En este trabajo de tesis doctoral, se realiza un estudio comparativo teórico y experimental entre dos tipos de tecnologías de gasificación de biomasa, determinando su viabilidad técnica, económica y ambiental para la producción de energía eléctrica en aplicaciones de baja potencia (inferiores a 100 kW). Los tipos de tecnologías seleccionadas están entre los de mayor interés en el campo de la gasificación de biomasa: lecho fijo downdraft y lecho fluido burbujeante. La mayoría de los resultados presentados en este trabajo, comparando las dos tecnologías, fueron obtenidos de manera experimental. Aunque más costosos, los experimentos proporcionan datos de diseño más fiables que los que se pueden obtener a través de la modelización o simulación, esto sin tener en cuenta que las reacciones que se llevan a cabo en el reactor son complejas y difíciles de modelar, sobretodo en la fase de conversión de sólido a gas, además, la mayoría de los modelos se enfocan en la producción y composición del gas sin tener en cuenta tanto la generación de alquitranes y residuos sólidos como su separación del gas, tan esenciales como el propio proceso de generación del gas. Todos estos hechos han obligado a centrar el estudio comparativo en la verificación experimental del comportamiento de ambos tipos de gasificadores, para lo cual se diseñó, construyó y puso en operación un prototipo con una potencia eléctrica del orden de 10 kW para cada una de las dos configuraciones a estudiar. También se aborda en el presente trabajo el problema de limpieza del gas y la separación de los residuos, especialmente alquitranes, generados en el proceso de gasificación. Para cada uno de los dos tipos de tecnologías estudiadas se ha definido y probado un tipo de sistema de limpieza de gases diferente, utilizando en ambos casos lavadores húmedos de gases y filtrado por medio de astillas, aunque con modos de operación diferentes. El estudio experimental permitió determinar la configuración óptima con la cual se obtiene un gas adecuado para ser quemado en un motor de combustión interna, éste es uno de los problemas más importantes a considerar en una planta de gasificación, debido al coste y el consumo de energía adicional que conllevan estos sistemas. En el aspecto de viabilidad económica se determinó, a partir de los gastos de construcción de los prototipos, que las plantas de generación de energía mediante la gasificación de biomasa con potencias inferiores a 50 kW no son económicamente rentables en España, salvo en condiciones muy restrictivas de bajo coste de la biomasa (inferior a 0,03 ¿/kg) y/o elevada subvención que permitiese un precio de venta superior a 0,2 ¿/kWh. Descartando la conexión a red de una planta de gasificación de baja potencia, se consideró su utilización en zonas no interconectadas, comparando los costes de generación de energía en dicha planta con los de las plantas que operan con gas natural o gasoil, se ha determinado que es más rentable la planta de gasificación, por lo tanto sería una alternativa para la generación de energía eléctrica en zonas rurales donde es costoso llevarla utilizando los métodos convencionales. / Vargas Salgado, CA. (2012). Estudio comparativo de la utilización de las tecnologías de gasificación Downdraft y lecho fluidizado burbujeante para la generación de energía eléctrica en aplicaciones de baja potencia [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16379

[ES] Las amenazas a las que se enfrentan los motores de combustión interna, tales como emisiones contaminantes, agotamiento del petróleo o el auge de otros tipos de motores (vehículo eléctrico), vinculan el futuro de los vehículos propulsados por este tipo de motor a la mejora del mismo en cuanto a consumo de combustible y a emisiones contaminantes se refiere. Adicionalmente, la alta exigencia de la normativa actual y venidera está forzando a las empresas de automoción a centrarse en el desarrollo de estrategias innovadoras dirigidas a aumentar el rendimiento del motor con baja repercusión en emisiones contaminantes. Un primer paso para atajar esta problemática es centrarse en los procesos que ocurren en la cámara de combustión, que es la base del motor. Teniendo en cuenta este escenario, el objetivo principal del presente trabajo es evaluar y optimizar el ciclo indicado de un motor de combustión interna por medio de una herramienta termodinámica 0D. El acoplamiento de esta herramienta, previamente desarrollada en el grupo de trabajo, con un modelo de emisiones de \NOx{} y una herramienta de optimización, permite la evaluación del impacto sobre el rendimiento indicado de varios límites operacionales y procesos reales que tienen lugar en la cámara de combustión. En primer lugar, se ha evaluado el rendimiento indicado de diferentes ciclos ideales en los motores estudiados en el trabajo. Debido a que la diferencia entre ciclos ideales y reales es resultado de la existencia de varias imperfecciones, se ha realizado un estudio de sensibilidad de dichas imperfecciones para determinar cuáles son las que tienen mayor impacto sobre el rendimiento indicado. A continuación, se han buscado los ciclos teóricos óptimos, en este caso ya teniendo en cuenta los principales fenómenos que ocurren en el cilindro, para obtener la ley de combustión que maximiza el rendimiento indicado a la vez que cumple con diferentes restricciones mecánicas y límites de emisiones. En este análisis se concluye que la velocidad de combustión es el parámetro más importante a tener en cuenta. Con el fin de evaluar algunas técnicas experimentales comúnmente usadas para aumentar la velocidad de combustión, parámetro clave como se ha comentado, se han utilizado diferentes enfoques tales como balances globales de energía, división de pérdidas y diseños de experimentos. Las conclusiones extraídas de dichos análisis han sido usadas para optimizar experimentalmente la ley de combustión. La comparación entre esta optimización experimental y la teórica proporciona el impacto en el rendimiento indicado que supone la limitación en la velocidad de combustión impuesta por el motor analizado. Esta metodología actúa como una herramienta de análisis comparativo entre diferentes arquitecturas del motor, estableciendo el techo de eficiencia bajo las condiciones de operación consideradas, y con ello la ganancia máxima alcanzable por un hipotético motor perfecto. / [CA] Les amenaces a què s'enfronten els motors de combustió interna, com ara emissions contaminants, esgotament del petroli o motors alternatius (vehicle elèctric), vinculen el futur dels vehicles propulsats per aquest tipus de motor a la millora del mateix quant a consum de combustible i a emissions contaminants es refereix. Addicionalment, l'alta exigència de la normativa actual i venidora està forçant a les empreses d'automoció a centrar-se en el desenrotllament d'estratègies innovadores dirigides a augmentar el rendiment del motor amb baixa repercussió en emissions contaminants. Un primer pas per a atallar esta problemàtica és centrar-se en els processos que ocorren en la cambra de combustió, que és la base del motor. Tenint en compte aquest escenari, l'objectiu principal del present treball és avaluar i optimitzar el cicle indicat d'un motor de combustió interna per mitjà d'una ferramenta termodinàmica 0D. L'adaptament d'esta ferramenta, prèviament desenrotllada en el grup de treball, amb un model d'emissions de \NOx{} i una ferramenta d'optimització, permet l'avaluació de l'impacte sobre el rendiment indicat d'uns quants límits operacionals i processos reals que tenen lloc en la cambra de combustió. En primer lloc, s'ha avaluat el rendiment indicat de diferents cicles ideals en els motors estudiats en el treball. Pel fet que la diferència entre cicles ideals i reals és resultat de l'existència de diverses imperfeccions, s'ha realitzat un estudi de sensibilitat de les dites imperfeccions per a determinar quines són les que tenen major impacte sobre el rendiment indicat. A continuació, s'han buscat els cicles teòrics òptims, en aquest cas ja tenint en