Dans ce manuscrit, nous parlons des matériaux composites à matrice céramiques (CMCs) qui sont envisagés pour intégrer les chambres de combustion de futurs moteurs aéronautiques civils. Pour faire face des conditions extrêmes, ces matériaux possèdent la particularité de s’auto-protéger vis-à-vis de l’oxydation par la formation d’un oxyde passivant qui limite la diffusion des espèces oxydantes au sein des fissures matricielles. Nous modélisons l’écoulement d’un oxyde dans une fissure par l’équation de Navier-Stokes, puis les mettons sous forme non dimensionnelles, et les dérivations de deux types de modèles sont intéressantes : les modèles de Saint-Venant et les modèles de lubrification. Ensuit nous nous engageons à chercher l’existence de solution faible de l’approximation de lubrification d’ordre 4 obtenue précédent dans le cas uni-dimensionnel. Enfin nous précisons la limite entre les équations de Saint-Venant et l’équation de lubrification. / In this work, we are interested in the ceramic matrix composite materials(CMCs) who will be used to integrate the combustion chambers of future civil aeronautical engines. To face extreme conditions, these materials possess the peculiarity to auto-protect itself towards the oxidation by the formation of an oxide passivate which limits the distribution of the oxidizing species within the matrix cracks. We model the flow of an oxide in a crack by the Navier-Stokes equation, then put them under an asymptotic analysis in order to get two types of asymptotic models : models of Saint-Venant (Shallow water model) and lubrication models. Next we are interested in looking for the existence of weak solution to the one-dimensional approximated lubrication equation of order 4 obtained before. Finally we talk about the limit between the Saint-Venant equations and the lubrication equation.

Axial piston machines are operating at high pressure and varying speeds, which requires high reliability of the components. The machine components are separated by a fluid film, but sometimes this film gets penetrated by the surface asperities causing the machine to operate with metal-to-metal contact. In order to improve the design and predict the operating conditions might numerical tools be used. The goal with this thesis was to describe how the tribological contacts in Parkers machines can be modelled, considering oil and surface roughness. The so called Luleå Mixed Lubrication Model have therefore been investigated and it has been described how the model can be used in Parkers machines. The model uses a two-scale method to include the influence of real surface topographies of the components, it gives information about how the surface roughness affect the lubrication conditions. Different options of softwares have been investigated and compared to get an understanding of what possibilities and shortcomings they might have when it comes to this kind of simulations. Results show that all interesting contacts can't be treated the same, therefore must each contact be investigated separetly even though the Luleå Mixed Lubrication Model is used in all cases.

[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

No description available.

[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