No description available.

Doctor of Philosophy / Biochemistry and Molecular Biophysics Interdepartmental Program / Timothy P. Durrett / The direct use of vegetable oils as a biofuel suffers from problems such as high viscosity, low volatility and poor cold temperature properties. 3-acetyl-1,2-diacyl-sn-glycerols (acetyl-TAGs) have lower viscosity and freezing temperature than regular vegetable oils. However, by modifying their fatty acid composition, further improvement in their fuel properties is possible. Our goal was to develop plants that synthesize seed oils with further improved fuel properties. Euonymus alatus diacylglycerol acetyltransferase (EaDAcT) synthesizes acetyl-TAGs by the acetyl-CoA dependent acylation of diacylglycerol (DAG). Knowledge of the substrate specificity of EaDAcT for its acetyl-CoA donor and DAG acceptor substrates is important to generate the required acetyl-TAG composition in seed oil. A rapid method to quantify acetyl-TAGs was developed based on electrospray ionization mass spectrometry to gain information about the substrate specificity of EaDAcT. This method is as accurate and more rapid than the traditional radiolabeled substrate based assay and additionally provides information on acetyl-TAG molecular species present. Using this assay, EaDAcT specificity for different chain length acyl-CoA and DAGs was tested. It was found that although EaDAcT can use other short chain length acyl-CoAs as acyl donors, it has high preference for acetyl-CoA. Further, EaDAcT can acetylate a variety of DAGs with short, medium and long chain length fatty acids with high preference for DAGs containing unsaturated fatty acids. To generate acetyl-TAGs with lower molecular mass, EaDAcT was transformed into transgenic Camelina sativa lines producing high amounts of medium chain fatty acids (MCFAs). EaDAcT expression was also combined with the knockdown of DGAT1 and PDAT enzymes, which compete with EaDAcT for their common DAG substrate. High acetyl-TAG yielding homozygous T3 transgenic lines were generated but the incorporation of MCFAs into acetyl-TAGs was inefficient. A small increase in the viscosity of acetyl-TAGs from these lines was observed compared to acetyl-TAGs produced in wild type Camelina plant. The combined effect of insufficient lowering of molecular mass and increased fatty acid saturation levels of acetyl-TAGs might be responsible for this increased viscosity. Overall, it was concluded that the molecular mass and the saturation levels of fatty acids of acetyl-TAGs need to be considered at the same time in future attempts to further decrease their viscosity.

In this dissertation, liquid crystal (LC) materials and devices are investigated in order to meet the challenges for photonics and displays applications. We have studied three kinds of liquid crystal materials: positive dielectric anisotropic LCs, negative dielectric anisotropic LCs, and dual- frequency LCs. For the positive dielectric anisotropic LCs, we have developed some high birefringence isothiocyanato tolane LC compounds with birefringence ~0.4, and super high birefringence isothiocyanato biphenyl-bistolane LC compounds with birefringence as high as ~0.7. Moreover, we have studied the photostability of several high birefringence LC compounds, mixtures, and LC alignment layers in order to determine the failure mechanism concerning the lifetime of LC devices. Although cyano and isothiocyanato LC compounds have similar absorption peaks, the isothiocyanato compounds are more stable than their cyano counterparts under the same illumination conditions. This ultraviolet-durable performance of isothiocyanato compounds originates from its molecular structure and the delocalized electron distribution. We have investigated the alignment performance of negative dielectric anisotropic LCs in homeotropic (vertical aligned, VA) LC cell. Some (2,3) laterally difluorinated biphenyls, terphenyls and tolanes are selected for this study. Due to the strong repulsive force between LCs and alignment layer, (2,3) laterally difluorinated terphenyls and tolanes do not align well in a VA cell resulting in a poor contrast ratio for the LC panel. We have developed a novel method to suppress the light leakage at dark state. By doping positive [Delta][epsilon] or non-polar LC compounds/mixtures into the host negative LC mixtures, the repulsive force is reduced and the cell exhibits an excellent dark state. In addition, these dopants increase the birefringence and reduce the viscosity of the host LCs which leads to a faster response time. Dual-frequency liquid crystal exhibits a unique feature that its dielectric anisotropy changes from positive to negative when we increase the operating frequency. Submillisecond response time can be achieved by switching the frequency of a biased voltage, rather than switching the voltage at a given frequency. In this dissertation, we investigate the dielectric heating effect of dual-frequency LCs. Because the absorption peak of imaginary dielectric constant occurs at high frequency region (~ MHz), there is a heat generated when the LC cell is operated at a high frequency voltage. To measure the transient temperature change of the LC inside the cell, we have developed a non-contact method by utilizing the temperature-dependent birefringence property of the LC. Most importantly, we have formulated a new dual-frequency LC mixture which greatly reduces the dielectric heating effect while maintaining good physical properties. Another achievement in this thesis is that we have developed a polarization independent phase modulator by using a negative dielectric anisotropic LC gel. With ~20 % of polymer mixed in the LC host, the LC forms polymer network which, in turn, exerts a strong anchoring force to the neighboring LC molecules. As a result, the operating voltage increases but the response time is significantly decreased. On the phase shift point of view, our homeotropic LC gel has ~0.08 [pi] phase shift, which is 2X larger than the previous nano-sized polymer-dispersed liquid crystal droplets. Moreover, it is free from light scattering and requires a lower operating voltage. In conclusion, this dissertation provides solutions to improve the performance of LC devices both in photonics and displays applications. These will have great impacts in defense and display systems such as optical phased array, LCD TVs, projectors, and LCD monitors.