compte els principals fenòmens que ocorren en el cilindre, per a obtindre la llei de combustió que maximitza el rendiment indicat al mateix temps que compleix amb diferents restriccions mecàniques i límits d'emissions. En aquest anàlisi es conclou que la velocitat de combustió és el paràmetre més important a tindre en compte. A fi d'avaluar algunes tècniques experimentals comunament usades per a augmentar la velocitat de combustió, paràmetre clau com s'ha comentat, s'han utilitzat diferents enfocaments com ara balanços globals d'energia, divisió de pèrdues i dissenys d'experiments. Les conclusions extretes d'aquest anàlisi han sigut usades per a optimitzar experimentalment la llei de combustió. La comparació entre esta optimització experimental i la teòrica proporciona l'impacte en el rendiment indicat que suposa la limitació en la velocitat de combustió imposada pel motor analitzat. Esta metodologia actua com una ferramenta d'anàlisi comparativa entre diferents arquitectures del motor, establint el sostre d'eficiència davall les condicions d'operació considerades, i amb això el guany màxim abastable per un hipotètic motor perfecte. / [EN] Issues affecting internal combustion engines, such as pollutant emissions, oil depletion and the raising of alternative powertrains (full electric vehicle), link the future of vehicles powered by this type of powertrain to its improvement in terms of fuel consumption and pollutant emissions. Additionally, the high stringency of the current and upcoming legislation is forcing automotive manufacturers to focus on developing innovative engine strategies aimed to increase the efficiency with low penalty in emissions. A first step to tackle this issue is to focus on the processes occurring in the combustion chamber, which is the core of the engine. Taking into account this scenario, the main objective of the present work is to assess and optimize the indicated cycle of an internal combustion engine based on a zero-dimensional thermodynamic tool. The coupling of this tool, previously developed in the work group, with a \NOx{} emissions model and an optimization tool allows evaluating the impact on gross indicated efficiency of several operational limits and real processes taking place in the combustion chamber. Thus, the first step was the assessment of the indicated efficiency of some ideal cycles in the engines studied in the work. Since the difference between ideal and real cycles is due to the existence of some imperfections, a sensitivity study of these imperfections is carried out to determine the ones with the highest impact on gross indicated efficiency. Later on, the optimum theoretical cycles have been searched for, now taking into account the main phenomena occurring in the cylinder, to get the combustion profile that maximizes the indicated efficiency while keeping some mechanical restrictions and emission limits. In this analysis, the combustion velocity raised as the most important parameter to take into account. In order to assess some experimental techniques commonly used to enhance the combustion velocity, key parameter as commented, different approaches such as Global Energy Balance, split of losses and the use of design of experiments have been conducted. The conclusions extracted from these analysis have been used to optimize experimentally the combustion law. The comparison between this experimental optimization and the theoretical one provides the impact on gross indicated efficiency of the combustion velocity limitation imposed by the engine hardware. This methodology acts as a benchmarking tool between different hardware architectures, setting the efficiency ceiling of the considered operating point, and thus the maximum gain achievable by implementing an hypothetical perfect hardware. / Blanco Cavero, D. (2018). Assessment and optimization of the indicated cycle with a 0D thermodynamic model [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/115934

[ES] Los sistemas de refrigeración por eyección activados por calor de origen renovable o fuentes de calor residual tienen el potencial de alcanzar ahorros energéticos significativos al sustituir o asistir a los sistemas de refrigeración tradicionales. Su campo de aplicabilidad es muy amplio y el presente trabajo se ha centrado en un estudio detallado de dos aplicaciones con gran potencial siguiendo un enfoque computacional: (i) generación de aire acondicionado activado por energía solar térmica y (ii) refrigeración de la admisión de un motor de combustión reutilizando la energía térmica disponible en la línea de escape de este. Las actividades de investigación han estado dirigidas a mitigar dos de los principales puntos débiles que caracterizan a los ciclos de refrigeración por eyección: su eficiencia relativamente baja y la incapacidad mostrada por la configuración base del ciclo de eyección para operar de forma robusta en condiciones de operación alejadas de las de diseño. La primera cuestión ha sido abordada principalmente diseñando geometrías de eyector altamente optimizadas usando técnicas de mecánica de fluidos computacional y optimizando la integración del eyector en el conjunto del sistema de refrigeración. La segunda cuestión se ha abordado caracterizando el comportamiento del sistema en condiciones de diseño y fuera de diseño. Se han propuesto dos estrategias avanzadas para hacer frente a la caída de prestaciones que sufre el sistema al operar en condiciones fuera de diseño, como son la utilización de eyectores de geometría ajustable o la implementación de tanques de almacenamiento térmico. La respuesta del sistema se ha analizado en condiciones fuera de diseño con dos aproximaciones temporales complementarias. Los modelos estacionarios se han usado para optimizar las diferentes arquitecturas de eyector y la operación global del sistema en ciertas condiciones de operación representativas, mientras que el análisis transitorio representa un enfoque más realista y tiene en cuenta la naturaleza impredecible e inestable de la climatología. El estudio se ha concluido con un análisis termoeconómico, el cual ha sido útil para discernir si los diseños altamente optimizados son competitivos al ser comparados con las soluciones de refrigeración que se encuentran actualmente consolidadas en el mercado. La principal conclusión del análisis en condiciones estáticas para la aplicación termosolar es que la transformación de potencia térmica a potencia de refrigeración puede alcanzar un rendimiento del 37.7%, mientras que el rendimiento global del sistema alcanza el 20.1% con diseños altamente optimizados de eyector para unas condiciones de evaporación y condensación de 13°C y 40°C, respectivamente. En condiciones dinámicas, la implementación de la geometría variable mejora en torno a un 40% el rendimiento del sistema de refrigeración, además de incrementar su operatividad. El tanque de almacenamiento térmico juega un papel relevante en este aspecto y, para una envergadura de colector parabólico de 7.1 m, un consumo nominal de 13.3 kW de potencia térmica del tanque ha resultado ser una solución de compromiso para mantener en equilibrio los principales indicadores de prestaciones. El análisis termoeconómico de la arquitectura más prometedora sugiere que el ahorro de coste operativo está lejos de poder compensar la elevada inversión inicial en equipamiento (16.905€ para una capacidad de refrigeración aproximada de 5.6 kW), destacando la dificultad del sistema para competir con las soluciones de refrigeración actualmente consolidadas en el mercado y resaltando la necesidad de considerar soluciones híbridas. La principal conclusión de la aplicación en motor de combustión es que la reducción de temperaturas en la línea de admisión por debajo de 4°C es factible, produciendo mejoras en el rendimiento volumétrico de en torno al 11%, no obstante, el sistema muestra vulnerabilidades al operar en puntos de motor diferentes al de diseño. / [CA] Els sistemes de refrigeració per ejecció activats per calor d'origen renovable o fonts de calor