EN] The global concern on climate change and air quality is reflected over increasingly strict emission regulations in the transportation sector, making the development of sustainable propulsion systems the key objective. In the case of internal combustion engines, the use of aftertreatment systems (ATS), necessary to comply with the limits imposed on pollutant emissions, has added further complexity to the exhaust line. A correct comprehension of the response of these systems and their interaction with the engine requires an in-depth knowledge of the thermo-fluid-dynamic and chemical processes taking place inside them. Their study indicates that the major contributions to emission reduction rely on driving the catalysts to a faster light-off. However, in general, the strategies employed to achieve this goal involve a fuel consumption penalty and, consequently, CO2 emissions increase. In this context, the aim of this Ph.D. thesis is to contribute to the understanding of the phenomena present in flow-through catalysts used in lean burn combustion engines. First, the development of a computational tool for modelling the standard devices, i.e. mono-layers washcoat catalysts, is presented, with flexible and low computational cost, enabling timely response to the new boundary conditions. The model was built inside the Virtual Engine Model VEMOD, an open-source gas dynamics software developed by I.U.I. CMT-Motores Térmicos for thermo-fluid-dynamic simulation of internal combustion engines and their components. Supported by specific experiments for its calibration and validation on oxidation and NOx reduction catalysts, the computational tool allows the identification and study of the parameters that determine the conversion efficiency of the ATS. In the first instance it is used to analyze the impact of meso-geometry and oxidation catalyst material under dynamic conditions as a function of the channel shape. The study of the sensitivity to exhaust gas composition is also addressed considering various combustion strategies compared to conventional diesel, as well as the use of alternative fuels. Finally, the importance of the position in the exhaust line of an oxidation catalyst is explored experimentally to discuss the effect on emissions and engine performance of the pre-turbine location, because of the thermal benefits of this location for the aftertreatment. All of this serves as a source of technological and scientific developments in the area of emissions control for the use and comprehension of the new generation of aftertreatment systems. / Ruiz Lucas, MJ. (2023). Modelling and analysis of conversion efficiency in flow-through catalysts for lean-burn combustion engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/194012

[ES] Los estudios realizados en el pasado han demostrado que, a pesar de tener cero emisiones del tubo de escape, un vehículo completamente eléctrico tiene emisiones durante el ciclo de vida. El desarrollo tecnológico a lo largo de los años por parte de la humanidad ha llevado constantemente a un aumento de la dependencia energética. Desafortunadamente, esta energía proviene principalmente de fuentes fósiles. Uno de los principales consumidores de energía de origen fósil es la industria del transporte, que utiliza petróleo y diesel como combustibles. Estos combustibles se queman en motores de combustión interna para producir energía debido a su alto poder calorífico. Dado que estos son combustibles a base de carbono, genera dióxido de carbono durante el proceso, que es un gas de efecto invernadero. Por lo tanto, ha habido un seguimiento y una regulación muy estrictos de los tubos de escape de los automóviles a lo largo de los años. Recientemente, diferentes regiones del mundo han planeado prohibir la venta de vehículos convencionales basados en motores de combustión interna. Por lo tanto, vender solo vehículos con cero emisiones de escape, como vehículos eléctricos de batería y vehículos eléctricos de pila de combustible. Esto se debe principalmente a la intensidad de las emisiones de la combinación de electricidad, para alimentar las baterías y el proceso de fabricación de baterías para vehículos eléctricos de batería. Mientras que los vehículos eléctricos de pila de combustible dependen de la intensidad de emisión de la producción de hidrógeno. Dado que la producción actual de hidrógeno es muy limitada y tiene un alto contenido de carbono, los vehículos eléctricos de batería son los preferidos para reemplazar a los vehículos con motor de combustión interna. Otra razón detrás del impulso de este cambio es la alta eficiencia de los sistemas de propulsión eléctricos. A pesar de eso, es muy difícil para los