The current socio-economic and environmental context worldwide, with different actors and needs, requires continued progress towards energy efficiency and environmental improvements in order to create a sustainable future, and this implies a scientific and technologic effort to achieve the proposed goals. Transport by propulsive systems based on reciprocating internal combustion engines (ICE) is one of the major agents affecting future environmental sustainability. Included in the wide research done in this area, one of the options considered is the use of low viscosity oils (LVO) as an option for increasing ICE efficiency. This technology presents a modest contribution to the efficiency target, but the excellent cost-effectiveness ratio and ease of application to current and future vehicle parc are two reasons that has driven towards research into the use of these oils. The low viscosity oils base their contribution to improving energy efficiency by reducing mechanical losses associated with viscous friction in hydrodynamic regime. This in turn reduces energy consumption to operate the system, and it is associated with a reduction of pollutant emissions for the same performance. The hypotheses of application of LVO are well founded, but there are a number of uncertainties surrounding the application of low viscosity oils in MCIA today. On one hand, it is possible to expect a modification of the ICE tribological performance, as well as changes in lubricant performance which ultimately could lead to a reduction in the period of useful life, an early lubrication failure or other consequences difficult to predict. Also, a reduction in viscosity may increase wear production, so there is also an interest in the remote diagnosis of lubricated system status. In this Thesis a concise review of the state-of-the-art has been done applied to ICE tribology and lubricating oils, with special interest in the low viscosity oils development. Then, a series of different studies have been performed to deepen the understanding of oil performance and its influence on ICE wear, supported by a set of physico-chemical analytical techniques applied to diagnose the state of the lubricating oil. The different results obtained show that the application of low viscosity oils in ICE is a viable alternative, since the results obtained in the various tests validate the different hypotheses done, and it opens a line of research possibilities around future enhancements and technology development. / La situación actual a nivel mundial, enmarcada en un contexto socioeconómico y medioambiental complejo, con diferentes actores y necesidades presentes, requiere un avance continuo hacia la eficiencia energética y las mejoras medioambientales de cara a poder crear un futuro sostenible, así como de un esfuerzo científico y tecnológico para poder alcanzar los objetivos propuestos. El transporte mediante sistemas propulsivos basados en motores de combustión interna alternativos (MCIA) es uno de los grandes agentes que afectan a la sostenibilidad medioambiental futura. Dentro de la profunda investigación que se realiza en éste ámbito, una de las opciones estudiadas es la del uso de aceites de baja viscosidad (LVO) como opción para el aumento de la eficiencia de los MCIA. Esta tecnología presenta una aportación modesta al objetivo de eficiencia energética, pero la excelente relación coste-beneficio y la facilidad de aplicación al parque automovilístico actual y futuro son dos razones que han impulsado a la industria hacia la investigación en el uso de estos aceites. Los aceites de baja viscosidad basan su aportación a la mejora de la eficiencia energética en la reducción de las pérdidas mecánicas asociadas a la fricción viscosa en régimen hidrodinámico. Así, se consigue reducir el consumo de energía utilizado para hacer funcionar el sistema, y lleva asociada una reducción de las emisiones contaminantes para el mismo desempeño. La hipótesis de aplicación de los aceites de baja viscosidad están bien fundamentadas, pero existen una serie de incertidumbres alrededor de la aplicación de los aceites de baja viscosidad en MCIA a día de hoy. Por un lado, es posible esperar una modificación del comportamiento tribológico en el propio MCIA, así como una variación del propio comportamiento del lubricante que en último lugar podría provocar una reducción del período de vida útil del mismo, un fallo temprano de lubricación u otras consecuencias difíciles de prever. Además, la bajada de viscosidad puede aumentar el fenómeno de desgaste, por lo que existe también un interés en la cuantificación y diagnóstico de manera continua y remota del estado del sistema lubricado. Así, en esta Tesis se ha realizado un conciso trabajo de revisión del estado del arte de la tribología aplicada a MCIA y de los aceites lubricantes, poniendo especial interés en el desarrollo de la idea de los aceites de baja viscosidad. A continuación, y con el apoyo de un conjunto de técnicas analíticas físico-químicas aplicadas a diagnosticar el estado del aceite lubricante, se han planteado una serie de estudios desde diferentes ámbitos para poder profundizar en el conocimiento del comportamiento del aceite y de su