residual tenen el potencial d'assolir estalvis energètics significatius al substituir o assistir als sistemes de refrigeració tradicionals. El seu camp d'aplicabilitat es ampli i el present treball s'ha centrat en un estudi detallat de dos aplicacions amb gran potencial seguint un enfocament computacional: (i) generació d'aire condicionat activat per energia solar tèrmica i (ii) refrigeració de l'admissió d'un motor de combustió reutilitzant l'energia tèrmica disponible en la línia d'escapament d'aquest. Les activitats d'investigació han estat dirigides a mitigar dos dels principals punts dèbils que caracteritzen als cicles de refrigeració per ejecció: la seua eficiència relativament baixa i la incapacitat mostrada per la configuració base del cicle d'ejecció per a operar de forma robusta en condicions d'operació allunyades de les de disseny. La primera qüestió ha sigut abordada principalment dissenyant geometries d'ejector altament optimitzades usant tècniques de mecànica de fluids computacional i optimitzant la integració de l'ejector en el conjunt del sistema de refrigeració. La segona qüestió s'ha abordat caracteritzant el comportament del sistema en condicions de disseny i fora de disseny. S'han proposat dos estratègies avançades per a fer front a la caiguda de prestacions que pateix el sistema quan opera en condicions fora de disseny, com són la utilització d'ejectors de geometria ajustable o la implementació de tancs de emmagatzemament tèrmic. La resposta del sistema s'ha analitzat en condicions fora de disseny amb dos aproximacions temporals complementàries. Els models estacionaris s'han usat per a optimitzar les diferents arquitectures d'ejector i l'operació global del sistema en certes condicions d'operació representatives, mentre que l'anàlisi transitori representa un enfocament més realista i té en compte la natura impredictible i inestable dels canvis en les condiciones climàtiques. L'estudi s'ha conclòs amb un anàlisi termoeconòmic, el qual ha sigut útil per a discernir si els dissenys altament optimitzats són competitius quan es comparen amb les solucions de refrigeració que es troben actualment consolidades al mercat. La principal conclusió de l'anàlisi en condicions estàtiques per a l'aplicació termosolar és que la transformació de potència tèrmica a potència de refrigeració pot arribar a un rendiment del 37.7%, mentre que el rendiment global del sistema arriba al 20.1 % amb dissenys altament optimitzats d'ejector per a unes condicions d'evaporació i condensació de 13°C i 40°C, respectivament. En condicions dinàmiques, la implementació de la geometria variable millora al voltant d'un 40% el rendiment del sistema de refrigeració, a més d'incrementar la seua capacitat de romandre en funcionament. El tanc d'emmagatzemament tèrmic juga un paper rellevant en aquest aspecte i, per a una llargària de col·lector parabòlic de 7.1 m, un consum nominal de 13.3 kW de potencia tèrmica del tanc ha resultat ser una solució de compromís per a mantenir en equilibri els principals indicadors de prestacions. L'anàlisi termoeconòmic de l'arquitectura més prometedora suggereix que l'estalvi de cost operatiu està lluny de poder compensar l'elevada inversió inicial en equipament (16.905€ per a una capacitat de refrigeració aproximada de 5.6 kW), posant de manifest la dificultat del sistema per a competir amb les solucions de refrigeració actualment consolidades al mercat i ressaltant la necessitat de considerar solucions híbrides. La principal conclusió de l'aplicació en motor de combustió és que la reducció de temperatures a la línia d'admissió per baix de 4°C és factible, produint millores en el rendiment volumètric de al voltant de l'11%, no obstant això, el sistema mostra vulnerabilitats a l'hora d'operar en punts de motor diferents al de disseny. / [EN] Jet-ejector refrigeration systems powered by renewable heat or waste heat sources have the potential to achieve significant primary energy savings when substituting or aiding traditional refrigeration systems. Their field of applicability is vast and the present work has been focused on a detailed study of two applications with great potential following a computational approach: (i) air-conditioning generation powered by solar thermal energy and (ii) internal combustion engine intake air refrigeration powered by its exhaust line waste heat. The research efforts have been directed towards mitigating the negative effect of two of the main weak points of jet-ejector refrigeration systems: their relatively low efficiency and the incapacity of the baseline configuration to operate robustly away from the design conditions. The first issue has been addressed mainly by designing highly optimized jet-ejector geometries using computational fluid dynamics techniques and optimizing the jet-ejector integration in the overall system. The second one has been addressed by carrying out complete characterizations of the refrigeration system response in design and off-design conditions. Advanced strategies to face the refrigeration system performance decay away from design conditions have been proposed, like the utilization of adjustable jet-ejector architectures or the implementation of hot thermal storage tanks. The system response has been analyzed in off-design conditions with two complementary temporal schemes. The steady-state models have been used to optimize the jet-ejector architectures and the overall system operation for representative operating scenarios, while the transient analysis represents a more realistic approach and accounts for changes in climatic conditions, which have an unpredictable and unstable nature. The study has been concluded with a thermoeconomic analysis, which has been useful to discern if the highly optimized designs are competitive when compared to existing refrigeration solutions consolidated in the market. The main conclusions of the steady-state analysis for the solar application are that the transformation from thermal power to refrigeration power can achieve an efficiency of 37.7%, while the global efficiency achieves 20.1% when highly optimized jet-ejectors are used for an evaporating and condensing conditions of 13°C and 40°C, respectively. In dynamic conditions, the implantation of an adjustable jet-ejector brings improvements in refrigeration system efficiency of around 40%, besides improving its capacity to remain in operation. The thermal storage system plays a relevant role in this sense and, for a fixed parabolic trough collector span of 7.1 m, a nominal thermal power consumption of 13.3 kW represents a trade-off between the performance indicators subject to analysis. The thermoeconomic assessment of the most promising system architecture suggests that the operating cost savings are far from compensating for the capital expenditures (16,905€ for a refrigeration capacity of approximately 5.6 kW), evidencing the difficulties of the system to compete against refrigeration solutions currently consolidated in the market and outlining the interest in hybrid solutions. The main conclusion of the automotive application is that it is feasible to achieve in the engine intake line temperatures below 4°C, bringing improvements in volumetric engine efficiency of around 11%. Nevertheless, the system shows vulnerabilities when operating in engine operating points different from the design one. / My most sincere acknowledgment to the whole CMT-Motores Térmicos team for giving me the opportunity of being part of it and the grant program Subvenciones para la contrataci ́on de personal investigador predoctoral for doctoral studies (reference ACIF/2018/124), awarded by Generalitat Valenciana, Conselleria de Innovación, Universidades, Ciencia y Sociedad Digital and the European Union for funding this project. / Ponce Mora, A. (2022). Feasibility Study of Jet-Ejector Refrigeration Systems as a Mechanism for Harnessing Low-Grade Thermal Energy from Different Sources [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181710