vehículos eléctricos de batería igualar el rango de conducción de los vehículos con motor de combustión interna debido a la gran diferencia en la densidad de energía de las baterías y los combustibles líquidos. En condiciones reales de conducción, este rango de conducción es aún más reducido, a pesar de tener grandes paquetes de baterías a bordo. Esta es una limitación importante para el uso de vehículos eléctricos de batería, hasta que se desarrolle una infraestructura de carga extensa. Por ello, en esta tesis se evalúa el potencial de reducción de emisiones de los vehículos eléctricos con un enfoque de ciclo de vida para turismos y autobuses. Esto se hace comparando sus emisiones con las de los vehículos diésel convencionales y eléctricos híbridos para ciclos de conducción reales utilizando simulaciones numéricas 0D. Esto se complementa con estudios del costo del ciclo de vida de los diferentes vehículos para ver qué opción de tren motriz puede ser más eficiente. Además, los combustibles sintéticos bajos en carbono también se están evaluando como una solución alternativa para reemplazar el combustible diesel y ver el cambio que puede traer al ciclo de vida de los vehículos con motor de combustión interna. Estas evaluaciones se realizan para diferentes ubicaciones a nivel mundial para observar los factores locales que afectan los resultados. Por lo tanto, este trabajo tiene como objetivo evaluar los resultados del ciclo de vida para los responsables políticos y los fabricantes de automóviles a nivel mundial, tanto de las emisiones como del costo, asociados con cada opción de tren motriz. Como resultado de esta investigación, se observan varios desafíos relacionados con los vehículos eléctricos de batería que deben abordarse antes de su adopción masiva. Por lo tanto, se propone el uso de vehículos híbridos como una solución a corto plazo para abordar la urgencia de reducción de emisiones globales. Lo cual, de hecho, también puede considerarse una solución a largo plazo si funciona con combustibles bajos en carbono. / [CA] Els estudis realitzats en el passat han demostrat que, malgrat tenir zero emissions del tub d'escapament, un vehicle completament elèctric té emissions durant el cicle de vida. El desenvolupament tecnològic al llarg dels anys per part de la humanitat ha portat constantment a un augment de la dependència energètica. Desafortunadament, aquesta energia prové principalment de fonts fòssils. Un dels principals consumidors denergia dorigen fòssil és la indústria del transport, que utilitza petroli i dièsel com a combustibles. Aquests combustibles es cremen en motors de combustió interna per produir energia a causa del seu alt poder calorífic. Atès que són combustibles a base de carboni, genera diòxid de carboni durant el procés, que és un gas d'efecte hivernacle. Per tant, hi ha hagut un seguiment i una regulació molt estrictes dels tubs de fuga dels automòbils al llarg dels anys. Recentment, diverses regions del món han planejat prohibir la venda de vehicles convencionals basats en motors de combustió interna. Per tant, vendre només vehicles amb zero emissions d'escapament, com ara vehicles elèctrics de bateria i vehicles elèctrics de pila de combustible. Això es deu principalment a la intensitat de les emissions de la combinació delectricitat, per alimentar les bateries i el procés de fabricació de bateries per a vehicles elèctrics de bateria. Mentres que els vehicles elèctrics de pila de combustible depenen de la intensitat d'emissió de la producció d'hidrogen. Atès que la producció actual dhidrogen és molt limitada i té un alt contingut de carboni, els vehicles elèctrics de bateria són els preferits per reemplaçar els vehicles amb motor de combustió interna. Una altra raó darrere de l¿impuls d¿aquest canvi és l¿alta eficiència dels sistemes de propulsió elèctrics. Tot i això, és molt difícil per als vehicles elèctrics de bateria igualar el rang de conducció dels vehicles amb motor de combustió interna a causa de la gran diferència en la densitat denergia de les bateries i els combustibles líquids. En condicions reals de conducció, aquest rang de conducció encara és més reduït, tot i tenir grans paquets de bateries a bord. Aquesta és una limitació important per a lús de vehicles elèctrics de bateria, fins que es desenvolupi una infraestructura de càrrega extensa. Per això, en aquesta tesi s"avalua el potencial de reducció d"emissions dels vehicles elèctrics amb un enfocament de cicle de vida per a turismes i autobusos. Això es fa comparant les seves emissions amb les dels vehicles dièsel convencionals i elèctrics híbrids per a cicles de conducció reals utilitzant simulacions numèriques 0D. Això es complementa amb