influencia en el desgaste en MCIA. Los diferentes resultados obtenidos señalan que la aplicación de los aceites de baja viscosidad en MCIA es una alternativa viable y exitosa, ya que los resultados obtenidos en los diferentes ensayos realizados validan el comportamiento de esta opción, y abre una línea de posibilidades de investigación alrededor de futuras mejoras y de desarrollo de la tecnología. / La situació actual a nivell mundial, emmarcada en un context socioeconòmic i mediambiental complex, amb diferents actors i necessitats presents, requereix d'un avanç continu cap a l'eficiència energètica i les millores mediambientals de cara a poder crear un futur sostenible, així com d'un esforç científic i tecnològic per poder assolir els objectius proposats. El transport mitjançant sistemes propulsius basats en motors de combustió interna alternatius (MCIA) és un dels grans agents que afecten la sostenibilitat mediambiental futura. Dins de la profunda investigació que es realitza en aquest àmbit, una de les opcions estudiades és la de l'ús d'olis de baixa viscositat (LVO) com a opció per a l'augment de l'eficiència dels MCIA. Aquesta tecnologia presenta una aportació modesta a l'objectiu d'eficiència energètica, però l'excel¿lent relació cost-benefici i la facilitat d'aplicació al parc automobilístic actual i futur són dues raons que han impulsat a la indústria cap a la investigació en l'ús d'aquestos olis. Els olis de baixa viscositat basen la seva aportació a la millora de l'eficiència energètica en la reducció de les pèrdues mecàniques associades a la fricció viscosa en règim hidrodinàmic. Així, s'aconsegueix reduir el consum d'energia utilitzat per fer funcionar el sistema, i porta associada una reducció de les emissions contaminants per a l'obtenció del mateix resultat. Les hipòtesis d'aplicació dels olis de baixa viscositat estan ben fonamentades, però hi ha una sèrie d'incerteses al voltant de l'aplicació dels olis de baixa viscositat en MCIA a dia de hui. D'una banda, és possible esperar una modificació del comportament tribològic en el propi MCIA, així com una variació del propi comportament del lubricant que en últim lloc podria provocar una reducció del període de vida útil d'aquest, una fallada de lubricació primerenca o altres conseqüències difícils de preveure. A més, la baixada de viscositat pot augmentar el fenomen de desgast, pel que existeix també un interès en la quantificació i diagnòstic de manera contínua i remota de l'estat del sistema lubricat. Així, en aquesta Tesi s'ha realitzat un concís treball de revisió de l'estat de l'art de la tribologia aplicada a MCIA i dels olis lubricants, posant especial interès en el desenvolupament de la idea dels olis de baixa viscositat. A continuació, i amb el suport d'un conjunt de tècniques analítiques fisico-químiques aplicades a diagnosticar l'estat de l'oli lubricant, s'han plantejat una sèrie d'estudis des de diferents àmbits per poder aprofundir en el coneixement del comportament de l'oli i de la seva influència en el desgast en MCIA. Els diferents resultats obtinguts assenyalen que l'aplicació dels olis de baixa viscositat en MCIA és una alternativa viable, ja que els resultats obtinguts en els diferents assajos realitzats validen el comportament d'aquesta opció, i obre una línia de possibilitats d'investigació al voltant de futures millores i de desenvolupament de la tecnologia. / Miró Mezquita, G. (2017). Estudio del comportamiento y de la influencia en el desgaste de los aceites lubricantes de baja viscosidad en MCIA [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/78615 / TESIS

[EN] The automotive industry is currently experiencing one of its most rapidly changing periods in recent decades, driven by a growing interest in reducing the negative environmental impacts caused by fossil fuels consumption and the resulting carbon dioxide (CO2) emissions generated during the operation of the internal combustion engine (ICE) which have proven to contribute significantly to Global Warming. Given the fact that a total replacement of the current fleet, dependent of fossil fuels, is unlikely to happen in the immediate future and the urgency to reducing CO2 emissions from transportation in order to tackle Global Warming, it is possible to say that optimizing current ICE technologies and conventional vehicles and engines is a first order priority. Among the technical solutions developed to improve the efficiency of ICE, low viscosity engine oils (LVEO) have emerged as an effective and low-cost method that provides reductions in fuel consumption between 0.5% and 5%. During the development of this thesis, a test plan focused on determining fuel consumption reduction when low viscosity oils are used in light duty vehicles (LDV) and heavy duty vehicles (HDV) were carried out. The test plan has been divided in three parts; the first part was focused on the study of light-duty vehicles (LDV) using one diesel engine representative of the European market. During this part three testing modes were used: comparative motored, fired stationary points and transient homologation cycle tests. All test were performed in the engine test bed. The second part of the study consisted of another