[ES] Esta tesis evalúa ciclos de producción de oxígeno que usan membranas en tres contextos industriales, enfatizando en la producción de potencia operando bajo oxicombustión. La principal motivación es reducir las emisiones contaminantes sin afectar el desempeño del sistema. Se ha realizado un análisis termoeconómico de un ciclo de producción de oxígeno basado en membranas para evaluar la viabilidad de estas instalaciones en una planta de cerámica. El ciclo se impulsa por gases reciclados de la planta y usa turbogrupos e intercambiadores de calor para comprimir y calentar el aire para extraer su oxígeno. Dos configuraciones han sido estudiadas, encontrándose un costo óptimo de producción de 31e/t, competitivo cuando se considera un precio medio de mercado de 50e/t. Comparado con otros métodos de producción de oxígeno, este ciclo es competitivo en lo que respecta a la pureza y producción del oxígeno y el consumo energético. Esto motivó el estudio de configuraciones similares operando en dos contextos de generación de potencia que usan con oxicombustión: una planta de generación eléctrica y un motor de encendido provocado. En el primer contexto, se compara el desempeño de dos métodos de producción de oxígeno, operando en una planta de generación eléctrica (Ciclo Graz), que usa separación criogénica de aire como fuente de oxígeno, siendo el caso base del análisis. Se consideran dos configuraciones de membrana: de tres y cuatro entradas, cuya fuente de energía es un flujo de temperatura media dentro del ciclo de potencia. La configuración con una membrana de tres entradas mejora la eficiencia del caso base en un 0.61 %, y la de cuatro entradas en un 2.3 %. La producción de oxígeno requiere un menor consumo energético que en el caso base en las configuraciones de membrana, aumentando la salida de potencia neta del caso base. Por tanto, la producción de oxígeno con membranas muestra un desempeño prometedor, con una posible integración con una planta de producción de potencia que trabaja con oxicombustión. En el segundo contexto, el ciclo de membrana se acopla a un motor de encendido provocado. Distintas condiciones de operación son evaluadas en términos del consumo de combustible y disponibilidad de energía para la producción de oxígeno. La fuente de energía del ciclo de membrana es el flujo de gases de escape del motor. Primeramente, distintas concentraciones de oxígeno y relaciones de compresión del motor son estudiadas a un régimen medio, comparando el desempeño con la operación convencional del motor. Una concentración media (30 %) fue hallada como óptima en el estudio, cuyas condiciones de operación permiten un aumento considerable de la relación de compresión del motor. En segundo lugar, se realiza un estudio de plena carga del motor en un rango amplio de regímenes de giro del motor. El motor de oxicombustión alcanza una operación sostenible en los regímenes estudiados, alcanzando los valores de referencia de plena carga. Se han obtenido consumos de combustible similares al caso convencional más eficiente cuando la relación de compresión es elevada en el caso de oxicombustión. En tercer lugar, se han encontrado límites operativos en cargas parciales y altitud. La tendencia de consumo de combustible del caso con oxicombustión es similar a un motor convencional sobrealimentado a cargas parciales, mejorando el desempeño de un motor de aspiración natural. La menor carga alcanzable esta entre 40-50% de la máxima carga, dependiendo de la relación de compresión del motor. Por otro lado, el sistema muestra un desempeño adecuado hasta los 4000 m de altitud. Se concluye que el ciclo de producción de oxígeno basado en membranas de separación de aire muestra flexibilidad para operar en un amplio rango de energía disponible, mostrando un desempeño adecuado de acuerdo con los requerimientos del sistema. Adicionalmente, se encuentran posibles ventajas en cuanto al consumo de energía y costos operativos realizando un diseño cuidadoso. / [CA] Aquesta tesi avalua cicles de producció d'oxigen que usen membranes en tres contextos industrials, emfatitzant en la producció de potencia operant amb oxicombustió. La principal motivació es reduir les emissions contaminants sense afectar el funcionament del sistema.S'ha realitzat una anàlisi termoeconómico d'un cicle de producció d'oxigen basat en membranes per a avaluar la