estudis del cost del cicle de vida dels diferents vehicles per veure quina opció de tren motriu pot ser més eficient. A més, els combustibles sintètics baixos en carboni també s'estan avaluant com a solució alternativa per reemplaçar el combustible dièsel i veure el canvi que pot portar al cicle de vida dels vehicles amb motor de combustió interna. Aquestes avaluacions es fan per a diferents ubicacions a nivell mundial per observar els factors locals que afecten els resultats. Per tant, aquest treball té per objectiu avaluar els resultats del cicle de vida per als responsables polítics i els fabricants d'automòbils a nivell mundial, tant de les emissions com del cost, associats amb cada opció de tren motriu. Com a resultat d'aquesta investigació, s'observen diversos desafiaments relacionats amb els vehicles elèctrics de bateria que cal abordar abans de la seva adopció massiva. Per tant, es proposa utilitzar vehicles híbrids com una solució a curt termini per abordar la urgència de reducció d'emissions globals. Això, de fet, també es pot considerar una solució a llarg termini si funciona amb combustibles baixos en carboni. / [EN] Several studies in the past have shown that despite having zero tailpipe emissions in a fully electric vehicle, it does have emissions when evaluated on a life cycle basis. Technology development over the years by humankind has constantly led to an increase in energy dependence. Unfortunately, this energy comes mainly from fossil-based sources that are limited. One major consumer of fossil-based energy sources is the transportation industry, which uses fossil-based petrol and diesel as fuels. These fuels are burned in internal combustion engines to produce energy due to their high calorific value. Since these are carbon-based fuels, it generates carbon dioxide during the combustion process, which is a greenhouse gas and leads to global warming. Therefore, there has been very strict monitoring and regulation of its emissions from the automotive tailpipes over the years. In recent years, different regions across the world have planned to completely stop the sale of conventional internal combustion engine-based vehicles. Thus, selling only zero tailpipe emission vehicles such as battery electric vehicles and fuel cell electric vehicles. This is primarily due to the emission intensity of the electricity mix used to power the batteries and from the battery manufacturing process for battery electric vehicles. At the same time, the fuel cell vehicle depends mainly on the emission intensity of hydrogen production. Since current hydrogen production is very limited and carbon-intensive, battery electric vehicles are highly favoured to replace internal combustion engine vehicles soon. Another reason behind the push for this shift is the high efficiency of electric powertrains. Despite that, it is very challenging for battery electric vehicles to match the driving range of internal combustion engine vehicles due to the large difference in the energy density of batteries and liquid fuels, currently. Further, in real driving conditions, this driving range is even more reduced for electric vehicles, even after having large battery packs on board. This is a major limitation for battery electric vehicles, especially for the ones meant for long haul routes, until an extensive charging infrastructure is developed. Therefore, in this thesis, the emission reduction potential of electric vehicles is evaluated following a life cycle approach for passenger cars and city buses. This is done by comparing their emissions with that of conventional diesel and hybrid electric vehicles for real driving cycles by means of 0D numerical simulations. This is complemented with life cycle cost studies for the different vehicles to see which powertrain option can be efficient in terms of emissions but also cost. Moreover, low-carbon synthetic fuels are also evaluated as an alternative drop-in solution to replace diesel fuel and see the change it can bring on a life cycle basis for hybrid and conventional internal combustion engine vehicles. These evaluations are done for different locations globally to observe the local factors that affect the results of each powertrain option for the two vehicle segments. Thus, this work is intended to evaluate the life cycle results for the policymakers and automobile manufacturers globally, for the emissions as well as the cost associated with each powertrain option. As an outcome of this research, several challenges are observed related to emissions and cost of the battery electric vehicles that need to be addressed before their mass adoption. Hence, the use of hybrid vehicles as a short-term solution to address the global emission reduction urgency is proposed for the road transportation sector. Which, in fact, may also be considered a long-term solution if powered with low-carbon fuels. / Tripathi, S. (2023). Life Cycle Analysis of Different Powertrain Technologies for Decarbonising Road Transportation [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196725