comparative test, this time using a different engine oils in a HDV fleet. The study was conducted using the urban buses fleet of the city of Valencia, including 3 buses models , with 2 different powertrain technologies. The third part of the study was focused on the friction coefficient behavior within the engine tribological pairs making comparative tests in two specialized tribometers; one of reciprocating action to simulate the lubrication conditions in the piston ring-cylinder liner contact and a "ball-on-disk" tribometer to simulate the lubrication in the distribution system. The various comparative studies have served to analyze how the friction and fuel consumption responded when LVEO were used both in the ICE and the complete vehicle contexts. The fuel consumption benefit found during the test was used to calculate the carbon footprint reduction when LVEO were used. / [ES] Actualmente la industria de la automoción vive uno de los periodos de cambio más vertiginosos de las últimas décadas, marcado por un creciente interés en reducir los impactos medioambientales negativos generados por el consumo de combustibles fósiles y sus consecuentes emisiones nocivas de dioxido de carbono (CO2) generados durante el funcionamiento del motor de combustión interna alternativo (MCIA). Teniendo en cuenta que el proceso de sustitución de la flota actual por una totalmente independiente de los combustibles fósiles puede tomar varias décadas, y ante la urgencia inmediata de reducir las emisiones de CO2, se puede decir que actualmente es más urgente hacer una optimización de los vehículos con motorizaciones convencionales. Entre las soluciones técnicas que se han desarrollado para mejorar la eficiencia del MCIA destaca la utilización de aceites de baja viscosidad como un método efectivo y de bajo coste de implementación que brinda reducciones del consumo entre el 0.5% y el 5%. Durante el desarrollo de esta tesis se ha llevado a cabo un plan de ensayos enfocado en determinar valores concretos de ahorro de combustible esperados cuando se utilizan aceites de baja viscosidad en vehículos de trabajo ligero y pesado. El plan de estudios se dividió en tres partes; la primera se centró en el estudio de MCIA de vehículos de trabajo ligero, utilizando un motor Diesel representativo del mercado Europeo y llevando a cabo pruebas comparativas en arrastre, puntos de funcionamiento estacionarios y ciclos transitorios de homologación. La segunda parte del estudio consta de otro ensayo comparativo, esta vez utilizando una flota de vehículos de trabajo pesado. El estudio se realizó con la flota de autobuses urbanos de la ciudad de Valencia, incluyéndose 3 modelos de autobuses, con 2 tipos de motorización diferente. La tercera parte del estudio se centró en el comportamiento del coeficiente de friction en los pares tribológicos del motor haciendo ensayos comparativos con tribómetros especializados; uno de movimiento alternativo para simular las condiciones de la interfaz piston-camisa y un "bola y disco" para simular la lubricación en el sistema de distribución, específicamente en la interfaz leva-taqué. Los diversos estudios comparativos han servido para analizar como es la respuesta general de la fricción y el consumo de combustible cuando se usan aceites de baja viscosidad, tanto a nivel de motor como para la totalidad del vehículo, encontrando diferencias de par en los ensayos de arrastre, de consumo específico de combustible en los ensayos de motor en estado estacionario y diferencias totales de consumo de combustible en los ensayos en régimen transitorio y en flota, que a su vez han permitido estimar la reducción esperada en la huella de carbono. / [CAT] Actualment la indústria de l'automoció viu un dels períodes de canvi més vertiginoses de les últimes dècades, marcat per un creixent interès en reduir els impactes mediambientals negatius generats pel consum de combustibles fòssils i els seus conseqüents emissions nocives de diòxid de carboni (CO2) generats durant el funcionament del motor de combustió interna alternatiu (MCIA). Tenint en compte que el procés de substitució de la flota actual per una totalment independent dels combustibles fòssils pot prendre diverses dècades, i davant la urgència immediata de reduir les emissions de CO2, es pot dir que actualment és més urgent fer una optimització dels vehicles amb motoritzacions convencionals. Entre les solucions tècniques que s'han desenvolupat per millorar l'eficiència del MCIA destaca la utilització d'olis de baixa viscositat com un mètode efectiu i de baix cost d'implementació que brinda reduccions del consum entre el 0.5% i el 5%. Durant el desenvolupament d'aquesta tesi s'ha dut a terme un pla d'assajos enfocat a determinar valors concrets d'estalvi de combustible esperats quan s'utilitzen olis de baixa viscositat en vehicles de treball lleuger i pesat. El pla d'estudis es va dividir en tres parts; la primera es va centrar en l'estudi de MCIA de vehicles de treball lleuger, utilitzant un motor dièsel representatiu del mercat Europeu i portant a terme proves comparatives en arrossegament, punts de funcionament estacionaris i cicles transitoris d'homologació. la segona part de l'estudi consta d'un