[ES] Se espera que la nueva generación de motores de encendido provocado represente la mayor parte del mercado en el contexto de la propulsión de vehículos con o sin hibridación. Sin embargo, la tecnología actual todavía tiene desafíos críticos por delante para cumplir con los nuevos estándares de emisiones de CO2 y contaminantes. Consecuentemente están surgiendo nuevas tecnologías para mejorar la eficiencia de los motores y que estos cumplan con las nuevas normativas anti-contaminación. Entre otras, una de las tendencias más seguidas en la actualidad es la reducción de tamaño de los motores, concepto conocido como "downsizing", bajo la técnica de la turbosobrealimentación. Las nuevas tecnologías de turbocompresores, como las turbinas de geometría variable (TGV), se empiezan a considerar para su aplicación en las exigentes condiciones de funcionamiento de los nuevos motores de encendido provocado. En este trabajo, a partir de datos experimentales obtenidos en la sala de ensayos del motor, se propone una metodología de calibración del modelo completo de motor 1-D: se realiza un análisis teórico dirigido a asegurar el control total sobre cualquier aspecto de la simulación. En otras palabras, el modelo de motor 1-D se ajustó completamente con respecto a los datos experimentales del motor. Además, se demuestra la necesidad del postprocesamiento y validación de datos experimentales relacionados con mapas de turbocompresores, ya que se requiere desacoplar fenómenos como la transferencia de calor y las pérdidas por fricción de los denominados mapas experimentales de turbocompresores. De acuerdo con esto, se presenta una metodología para la obtención de mapas de turbocompresores, basada en una campaña experimental dividida en varias tipologias de ensayos y seguida de la etapa de modelado. La etapa de modelado se lleva a cabo utilizando modelos de turbocompresores integrales ya desarrollados o disponibles en la literatura. Adicionalmente se aborda la mejora en la precisión de las simulaciones cuando se comparan mapas de turbocompresores postprocesados con mapas puramente experimentales. Aprovechando el modelo de motor 1-D altamente validado y físicamente representativo así como los mapas validados del turbocompresor, se discute cómo las incertidumbres experimentales o las variables "fuera de control" pueden afectar los resultados experimentales. Se propone una metodología para superar este punto desde la perspectiva del modelado. Lo anterior permite realizar comparativas que en las se analiza exclusivamente el impacto de diferentes tecnologías de turbina o unidades de turbinas. Además, tomando como base el modelo ya desarrollado, es posible explorar diferentes cálculos de optimización, estrategias de control y proporcionar comparaciones de tecnología de turbinas en plenas cargas y cargas parciales de motor en un amplio rango de revoluciones. También se aborda el impacto de la altitud y se evalúan los transitorios de carga para dos tecnologías de turbinas analizadas: VGT y WG. Como conclusión, se demuestra que la tecnología VGT muestra menos limitaciones en condiciones de trabajo extremas, como en la curva de plena carga, donde la tecnología WG representa una limitación en términos de máxima potencia. Las diferencias a plena carga se vuelven aún más evidentes en condiciones de trabajo en altitud. Cuando se trata de cargas parciales, las diferencias en el consumo de combustible son menores, pero potencialmente beneficiosas para los VGT. / [CA] S'espera que la nova generació de motors d'encesa per espurna representi la major part del mercat en el context de la propulsió de vehicles amb o sense hibridació. No obstant això, la tecnologia actual encara té reptes crítics per davant per complir amb els nous estàndards d'emissions de CO2 i contaminants. Conseqüentment estan sorgint noves tecnologies per millorar l'eficiència dels motors i que aquests compleixin amb les noves normatives anti-contaminació. Entre d'altres, una de les tendències més seguides en l'actualitat és la reducció de grandària dels motors, concepte conegut com "downsizing", sota la tècnica de la turbosobrealimentación. Les noves tecnologies de turbocompressors, com les VGT, es comencen a considerar per la seva aplicació en les exigents condicions de funcionament dels nous motors d'encesa per espurna. En aquest treball, a partir de dades experimentals obtingudes a la sala d'assajos de l'motor, es proposa una metodologia de calibratge del model complet de motor 1-D: es realitza una anàlisi teòrica dirigit a assegurar el control total sobre qualsevol aspecte de la simulació. En altres paraules, el model de motor 1-D es va ajustar completament respecte a les dades experimentals del motor. A més, es demostra la necessitat del posprocesamiento i validació de dades experimentals relacionats amb mapes de turbocompressors, ja que es requereix desacoblar fenòmens com la transferència de calor i les pèrdues per fricció dels denominats mapes experimentals de turbocompressors. D'acord amb això, es presenta una metodologia per a l'obtenció de mapes de turbocompressors, basada en una campanya experimental dividida en diverses tipologies d'assajos i seguida de l'etapa de modelatge. L'etapa de modelatge es porta a terme utilitzant models de turbocompressors integrals ja desenvolupats disponibles a la literatura. A més a s'aborda la millora en la precisió de les simulacions quan es comparen mapes de turbocompressors postprocessats amb mapes purament experimentals. Aprofitant el model de motor 1-D validat i físicament representatiu així com els mapes validats del turbocompressor, es discuteix com les incerteses experimentals o les variables "fora de control" poden afectar els resultats experimentals. Es proposa una metodologia per superar aquest punt des de la perspectiva de la modelització. L'anterior permet realitzar exclusivament la comparació de tecnologies / unitats de turbines. A més, prenent com a base el model ja desenvolupat, és possible explorar diferents càlculs d'optimització, estratègies de control i proporcionar comparacions de tecnologia de turbines a càrregues completes i parcials del motor en un ampli rang de revolucions del motor. També s'aborda l'impacte de l'altitud i s'avaluen els transitoris de càrrega per a dues tecnologies de turbines analitzades: VGT i WG. com a conclusió, es demostra que la tecnologia VGT mostra menys limitacions en condicions de treball extremes, com en la corba de plena càrrega, on la tecnologia WG representa una limitació en termes de màxima potència. Les diferències a plena càrrega es tornen encara més evidents en condicions de treball en altitud. Quan es tracta de càrregues parcials, les diferències en el consum de combustible són menors, però potencialment beneficioses per als VGT. / [EN] The new generation of spark ignition (SI) engines is expected to represent most of the future market share in the context of power-train with or without hybridization. Nevertheless, the current technology has still critical challenges in front to meet incoming CO2 and pollutant emissions standards. Consequently, new technologies are emerging to improve engine efficiency and meet new pollutant regulations. Among others, one of the most followed trends is engine size reduction, known as downsizing, based on the turbocharging technique. New turbocharger technologies, such as variable geometry turbines (VGT), are evaluated for their application under the demanding operating conditions of SI engines. In this work, from experimental data obtained in an engine test cell, a 1-D complete engine model calibration methodology was conducted: a theoretical analysis aimed at ensuring full control on any aspect of the simulation. In other words, the 1-D engine model was fully fitted with respect to the experimental engine data. Furthermore, it is evidenced the requirement of post-processing and validating the experimental data dealing with turbocharger maps, since phenomena such as heat transfer and friction losses are required to be decoupled from the so-called experimental turbocharger maps. Accordingly, a methodology for