Un modelo de simulación presenta muchas ventajas en el campo del desarrollo de motores de combustión interna alternativos. Su utilidad es doble. Por un lado, para entender la naturaleza de los fenómenos físicos que suceden en el interior del motor, y por otro, con el fin de optimizar el diseño de los sistemas que integran el mismo. El principal objetivo de esta tesis es desarrollar un modelo de un motor de dos tiempos de 125 cc de altas prestaciones para caracterizar la fluidodinámica interna en los sistemas de admisión, cilindro y escape. Para la construcción del modelo unidimensional del motor es imprescindible conocer información experimental. Por tanto, se han caracterizado de forma experimental los elementos que forman el motor. Por una parte, se ha usado un banco de impulsos para la caracterización dinámica. Por otra parte, se ha empleado un banco de flujo para caracterizar las pérdidas de presión en los elementos. Además, en banco motor, se ha analizado el proceso de combustión, con el objetivo de determinar la ley de liberación de calor. En relación a las tareas de modelado, se ha usado un modelo de diagnóstico para caracterizar del proceso de combustión, experimentando 37 condiciones de operación modificando el régimen de giro, el avance del encendido y usando cinco sistemas de escape. Asimismo, con el fin de poder reproducir el fenómeno de propagación de ondas en el interior del sistema de escape se ha propuesto un modelo de transmisión de calor ya que los modelos convencionales usados en motores de 4T no proporcionan resultados precisos al no contemplar los fenómenos físicos que suceden en el proceso de escape espontáneo de un motor de 2T de estas características. Para ello, se ha caracterizado experimentalmente el fenómeno de propagación de ondas en el interior del sistema de escape midiendo con diversos transductores de presión a lo largo de: un escape de diámetro constante y recto, y varios sistemas de escape derivados del original del motor. El primero se usó para proceder al necesario ajuste de las constantes del modelo mientras que los segundos para realizar la validación del mismo. Para el desarrollo del modelo de transmisión de calor se han contemplado las fluctuaciones de la velocidad instantánea del fluido y la disipación de la turbulencia con una longitud de entrada. Una vez es construido el modelo unidimensional del motor con capacidad de reproducir los complejos fenómenos ondulatorios que existen en el interior de los sistemas de admisión, cilindro y escape, es necesario desarrollar correlaciones para los parámetros que definen la función de Wiebe, usada como ley de liberación de calor en el cilindro. Se ha correlacionado la variación de estos parámetros (en particular, la duración de la combustión y el parámetro de forma) con variables de funcionamiento del motor: régimen de giro y avance del encendido, y variables que se calculan en el modelo: fracción de residuales y densidad de la carga. De esta forma se dispone de un modelo predictivo de las prestaciones del motor si se conoce una correlación para las pérdidas mecánicas, que también ha sido obtenida. El uso del modelo de transmisión de calor propuesto en este trabajo reproduce con precisión la fase y amplitud de la presión de escape con valores inferiores al 1% al comparar el coeficiente de admisión medido y modelado. Las diferencias pueden alcanzar el 7% si se emplean otros modelos encontrados en la literatura. Por otra parte, los resultados obtenidos al usar las correlaciones para la combustión se traducen en: diferencias inferiores al 1.5% entre potencia medida y modelada para todas las condiciones de funcionamiento del motor si el proceso de combustión presenta un coeficiente de variación en la presión del cilindro inferior al 2.5%. Cuando el coeficiente de variación aumenta, debido a la dispersión cíclica, las diferencias entre potencia medida y modelada pueden alcanzar el 4%. Palabras clave: Motores de Combustión Interna Alternativos, Motor de Dos Tiempos, Altas Prestaciones, Instalaciones Experimentales y Medición, Modelado Unidimensional, Modelo de Acción de Ondas, Proceso de Combustión, Transmisión de Calor. / Jiménez Macedo, VD. (2013). Contribución al modelado unidimensional en motores de dos tiempos de altas prestaciones [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/30773