altre assaig comparatiu, aquest cop utilitzant una flota de vehicles de treball pesat. L'estudi es va realitzar amb la flota d'autobusos urbans de la ciutat de València, incloent-se 3 models d'autobusos, amb 2 tipus de motorització diferent. La tercera part de l'estudi es va centrar en el comportament del coeficient de friction en els parells tribològics del motor fent assajos comparatius amb tribómetros especialitzats; Un acció reciprocante per simular les condicions del piston camisa i un bola i disc per simular la lubricació en el sistema de distribució. Els diversos estudis comparatius han servit per analitzar com és la resposta general de la fricció i el consum de combustible quan es fan servir olis de baixa viscositat, tant a nivell de motor com la totalitat del vehicle, trobant diferències de bat a els assajos d'arrossegament, de consum específic de combustible en els assajos de motor en estat estacionari i diferències totals de consum de combustible en els assajos en règim transitori i en flota, que al seu torn han permès calcular la reducció en la petjada de carbono. / Ramírez Roa, LA. (2016). Contribution to the Assessment of the Potential of Low Viscosity Engine Oils to Reduce ICE Fuel Consumption and CO2 Emissions [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/73068 / TESIS

[ES] En la actualidad, el ambito del transporte mediante el uso de vehículo ligero sufre un gran cambio hacia la descarbonización. Cada vez más, las autoridades europeas restrigen las emisiones de gases de efectos invernaderos hacia la atmósfera emitidos por estos vehículos. Soluciones alternativas a la propulsión con energía fósil, como la implementación de vehículos eléctricos o híbridos, no está lo suficientemente desarrollada para sustituir a los motores de combustión interna alternativos (MCIA), debido a su todavía alto coste de producción y baja infrastructura para abastecer la demanda de energ ́ıa eléctrica. En este contexto, la transición hacia una movilidad sostenible y renovable sigue pasando por el aumento de la eficiencia y la reducción del consumo de combustible en motores de combustión interna. Una alternativa a la mejora de la eficiencia es la reducción de las pérdidas mecánicas por fricción, o en otras palabras, optimización de la tribología. La tribología en un MCIA lleva asociada aspectos mecánicos como la optimización de los acabados superficiales de los distintos componentes que conforman el motor y la optimización de propiedades física, químicas y reológicas del aceite que lo compone. Esta última solución presenta un alto ratio beneficio/coste, ya que su implementación no lleva asociada ninguna modificiación en el hardware y su implementación es directa. Uno de los objetivos de la Tesis Doctoral, es desarrollar un modelo 1D que contenga la información tribológica de un motor de combustión interna que no se puede obtener experimentalmente, que contribuya al entendimiento y optimización de las pérdidas mecánicas por fricción y que ahorre el coste experimental asociado a entender la tribología desde el punto de vista empírico. Estos parámetros van desde el espesor de película de aceite entre los componentes de un par rozante hasta la contribucción a la fricción de las componentes hidrodinámicas y de asperezas de cada elemento rozante. Adem ́as, se ha desarrollado un modelo cuasi estacionario para cuantificar la energ ́ıa disipada por fricción en un ciclo de conducción real y el consumo de combustible asociado al mismo. As ́ı pues, a través de este modelo, se implementan soluciones que pasan desde aceites optimizados reológicamente hasta acabados superficiales de baja rugosidad, entendiendo la fenomenología asociada a cada tecnología y aportando parámetros claves para la optimización de dicha solución. Finalmente, se estima el ahorro en términos de consumo de combustible que se puede alcanzar con estas soluciones implementadas mediante el modelo cuasi estacionario en condiciones de conducción real / [EN] Currently, the field of light-duty vehicle transport is undergoing a major shift towards decarbonisation. Increasingly, European authorities are restricting emissions of greenhouse gases into the atmosphere from these vehicles. Alternative solutions to fossil fuel propulsion, such as the implementation of electric or hybrid vehicles, are not sufficiently developed to replace internal combustion engine alternatives (ICEs), due to their still high production cost and low infrastructure to meet the demand for electric power. In this context, the transition towards sustainable and renewable mobility continues to be based on increasing efficiency and reducing fuel consumption in internal combustion engines. An alternative to improving efficiency is the reduction of mechanical frictional losses, or in other words, optimisation of tribology. Tribology in an MCIA is associated with mechanical aspects such as the optimisation of the surface finishes of the different components that make up the engine and the optimisation of the physical, chemical and rheological properties of the oil that makes up the engine. This last solution presents a high benefit/cost ratio, as its implementation does not involve any hardware modification