turbocharger maps obtention is presented, based on an experimental campaign divided into several test typologies and followed by the modelling stage. The modelling stage is carried out making usage of already developed integral turbocharger models available in the literature. Additionally, the improvement in the accuracy of the simulations when post-processed turbocharger maps are compared against purely experimental maps is addressed. Taking advantage of the highly validated and physically representative 1-D gas-dynamics engine model and turbocharger validated maps, it is discussed how experimental uncertainties or "out-of-control" variables may impact the experimental results. A methodology is proposed to overcome this point from the modelling perspective. The previous allows performing exclusively turbine technologies/units comparison. In addition, taking as a basis the already developed model, it is possible to explore different optimization calculations, control strategies and provide turbine technology comparisons at engine full and partial loads in a wide range of engine speed. Also, the altitude impact is addressed and load transients are evaluated for two analysed turbine technologies: VGT and WG. In all, it was found that VGT technology shows fewer limitations in extreme working conditions, such as full load curve, where the WG technology represents a limitation in terms of the maximum power output. Full load differences become even more evident in altitude working conditions. When it comes to partial loads, differences in fuel consumption are minor but potentially beneficial for VGTs. / Gómez Vilanova, A. (2022). Modelling and analysis methodology of SI IC engines turbocharged by VGT [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181929

[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] Esta tesis doctoral se encuadra en el contexto de una creciente concienciación y preocupación en la sociedad por la contaminación y su efecto sobre la salud de las personas, así como la influencia de los gases de efecto invernadero en el cambio climático. En este sentido, el sector transporte no ha sido una excepción, y se ha legislado para regular tanto las emisiones contaminantes como las de efecto invernadero de manera cada vez más estricta, retando continuamente a las empresas del sector y fabricantes de motores a aumentar la eficiencia y limpieza de sus sistemas propulsivos. Este trabajo tiene por objetivo estudiar el impacto que tienen distintos sistemas de recirculación de gases de escape (exhaust gas recirculation o EGR) en un motor de encendido provocado, de inyección directa, sobrealimentado, con distribución variable y dentro de la tendencia del downsizing. Cabe resaltar que el motor bajo estudio es un modelo sin EGR empleado actualmente en aplicaciones de transporte por carretera de turismos utilitarios, por lo que el proyecto ha estado en todo momento ligado a la actualidad del sector, y los avances y descubrimientos de los estudios aquí presentados pueden resultar de una enorme utilidad y ser empleados en aplicaciones reales. Estos sistemas de recirculación de gases de escape pretenden aumentar la eficiencia de los motores de encendido provocado con el objetivo de reducir la desventaja que estos presentan con respecto a los motores de encendido por compresión, mientras que se mantienen los niveles de emisiones. Dicha desventaja en eficiencia radica principalmente en una menor relación de compresión del motor de encendido provocado para evitar la autoignición y en el uso del dosado estequiométrico para el correcto funcionamiento del postratamiento. / [CA] Aquesta tesi doctoral s'enquadra en el context d'una creixent conscienciació i preocupació en la societat per la contaminació i el seu efecte sobre la salut de les persones, així com la inuència dels gasos d'efecte d'hivernacle en el canvi climàtic. En aquest sentit, el transport no ha sigut una excepció, i s'ha legislat per a regular tant les emissions contaminants com les d'efecte d'hivernacle de manera cada vegada més estricta, reptant contínuament a les empreses del sector i fabricants de motors a augmentar l'eficiència dels seus sistemes propulsius. Aquest treball té per objectiu estudiar l'impacte que tenen diferents sistemes de recirculació de gasos d'escapament (exhaust gas *recirculation o EGR) en un motor d'encesa provocada, d'injecció directa, sobrealimentat, amb distribució variable i dins de la tendència del downsizing. Cal ressaltar que el motor sota estudi és un model sense EGR empleat actualment en aplicacions de transport per carretera de turismes utilitaris, per la qual cosa el projecte ha estat en tot moment lligat a l'actualitat del sector, i els avanços i descobriments dels estudis presentats poden resultar d'una enorme utilitat i ser emprats en aplicacions reals. Aquests sistemes de recirculació de gasos d'escapament pretenen augmentar l'eficiència dels motors d'encesa provocada amb l'objectiu de reduir el desavantatge que aquests presenten respecte als motors d'encesa per compressió, mantenint els nivells d'emissions. Aquest desavantatge en eficiència radica principalment en una menor relació de compressió del motor d'encesa provocada per a evitar l'autoignició i en l'ús del dosatge estequiomètric per al correcte funcionament del postractament / [EN] This PhD-Thesis is framed in the context of a growing awareness and concern in society about pollution and its effect on people's health, as well as the influence of greenhouse gases on climate change. In this sense, transportation has not been an exception, and legislation has been reated to regulate both polluting emissions and greenhouse gases in an increasingly strict manner, continually challenging companies in the sector and engine manufacturers to increase efficiency and cleanliness of their propulsive systems. The objective of this work is to study the impact that different exhaust gas recirculation (EGR) systems have on a spark ignition, direct injection, turbocharged engine, with a variable timing and within the downsizing trend. It should be noted that the engine under study is mass-produced without EGR and is currently used in passenger utility cars, so the project has been always linked to current events in the sector, and the advances and discoveries of the studies presented here can be useful in real applications. These exhaust gas recirculation systems aim to increase the efficiency of spark ignition engines, reducing the disadvantage they present with respect to compression ignition engines, while maintaining emission levels. Said disadvantage in efficiency lies mainly in a lower compression ratio in order to avoid autoignition and in the use of stoichiometric operation for the optimal operation of the aftertreatment system. / Pitarch Berná, R. (2023). Study of different Exhaust Gas Recirculation Configurations and their Impact on Turbocharged Spark Ignition Engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/198094