viabilitat d'aquestes instal·lacions en una planta de ceràmica. El cicle s'impulsa per gasos reciclats de la planta i usa turbogrupos i intercanviadors de calor per a comprimir i calfar l'aire per a extraure el seu oxigen. Dues configuracions han sigut estudiades i s'ha trobat un cost òptim de producció d'oxigen de 31e/t, que es competitiu quan es considera un preu de mercat de 50e/t. Comparat amb altres mètodes de producció d'oxigen, aquest cicle mostra un comportament competitiu pel que fa a puresa d'oxigen, producció i consum energètic. Això va motivar l'estudi de configuracions similars operant en dos contexts diferents de generació de potencia que operen amb oxicombustió: una planta de generació elèctrica i un motor d'encesa provocada.En el primer context, s'ha comparat el funcionament de dos mètodes de producció d'oxigen diferents, operant amb una planta de generació elèctrica (cicle Graz), que usa separació criogènica d'aire com a font d'oxigen, sent el cas base de l'anàlisi. S'han considerat dues configuracions de membrana: de tres i quatre entrades, la font d'energia de les quals és un flux de temperatura mitjana dins del cicle de potència. La configuració amb una membrana de tres entrades millora l'eficiència del cas base amb un 0.61 %, mentre que la de quatre entrades comporta una millora d'un 2.3 %. La producció d'oxigen requerix menys consum energètic que en el cas base en les dues configuracions de membrana, augmentant l'eixida de potencia neta del cas base. Per tant, la producció d'oxigen amb membranes mostra un funcionament prometedor, amb una possible integració amb una planta de producció de potencia que treballa amb oxicombustió.En el segon context, el cicle de membrana s'acobla a un motor d'encesa provocada. Diferents condicions d'operació han sigut avaluades en termes de consum de combustible i disponibilitat d'energia per a la producció d'oxigen. La font d'energia per a la producció d'oxigen es el flux de gasos d'escapament del motor. Primerament, diferents concentracions d'oxigen i relacions de compressió del motor han sigut estudiades a un regim mitja, comparant el funcionament amb el d'un motor convencional. Una concentració mitjana (30%) va ser trobada com a òptima en l'estudi, les condicions d'operació del qual permeten un augment considerable de la relació de compressió del motor. En segon lloc, s'ha realitzat un estudi a plena carrega del motor en un rang ampli de règims de gir del motor. El motor d'oxicombustió aconseguix una operació sostenible en els règims estudiats, aplegant als valors de referencia a plena carrega. S'han obtingut consums de combustible similars al cas d'operació convencional mes eficient quan la relació de compressió es elevada en el cas d'oxicombustió.En tercer lloc, s'han trobat límits operatius referents a l'operació a carregues parcials i altitud. La tendència de consum de combustible del cas amb oxicombustió es similar a la d'un motor convencional sobrealimentat a carregues parcials, mentre que millora el funcionament d'un motor d'aspiració natural. La menor carrega assolible esta entre 40-50% de la màxima carrega, depenent de la relació de compressió del motor. Per una altra banda, el sistema mostra un funcionament adequat fins als 4000m d'altitud. Es pot dir que el cicle de producció d'oxigen basat en membranes de separació d'aire mostra flexibilitat per a operar en un rang ampli d'energia disponible, mostrant un funcionament adequat d'acord amb els requeriments del sistema. Addicionalment, es poden trobar posibles avantatges en consum d'energia i costs operatius realitzant un disseny cuidadós. / [EN] This thesis assesses oxygen production cycles based on membranes in three industrial situations, emphasizing power production operating under oxycombustion. The primary motivation is the reduction of pollutant emissions while not affecting the system's thermal efficiency.Thus, a thermoeconomic analysis of a membrane-based oxygen production cycle is performed to assess the viability of these facilities in the context of a ceramic plant. The cycle is driven by recycling gases within the plant and uses turbochargers and heat exchangers to compress and heat the air for oxygen obtention. Two configurations were studied, finding an optimum oxygen production cost of 31e/t was found, being competitive when compared with an average wholesale market