and its implementation is straightforward. One of the objectives of the Doctoral Thesis is to develop a 1D model that contains the tribological information of an internal combustion engine that cannot be obtained experimentally, which contributes to the understanding and optimisation of mechanical friction losses and saves the experimental cost associated with understanding tribology from an empirical point of view. These parameters range from the oil film thickness between two tribological components to the contribution to friction of the hydrodynamic and roughness components of each friction element. In addition, a quasi-stationary model has been developed to quantify the energy dissipated by friction in a real driving cycle and the associated fuel consumption. Thus, through this model, solutions ranging from rheologically optimised oils to low roughness surface finishes are implemented, understanding the phenomenology associated with each technology and providing key parameters for the optimisation of the solution. Finally, the savings in terms of fuel consumption that can be achieved with these solutions implemented using the quasi-stationary model in real driving conditions are estimated. / [CA] Actualment, l’àmbit del transport mitjan ̧cant l’us de vehicles lleugers pateix un gran canvi cap a la descarbonització. Cada vegada m ́es, les autoritats europees restringeixen les emissions de gasos d’efecte hivernacle cap a l’atmosfera emesos per aquests vehicles. Les solucions alternatives a la propulsió amb energia fòssil, com la implementació de vehicles elèctrics o híbrids, no està prou desenvolupada per substituir els motors de combustió interna alternatius (MCIA), a causa del seu encara alt cost de producció i baixa infraestructura per abastir la demanda d’energia elèctrica. En aquest context, la transició cap a una mobilitat sostenible i renovable continua passant per l’augment de l’eficiència i la reducció del consum de combustible en motors de combustió interna. Una alternativa per a la millora de l’eficiència es la reducció de les pèrdues mecàniques per fricció, o en altres paraules, la optimització del comportament tribològic del motor. La tribologia en un MCIA porta associada aspectes mecànics com ara l’optimització dels acabats superficials dels diferents components que conformen el motor i l’optimització de propietats física, químiques i reològiques de l’oli que va a emprar. Aquesta ́ultima solució presenta una alta ratio benefici/cost, ja que la seva implementació no porta associada cap modificació de la màquina i la seva implementació ́es directa. Un dels objectius de la Tesi Doctoral es desenvolupar un model 1D que permet obtindré la informació tribològica d’un motor de combustió interna que no es pot obtenir experimentalment, que contribueixi a l’enteniment i l’optimització de les pèrdues mecàniques per fricció i que estalvi ̈ı el cost experimental associat a entendre la tribologia des del punt de vista empíric. Aquests paràmetres van des de l’espessor de pel·lícula d’oli entre els components d’un parell tribològic fins a la contribució a la fricció dels components amb regim hidrodinàmic i de la rugositat de cada element. A més, s’ha desenvolupat un model gairebé estacionari per quantificar l’energia dissipada per fricció en un cicle de conducció real i el consum de combustible associat. Així, a traves d’aquest model, s’implementen solucions que passen des d’olis optimitzats reològicament fins a acabats superficials de baixa rugositat, entenent la fenomenologia associada a cada tecnologia i aportant paràmetres clau per optimitzar aquesta solució. Finalment, s’estima l’estalvi en termes de consum de combustible que es pot assolir amb aquestes solucions implementades mitjan ̧cant el model quasi estacionari en condicions de conducció real. / Agradezco al programa de Formación de Profesorado Universitario del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades por soportar financieramiente mis estudios doctorales (FPU18/02116) y la estancia de investigación que contribuyó a aumentar los conocimientos desarrollados en la presente tesis doctoral (EST21/00451). / Jiménez Reyes, AJ. (2022). Assessment and Optimization of Friction Losses and Mechanical Efficiency in Internal Combustion Engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/188986

[ES] Con el aumento de la demanda de soluciones más amigables con el medio ambiente en la industria de la automoción, el motor de combustión interna alternativo (MCIA) enfrenta actualmente grandes desafíos para minimizar su consumo de recursos no renovables y especialmente, para reducir sus emisiones contaminantes. Debido a que el aporte de los MCIAs es fundamental para cubrir las necesidades de movilidad y de generación de energía alrededor de todo el mundo, y el hecho de que diferentes alternativas, como los motores eléctricos e hibrido, están y continuaran enfrentado múltiples obstáculos para su implementación masiva en el futuro cercano, la investigación continua en MCIA es fundamental para cumplir con los propósitos de reducción de emisiones. En este aspecto, una aproximación para el aumento de la eficiencia del motor y la reducción del consumo de combustible es mediante