[ES] El aumento global de las emisiones de gases de efecto invernadero desde el inicio de la Revolución Industrial se ha convertido en un grave peligro para la vida humana. Además de la generación de energía y la industria, el transporte, con el aumento del número total de vehículos en las últimas décadas, es uno de los principales responsables de este incremento exponencial de los gases causantes del calentamiento global. De hecho, ciudades como Barcelona o Madrid, entre muchas otras, están imponiendo restricciones al tráfico para mitigar esta situación. Sin embargo, la humanidad aún está a tiempo de invertir esta tendencia negativa y solucionar el problema medioambiental para las generaciones futuras. El objetivo principal de la presente Tesis se centra en el estudio, implementación y análisis del concepto de encendido por precámara pasiva para su aplicación en la próxima generación de vehículos automóviles. Más específicamente, esta investigación aborda los fenómenos físicos que intervienen en el proceso de combustión cuando se utiliza el sistema de encendido por precámara en un motor de encendido provocado. A continuación, se aplican algunas estrategias para mejorar el rendimiento térmico que se obtiene operando con este concepto. Finalmente, a partir del conocimiento generado, se presentan unas directrices básicas para el prediseño de este tipo de precámaras. La primera aproximación al concepto consiste en su implementación directa en el motor, obteniendo resultados experimentales en tres condiciones de funcionamiento diferentes en términos de carga y régimen de giro del motor. Además, también se evalúan diferentes geometrías de precámara. Aunque su implementación directa es relativamente sencilla mediante la sustitución de la bujía, la comprensión de ciertos fenómenos relevantes relacionados con la combustión, como el intercambio de gases o la penetración de los chorros, es extremadamente difícil sin el apoyo de herramientas computacionales. Esta es la principal razón que justifica el uso de herramientas numéricas 1D en la presente Tesis, ya que con un modelado adecuado basado en datos experimentales, se puede obtener información relevante en aquellas situaciones en las que no es factible generarla experimentalmente. Estas herramientas 1D tienen las ventajas de su bajo coste computacional y su capacidad de proporcionar resultados en poco tiempo. En cuanto al rendimiento térmico, se adoptan dos estrategias diferentes, como el aumento de lambda o el aumento de la tasa de recirculación de los gases de escape, para incrementar aún más las ventajas del sistema de encendido por precámara pasiva. Sin embargo, se alcanzan los límites físicos de aplicación de ambas estrategias y se proponen una serie de posibilidades para ampliar estos límites y aumentar el rendimiento térmico. Finalmente, a partir de los resultados experimentales y numéricos, se sugieren algunas pautas para diseñar una precámara que aproveche las ventajas observadas, aumentando el rendimiento térmico en comparación con los conceptos de encendido por bujía convencional y por precámara pasiva actuales. / [CA] L'augment global de les emissions de gasos d'efecte d'hivernacle des de l'inici de la Revolució Industrial s'ha convertit en un greu perill per a la vida humana. A més de la generació d'energia i la indústria, el transport, amb l'augment del nombre total de vehicles en les últimes dècades, és un dels principals responsables d'aquest increment exponencial dels gasos causants de l'escalfament global. De fet, ciutats com Barcelona o Madrid, entre moltes altres, estan imposant restriccions al trànsit per a mitigar aquesta situació. No obstant això, la humanitat encara és a temps d'invertir aquesta tendència negativa i solucionar el problema mediambiental per a les generacions futures. L'objectiu principal de la present Tesi se centra en l'estudi, implementació i anàlisi del concepte d'encesa per precàmera passiva per a la seua aplicació en la pròxima generació de vehicles automòbils. Més específicament, aquesta investigació aborda els fenòmens físics que intervenen en el procés de combustió quan s'utilitza el sistema d'encesa per precàmera en un motor d'encesa provocada. A continuació, s'apliquen algunes estratègies per a millorar el rendiment tèrmic que s'obté operant amb aquest concepte. Finalment, a partir del coneixement generat, es presenten unes directrius bàsiques per al predisseny d'aquesta mena de precàmeres. La primera aproximació al concepte consisteix en la seua implementació directa en el motor, obtenint resultats experimentals en tres condicions de funcionament diferents en termes de càrrega i règim de gir del motor. A més, també s'avaluen diferents geometries de precàmera. Encara que la seua implementació directa és relativament senzilla mitjançant la substitució de la bugia, la comprensió d'uns certs fenòmens rellevants relacionats amb la combustió, com l'intercanvi de gasos o la penetració dels dolls, és extremadament difícil sense el suport d'eines computacionals. Aquesta és la principal raó que justifica l'ús d'eines numèriques 1D en la present Tesi, ja que amb un modelatge adequat basat en dades experimentals es pot obtindre informació rellevant en aquelles situacions en les quals no és factible generar-la experimentalment. Aquestes eines 1D tenen com a principal avantatge el seu baix cost computacional i la seua capacitat de proporcionar resultats en poc temps. Quant al rendiment tèrmic, s'adopten dues estratègies diferents, com l'augment de lambda o l'augment de la taxa de recirculació dels gasos d'escapament, per a incrementar encara més els avantatges del sistema d'encesa per precàmera passiva. No obstant això, s'aconsegueixen els límits físics d'aplicació de totes dues estratègies i es proposen una sèrie de possibilitats per a ampliar aquests límits i augmentar el rendiment tèrmic. Finalment, a partir dels resultats experimentals i numèrics, se suggereixen algunes pautes per a dissenyar una precàmera que aprofite els avantatges observats, augmentant el rendiment tèrmic en comparació amb els conceptes d'encesa per bugia convencional i per precàmera passiva actuals. / [EN] The global greenhouse gas emissions increase since the start of the Industrial Revolution has become a serious hazard to human life. In addition to power generation and industry, transportation, with the rise in the total vehicle number in the last decades, is one of the main contributors to this exponential increase of global warming-causing gases. In fact, cities such as Barcelona or Madrid, among many others, are imposing traffic restrictions to mitigate this situation. However, mankind is still on time to reverse this negative tendency and fix the environmental issue for the upcoming generations. The main goal of the present Thesis focuses on the study, implementation and analysis of the passive pre-chamber ignition concept in a near-future light-duty passenger car application. To be more specific, the investigation addresses the physical phenomena involving the combustion process when pre-chamber ignition system is used in a spark-ignition engine. Then, some strategies to improve thermal efficiency while employing this concept are applied. Finally, with all the knowledge gathered, basic guidelines for a pre-chamber pre-design are presented. The first approach to the concept consists of its direct implementation in the engine, obtaining experimental results in three different operating conditions in terms of engine load and speed. Furthermore, different prechamber geometries are also evaluated. Although its direct implementation is relatively straightforward by exchanging the spark plug, understanding some of the relevant phenomena related to the combustion process, such as gas exchange or jet-tip penetration, is extremely difficult without the support of computational tools. This is the main reason supporting the use of 1D numerical tools in the present Thesis, since with proper modeling based on experimental data, further knowledge can be obtained in those situations where experimental evaluations are not feasible. These 1D tools have the benefits of their low computational cost and their ability to provide reasonably good results in a short period of time. In terms of thermal efficiency, two different strategies, such as the increase of lambda or the increase of the exhaust gas re-circulation rate, are adopted to extend further the benefits of the passive pre-chamber ignition system. However, the physical application limits of both strategies are reached, and a series of possibilities are proposed to expand these limits and increase thermal efficiency. Finally, with all the experimental and numerical results, some guidelines are suggested to design a pre-chamber that takes advantage of the benefits, increasing thermal efficiency compared with the conventional spark ignition and the current passive pre-chamber concepts. / The respondent wishes to acknowledge the financial support received through contract FPI-S2-19-21993 of the Programa de Apoyo para la Investigación y Desarrollo (PAID) of Universitat Politècnica de València. Parts of the work presented in this thesis have been supported by different collaborations with the research partner Sandia National Laboratories LLC, 7011 East Ave, Livermore, California, US. / Martínez Hernándiz, PJ. (2023). Implementation and Analysis of the Pre-Chamber Ignition Concept in a SI Engine for Passenger Car Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202063