price of 50e/t. Compared with other oxygen production methods, this cycle exhibits a competitive behavior regarding oxygen purity, production, and energy consumption. The promising results of this analysis motivate the study of similar configurations working in two oxycombustion contexts: a power plant and a spark-ignition engine. Two oxygen production methods operating with a power production plant (Graz cycle) are compared in the first context. The power plant uses cryogenic air separation as its oxygen source, the baseline in this analysis. Therefore, two membrane configurations are considered: three-end and four-end membranes. A medium-temperature stream within the power production cycle is the energy source to drive the membrane cycles. Both cases are compared with the baseline Graz cycle operation. The three-end membrane-based cycle improves the baseline efficiency by 0.61% and the four-end by 2.30 %. The oxygen production requires less power consumption in the membrane cases than in the baseline, increasing the net power output. Thus, membrane-based cases display a promising performance, with possible integration within an oxycombustion power plant. In the second context, the membrane-based cycle is coupled within an oxycombustion spark-ignition engine, where different operation conditions are evaluated regarding fuel consumption and energy availability for oxygen production. The energy source to drive the membrane-based cycle is the exhaust gases stream. As a first step, different oxygen concentrations and engine compression ratios are studied at medium speed, comparing the performance with the engine's conventional operation. Medium oxygen concentration (30 %) was found to be optimum. This concentration allows the operation at a high engine compression ratio. Secondly, a full-load study in a wide range of engine speeds is made. The oxycombustion engine achieves a sustainable operation at the studied speeds, reaching the reference full-load power values. Similar fuel consumptions regarding the most efficient conventional case are achieved when the engine compression ratio is elevated under oxycombustion. Thirdly, operative limits regarding part-load and altitude operation are found. The fuel consumption behavior of the oxycombustion case is similar to a conventional turbocharged engine at part-load while improving a naturally aspirated engine operation. The minimum achievable load is between 40 to 50% of the maximum load, depending on the engine compression ratio. The membrane cycle operation is affected at lower loads. On the other hand, the system shows a suitable performance up to 4000 m. Thus, it can be concluded that the membrane-based oxygen production cycle exhibits flexibility to work in a wide range of available energy, displaying a suitable performance according to the requirements. Additionally, possible advantages in energy consumption and operative costs could be found when a careful design is performed. / The author would like to acknowledge the financial support received through contract ACIF/2020/246 of the Conselleria d’Innovació, Universitats, Ciència i Societat Digital. / Gutiérrez Castro, FA. (2023). Assessment of highly turbocharged oxygen production cycles coupled with power generation systems working under oxycombustion [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/200173

[ES] Reducir las emisiones de gases contaminantes de los motores de combustión interna alternativos (MCIA) es uno de los mayores retos para combatir el calentamiento global. Dado que los motores seguirán siendo utilizados por la industria durante décadas, es necesario desarrollar nuevas tecnologías. En este contexto, la presente tesis doctoral viene motivada por la necesidad de seguir mejorando los motores, tanto desde el punto de vista de la ingeniería técnica como desde el punto de vista social, debido a los efectos de los gases de efecto invernadero. El objetivo principal de esta tesis es desarrollar una metodología de optimización para sistemas de combustión de motores de encendido por compresión (MEC) mediante el acoplamiento de algoritmos de optimización con simulación por ordenador. Con la optimización de los sistemas de combustión es posible aumentar la eficiencia de los motores, reduciendo así el consumo de combustible junto con la reducción de emisiones contaminantes, en particular