la implementación de alternativas dirigidas a reducir las pérdidas mecánicas por fricción. Estas alternativas tribológicas incluyen aquellas que requieren modificaciones en los componentes del motor, como materiales y acabados superficiales, y el uso de formulaciones de aceite lubricante de menor viscosidad o aditivos que mejoren las condiciones de lubricación del motor. Con la contante evolución y mejoras en el MCIA y las condiciones de trabajo cada vez más severas, también surgen nuevas alternativas tribológicas para enfrentar los nuevos desafíos del motor, y por tanto se requiere de investigaciones adicionales en este tema. Durante el desarrollo de esta Tesis, uno de los objetivos consistió en contribuir a la investigación del uso de aceites de baja viscosidad para el ahorro de combustible como un efecto conjunto con las condiciones de conducción del vehículo. Para llevar a cabo este objetivo, se desarrollaron ensayos experimentales bajo condiciones estacionarias en un banco de motor con formulaciones de aceite de diferente viscosidad HTHS, algunas de ellos con aditivo modificador de fricción para expandir el rango de reducción de fricción a condiciones de lubricación más severas. Los mapas de consumo de combustible resultantes de estos ensayos fueron utilizados en un modelo de simulación del vehículo para estimar su consumo de combustible como función del aceite y las condiciones de trabajo de tres ciclos de conducción. Con el objetivo de expandir los conocimientos en los fundamentos de lubricación de los MCIAs y tener la capacidad de evaluar otras alternativas para reducir las pérdidas por fricción, se consideró necesario enfocar la investigación en el conjunto pistón-camisa, que es el par tribológico con mayor aporte a las perdidas por fricción. Para conseguir este objetivo, durante esta Tesis se desarrolló una maqueta específica para el ensamble pistón-camisa, y un modelo teórico para simular la lubricación del segmento de compresión. Para la primera parte, la maqueta se desarrolló basada en el método de camisa flotante, en el cual la camisa fue aislada del resto del motor y la fuerza de fricción generada en la interfaz pistón-camisa pudo ser medida mediante sensores de fuerza. En esta instalación se desarrollaron diferentes ensayos los cuales permitieron llevar a cabo un análisis exhaustivo de los fundamentos de lubricación de este par tribológico como función de diferentes parámetros que tiene impacto en las condiciones de lubricación. Este estudio se complementó con el desarrollo de un modelo de lubricación para el segmento de compresión basado en el método de diferencias finitas. Finalmente, se llevó a cabo una comparativa de resultados experimentales y teóricos para el segmento de compresión, lo cual permitió validar los ensayos experimentales en la maqueta de camisa flotante, así como el modelo de simulación desde el punto de vista de datos de entrada, condiciones de contorno y supuestos. / [CA] Amb l'augment de la demanda de solucions més amigables amb el medi ambient en la indústria de l'automoció, el motor de combustió interna alternatiu (MCIA) s'enfronta actualment a grans desafiaments per minimitzar el seu consum de recursos no renovables i especialment, per reduir les seves emissions contaminants . Tenint en compte que l'aportació dels MCIA és fonamental per a cobrir les necessitats de mobilitat i generació d'energia arreu de tot el món, i el fet que diferents alternatives, com els motors elèctrics i híbrids, estan i continuaran enfrontat múltiples obstacles per a la seva implementació massiva al proper futur, la investigació contínua en MCIA és fonamental per complir amb els propòsits de reducció d'emissions. En aquest aspecte, una aproximació per a l'augment de l'eficiència del motor i la reducció de consum de combustible és mitjançant la implementació d'alternatives dirigides a reduir les pèrdues mecàniques per fricció. Aquestes alternatives tribològiques inclouen aquelles que requereixen modificacions de components del motor, com materials i acabats superficials, i l'ús de formulacions d'oli lubricant de menor viscositat o additius que milloren les condicions de lubricació del motor. Amb la constant evolució i millores en el MCIA i les condicions de treball cada vegada més severes, també sorgeixen noves alternatives tribològiques per enfrontar els nous desafiaments del motor, i per tant es requereix d'investigacions addicionals en aquest tema. Durant el desenvolupament d'aquesta Tesi, un dels objectius va consistir a contribuir a la investigació de l'ús d'olis de baixa viscositat per a l'estalvi de combustible com un efecte conjunt amb les condicions de conducció de vehicle. Per dur a terme aquest objectiu, es van desenvolupar assajos experimentals sota condicions estacionàries en un banc de motor amb formulacions d'oli de diferent viscositat HTHS, algunes d'elles amb additiu modificador de fricció per expandir el rang de reducció de fricció a condicions de lubricació més severes . Els mapes de consum de combustible resultants d'aquests assajos van ser utilitzats en un model de simulació del vehicle per estimar el seu consum de combustible com a funció de l'oli i les condicions de treball de tres cicles