[ES] Los combustibles bajos en carbono (LCF) se evalúan como un sustituto adecuado de los combustibles pesados fósiles actuales para un motor de combustión interna de encendido por compresión (CI ICE) en términos de rendimiento del motor, emisiones contaminantes e impacto ambiental. Los combustibles se evalúan de acuerdo con su factibilidad para sustituir los combustibles actuales del mercado con las alternativas LCF. A través de estudios directos y calibración optimizada específica del combustible, se aprovechan las características de bajas emisiones de los LCF para lograr menos emisiones contaminantes sin sacrificar la eficiencia del motor. La calibración se logra mediante la realización de un diseño de experimentos (DOE) a partir del cual se obtienen modelos para cada combustible, para posteriormente optimizar para bajas emisiones de NOx-hollín. Por último, se compara el impacto tanto de la calibración drop-in como de la calibración optimizada en un análisis de ciclo de vida (LCA) que tiene en cuenta la huella de CO2, así como otras categorías de impacto como la acidificación terrestre, la formación de partículas, el consumo de agua y la formación de ozono. En general, se encontró que los LCF probados pueden ser reemplazos adecuados para los CI ICE tanto en las calibraciones directas como en las optimizadas (aunque con algunas consideraciones de hardware), donde se puede alcanzar un rendimiento del motor similar a las líneas de base diésel actuales con importantes reducciones de contaminantes como NOx y hollín. Y adicionalmente, se comprobó que la proporción de renovabilidad del combustible es altamente beneficiosa para la reducción del impacto ambiental del combustible, donde los combustibles completamente renovables (como el LCD100 probado) podrían tener huellas de CO2 por kilómetro similares a las de los vehículos eléctricos en Europa, asumiendo que las materias primas y la energía para la producción de combustible provienen de fuentes renovables. / [CA] Els combustibles baixos en carboni (LCF) s'avaluen com un reemplaçament adequat dels combustibles pesats fòssils actuals per a un motor de combustió interna d'encesa per compressió (CI ICE) en termes de rendiment del motor, emissions contaminants i impacte ambiental. Els combustibles s'avaluen segons la seva viabilitat per substituir els combustibles actuals del mercat per les alternatives LCF. Mitjançant estudis d'abandonament i calibratge optimitzat específic del combustible, s'exploten les característiques de baixes emissions dels LCF per aconseguir emissions menys contaminants sense sacrificar l'eficiència del motor. El calibratge s'aconsegueix mitjançant la realització d'un disseny d'experiments (DOE) a partir del qual s'obtenen models per a cada combustible, per posteriorment optimitzar per a baixes emissions de NOx-sutge. Finalment, es compara l'impacte tant de la caiguda com del calibratge optimitzat en una anàlisi de cicle de vida (LCA) que considera la petjada de CO2, així com altres categories d'impacte com l'acidificació terrestre, la formació de partícules en suspensió, el consum d'aigua i la formació d'ozó. En general, es va trobar que els LCF provats poden ser reemplaçaments adequats per als CI ICE tant en les calibracions d'entrada com optimitzades (encara que amb algunes consideracions de maquinari), on es pot assolir un rendiment del motor similar a les línies de base dièsel actuals amb reduccions importants de contaminants com el NOx i el sutge. I addicionalment, es va comprovar que la proporció de renovable del combustible és altament beneficiosa per a la reducció de l'impacte ambiental del combustible, on els combustibles completament renovables (com el provat LCD100) podrien tenir petjades de CO2 per quilòmetre similars a les dels vehicles elèctrics a Europa, assumint que les matèries primeres i l'energia per a la producció de combustible provenen de fonts renovables. / [EN] Low carbon fuels (LCFs) are evaluated as a suitable replacement for current fossil heavy fuels for a compression ignition internal combustion engine (CI ICE) in terms of engine performance, pollutant emissions and environmental impact. The fuels are evaluated according to their feasibility to substitute current market fuels with the LCF alternatives. Through drop-in studies and fuel-specific optimized calibration, the low emission characteristics of the LCFs to achieve fewer polluting emissions without sacrificing the engine efficiency are exploited. The calibration is achieved by the realization of a design of experiments (DOE) from which models are obtained for each fuel, to be later optimized for low NOx-soot emissions. Finally, the impact of both the drop-in and optimized calibration are compared in a life cycle analysis (LCA) that considers the CO2 footprint, as well as other impact categories such as terrestrial acidification, particulate matter formation, water consumption and ozone formation. Overall, it was found that the tested LCFs can be suitable replacements for CI ICEs in both the drop-in and optimized calibrations (albeit with some hardware considerations), where engine performance similar to current diesel baselines can be reached with important reductions in pollutants like NOx and soot. And additionally, it was verified that the renewability proportion of the fuel is highly beneficial to the reduction of the environmental impact of the fuel, where completely renewable fuels (like the tested LCD100) could have CO2 footprints by kilometer similar to those of electric vehicles in Europe, assuming that raw materials and energy for the fuel production come from renewable sources. / This doctoral thesis has been partially supported by the Conselleria d'Innovació, Universitats, Ciència i Societat Digital de la Generalitat Valenciana through the predoctoral contract (ACIF/2021/200). / Guzmán Mendoza, MG. (2024). Impact of Different e-Fuels Types on Light Duty Compression Ignition Engine Performance, Emissions and CO2 Life Cycle Analysis [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/203090

[ES] El carácter cada vez más estricto de las normativas de emisiones ha provocado el desarrollo de motores de combustión más respetuosos con el medioambiente. La última normativa europea aplicada al sector del transporte ha ampliado el rango de condiciones de operación en el que se realizan las pruebas de homologación. Las variables de temperatura ambiente y altitud de conducción son ahora requisitos adicionales que deben tenerse en cuenta con la intención de reducir la diferencia entre el resultado de esas pruebas y en condiciones de conducción real. La comprensión del impacto de las condiciones ambientales sobre el funcionamiento del motor es algo fundamental para superar los inconvenientes que pueden representar la respuesta del motor y teniendo un gran impacto sobre las emisiones del mismo. Como consecuencia de la variación de la altitud y de la temperatura ambiente, las condiciones de contorno de los sistemas de postratamiento de los gases de escape (EATS) se modifican, comprometiendo su funcionamiento y repercutiendo en las emisiones liberadas a la atmosfera. En el caso concreto de los motores Diesel, los dos EATS más comunes son el catalizador de oxidación diesel (DOC) y el filtro de partículas diesel (DPF). En este contexto, la presente tesis doctoral propone diferentes enfoques a fin de comprender los principales efectos que las condiciones ambientales extremas provocan en el motor y en el funcionamiento del DOC y del DPF. Una parte importante de este trabajo ha consistido en la puesta en marcha de un banco de pruebas experimental equipado con un simulador de altitud y de una herramienta de modelización termo fluidodinámica unidimensional (1D) para un amplio análisis. Tras los resultados experimentales en condiciones de estado estacionario a baja temperatura, los mapas de contorno de las emisiones de CO y HC condujeron a la evaluación como las condiciones ambientales extremas repercuten en la temperatura de activación del DOC y en la eficiencia de conversión de las emisiones contaminantes. El análisis computacinal ayudó a elaborar directrices que determinan la contribución de las propiedades del flujo causadas por dichas condiciones. Asimismo, se ha abordado el efecto de la aplicación de soluciones computacionales de aislamiento térmico del escape sobre el DOC y la respuesta del motor. Por otro lado, se ha realizado experimentalmente la actuación de la turbina de geometría variable (VGT) sobre el proceso de regeneración del DPF. El impacto que la estrategia de presión de sobrealimentación tiene sobre la tasa de consumo de hollín durante la regeneración activa en función de la altitud de conducción se considera con la orientación de las herramientas de modelado. La discusión de la reducción de la tasa de regeneración en altitud con las estrategias de sobrealimentación estándar ha conducido a la reevaluación de la actuación de la de la turbina de geometría variable (VGT) para condiciones de altitud extrema. Por último, se ha analizado experimentalmente la sensibilidad de la posición del VGT y la tasa de EGR de baja presión (LP-EGR) sobre el comportamiento del motor a cargas parciales en un amplio rango de condiciones ambientales. Los resultados han conducido a la redefinición de la calibración del motor a fin de aumentar la temperatura de entrada del EATS al tiempo que se reduce el consumo específico de combustible. / [CA] El caràcter cada vegada més estricte de les normatives d'emissions ha provocat el desenvolupament de motors de combustió més respectuosos amb el medi ambient. L'última normativa europea aplicada al sector del transport ha ampliat el rang de condicions d'operació en el qual es realitzen les proves d'homologació. Les variables de temperatura ambient i altitud de conducció són ara requisits addicionals que han de tindre's en compte amb la intenció de reduir la diferència entre el resultat d'aqueixes proves i en condicions de conducció real. La comprensió de l'impacte de les condicions ambientals en el compliment de la normativa pel motor es fonamental per a superar els inconvenients que poden representar per a la resposta del motor amb un ampli impacte en les emissions d'aquest. A conseqüència de la variació de l'altitud o de la temperatura ambient, els límits dels sistemes de posttractament dels gasos de fuita (EATS) es modifiquen, comprometent el seu funcionament i repercutint en les emissions alliberades a la atmosfera. En el cas concret dels motors Dièsel, els dos EATS més comuns són el catalitzador d'oxidació dièsel (DOC) i el filtre de partícules dièsel (DPF). En aquest context, aquesta tesi doctoral proposa diferents enfocaments per a entendre els principals factors que les condicions ambientals extremes imposen al motor i al funcionament del DOC i del DPF. Una part important d'aquest treball ha consistit en la posada en marxa d'un banc de proves experimental equipat amb un simulador d'altitud i d'una eina de modelització termo fluidodinámica unidimensional (1D) per a una ampla anàlisi. Després dels resultats experimentals en condicions d'estat estacionari a baixa temperatura, els mapes de contorn de les emissions de CO i HC ha conduí a l'avaluació de com les condicions ambientals extremes repercuteixen en la temperatura d'activació del DOC i en l'eficiència de conversió de les emissions contaminants. L'anàlisi computacinal ha ajudat a elaborar directrius que determinen la contribució de les propietats del flux causades per aquestes condicions. Així mateix, l'efecte de l'aplicació de solucions d'aïllament tèrmic del tubo d'escapament sobre el DOC i la resposta del motor. D'altra banda, s'ha realitzat experimentalment l'actuació de la turbina de geometria variable (VGT) sobre el procés de regeneració del DPF. L'impacte que l'estratègia de pressió de sobrealimentació té sobre la taxa de consum de sutge durant la regeneració activa en funció de l'altitud de conducció es considera amb l'orientació de les eines de modelatge. La discussió de la reducció de la taxa de regeneració en altitud amb les estratègies de sobrealimentació estàndard ha conduït a la reavaluació de l'actuació de la de la turbina de geometria variable (VGT) per a condicions d'altitud extrema. Finalment, s'ha analitzat experimentalment la sensibilitat de la posició del VGT i la taxa de EGR de baixa pressió (LP-EGR) sobre el comportament del motor a càrregues parcials en un ampli rang de condicions ambientals. Els resultats han conduït a la redefinició del calibratge del motor a fi d'augmentar la temperatura d'entrada del EATS al mateix temps que es redueix el consum específic de combustible. / [EN] The increasingly stringent emission standards act as a guide for the development of cleaner vehicles in a context of climate change. The latest European regulations applied to the transportation sector widened the operation range where homologation tests are carried out. The variables of ambient temperature and driving altitude are now extra requirements that must be considered in a way to shorten the gap between those tests and real driving. The understanding of the ambient conditions impact on the engine response becomes fundamental to overcome the drawbacks represented by them, being determinant for the engine response with an extended impact on engine-out emissions. As a consequence of altitude or ambient temperature variation, the exhaust aftertreatment systems (EATS) boundaries are modified, compromising their operation and impacting on tailpipe emissions. In the specific case of Diesel engines, the two most common EATS are the diesel oxidation catalyst (DOC) and the diesel particulate filter (DPF). In this context, this doctoral thesis proposes different approaches to understand the main factors that extreme ambient conditions impose to the engine and to the DOC and DPF operation. An important part of this work consisted of the set up of an experimental test bench equipped with an altitude simulator and of a one-dimensional (1D) thermo-fluid dynamic modelling tool for a wide-ranging analysis. Following low temperature steady state conditions experimental outcomes, CO and HC emission contour maps led to the evaluation of how extreme ambient conditions impact on the DOC light-off and pollutant emissions conversion efficiency. The modelling analysis helped to build guidelines that determine the contribution of the flow properties caused by such conditions. Besides, the effect of applying computational exhaust line thermal insulation solutions on the DOC and engine response is additionally addressed. On the other hand, the variable geometry turbine (VGT) actuation on the DPF regeneration process is performed experimentally. The impact that the boost pressure strategy has on the rate of soot depletion during active regeneration as a function of the driving altitude is considered with the guidance of the modelling tools. The reduction of the regeneration rate in altitude with standard boosting strategies is discussed, leading to the re-evaluation of the VGT actuation for high altitude practices. Finally, the sensitivity of the VGT position and low pressure exhaust gases recirculation (LP-EGR) rate at a vast array of ambient conditions is experimentally analysed for regular engine operation at partial loads. The results led to the engine calibration redefinition based on EATS inlet temperature increase and the reduction of the specific fuel consumption. / Diesel Costa, B. (2022). Advancement in Understanding the Extreme Altitude and Ambient Temperature Impact on Diesel Engine and Aftertreatment Performance [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181715

[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