de conducció. Amb l'objectiu d'expandir els coneixements en els fonaments de lubricació dels MCIAs i tenir la capacitat d'avaluar altres alternatives per reduir les pèrdues per fricció, es va considerar necessari enfocar la recerca al conjunt pistó-camisa, que és el parell tribològic amb major aportació a les perdudes per fricció. Per aconseguir aquest objectiu, durant aquesta Tesi es va desenvolupar una maqueta específica per al acoblament pistó-camisa, i un model teòric per simular la lubricació del segment de compressió. Per a la primera part, la maqueta es va desenvolupar basada en el mètode de camisa flotant, en el qual la camisa va ser aïllada de la resta del motor i la força de fricció generada en la interfície pistó-camisa va poder ser mesurada mitjançant sensors de força. En aquesta instal·lació es van desenvolupar diferents assajos els quals van permetre dur a terme una anàlisi exhaustiva dels fonaments de lubricació d'aquest parell tribològic com a funció de diferents paràmetres que tenen impacte en les condicions de lubricació. Aquest estudi es va complementar amb el desenvolupament d'un model de lubricació per al segment de compressió basat en el mètode de diferències finites. Finalment, es va dur a terme una comparativa de resultats experimentals i teòrics per al segment de compressió, la qual cosa va permetre validar els assajos experimentals a la maqueta de camisa flotant, així com el model de simulació des del punt de vista de dades d'entrada, condicions de contorn i hipòtesis. / [EN] With the increasing demand for greener solutions in the automotive industry, the ICE is currently facing great challenges to minimize the consumption of nonrenewable resources and specially to reduce its harmful emissions. Given that the contribution of the ICE is fundamental to cover the actual mobility and power generation needs worldwide, and the fact that different power-train alternatives, such as electric and hybrid vehicles, are and will continue facing multiple obstacles for their large-scale implementation in the near future, the continuous research on the ICE is fundamental in order to meet the emissions reduction targets. In this regard, one approach to increase the engine efficiency and reduce the fuel consumption, is through the implementation of alternatives aimed to reduce the friction mechanical losses. These tribological alternatives include those that require modifications to the engine components, such as materials and surface finishes, and the use of lubricant oil formulation of lower viscosity or additives that improve the lubrication performance of the engine. With the ongoing evolution and improvement of the ICE and the increasingly severe working conditions, new tribological solutions also emerge to face the new challenges in the ICE, and therefore further research is required on this subject. During the development of this Thesis, one of the objectives was to contribute to the research on low viscosity engine oils for fuel economy as a joint effect with the driving conditions of the vehicle. To accomplish this, experimental tests were performed under stationary conditions in an engine bench test for oil formulations of different HTHS viscosity, some of them with friction modifier additive to expand the friction reduction effect to more severe lubrication conditions. The resultant fuel consumption maps were then employed in a vehicle model to estimate the fuel consumption of the vehicle as function of the oil formulation and the working conditions of the three driving cycles. With the aim of expanding the knowledge on the lubrication fundamentals of the engine and to have the capability to assess other alternatives to further reduce the friction mechanical losses, it was deemed necessary to focus the research on the piston-cylinder liner assembly, the tribo-pair of major friction share. In order to achieve this objective, a test rig was developed in this Thesis specific for the piston-liner assembly, and a theoretical model to estimate the lubrication of the piston compression ring. For the first part, the test rig was designed based on the floating liner method, where the cylinder liner was isolated from the rest of the engine and the friction force generated in the piston-liner conjunction could be measured by means of force sensors. Different tests were developed in this test rig which allowed a comprehensive analysis of the piston lubrication fundamentals as function of different parameters having an impact on the lubrication performance of this assembly. This study was complemented with the development of a piston compression ring lubrication model based on the finite differences method. A comparison of experimental and theoretical results was performed for the piston compression ring that helped to validate both the experimental tests in the floating liner and the simulation model from the point of view of input data, boundary conditions and assumptions. / Bastidas Moncayo, KS. (2021). Experimental and analytical study of the mechanical friction losses in the piston-cylinder liner tribological pair in internal combustion engines (ICE) [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172188 / TESIS