óxidos de nitrógeno (NOx) y hollín. En el primer paso, se abordan diferentes algoritmos de optimización con el fin de elegir el mejor candidato para esta metodología. A partir de aquí, la primera optimización se centra en un motor de encendido por compresión que funciona con combustible convencional para validar la metodología y también para evaluar el estado actual de evolución de estos motores. Con el objetivo de reducir el consumo de combustible manteniendo los niveles de NOx y hollín por debajo de los valores de un motor real, se inicia el proceso de optimización. Los resultados obtenidos confirman que un nuevo sistema de combustión específico para este motor podría generar una reducción del consumo de combustible manteniendo las emisiones de gases por debajo del valor estipulado. Además, se concluye que los motores MEC que utilizan combustible convencional se encuentran ya en un nivel de eficiencia muy elevado, y es difícil mejorarlos sin utilizar un sistema de postratamiento. Así pues, el segundo bloque de optimización se basa en el uso de motores MEC que funcionan con un combustible alternativo, que en este caso es el OME. El objetivo de este estudio es diseñar un sistema de combustión específico para un motor que utilice este combustible y que ofrezca un rendimiento del mismo orden de magnitud que un motor diésel. En la búsqueda de una mayor eficiencia, las emisiones de NOx son una restricción del sistema de optimización para que el sistema de combustión no emita más gases que un motor real. En este caso, el hollín no se tiene en cuenta debido a que las características del combustible no producen este tipo de contaminante. Los resultados mostraron que un sistema de combustión diseñado específicamente para esta operación podía ofrecer altas eficiencias, incluso la eficiencia obtenida fue alrededor de 2,2 % mayor en comparación con el motor diesel real. Además, fue posible reducir a la mitad las emisiones de NOx cuando el motor funciona con OME. El último bloque de optimización se refiere a una nueva arquitectura de motor que permite eliminar las emisiones de NOx. El modelo de oxicombustión resulta apasionante, ya que se elimina el nitrógeno de la mezcla de admisión y, por tanto, no se generan emisiones que contengan N2. Además, con el uso de este modo de combustión, es posible capturar CO$_{2}$ de los gases de escape, que luego puede venderse en el mercado. Dado que se trata de un tema nuevo y poco investigado, los resultados son prometedores. Demuestran que fue posible obtener un sistema de combustión específico capaz de ofrecer niveles de eficiencia cercanos a los de los motores convencionales. Además, se eliminaron las emisiones de NOx, así como las de hollín. Adicionalmente, este sistema fue capaz de reducir las emisiones de CO y HC a niveles similares a los motores convencionales. Por otra parte, los resultados presentados en esta tesis doctoral proporcionan una base de datos ampliada para explorar el funcionamiento del motor CI. / [CAT] Reduir les emissions de gasos contaminants dels motors de combustió interna alternatius (MCIA) és un dels majors reptes per a combatre el camvi climàtic. Atés que els motors continuaran sent utilitzats per la indústria durant dècades, és necessari desenvolupar noves tecnologies. En aquest context, la present tesi doctoral ve motivada per la necessitat de continuar millorant els motors, tant des del punt de vista de l'enginyeria tècnica com des del punt de vista social, degut a l'efecte dels gasos d'efecte d'hivernacle. L'objectiu principal d'aquesta tesi és desenvolupar una metodologia d'optimització per a sistemes de combustió de motors d'encesa provocada mitjançant l'acoblament d'algorismes d'optimització amb simulació per ordinador. Amb l'optimització dels sistemes de combustió és possible augmentar l'eficiència dels motors, reduint així el consum de combustible, concomitantment amb la reducció d'emissions de gasos, en particular òxids de nitrogen (NOx) i sutge. En el primer pas, s'aborden diferents algorismes d'optimització amb la finalitat d'elegir el millor candidat per a aquesta metodologia. A partir d'ací, la primera optimització se centra en un motor d'encesa per compressió que funciona amb combustible convencional per a validar la metodologia i també per a avaluar l'estat actual d'evolució d'aquests motors. Amb l'objectiu de reduir el consum de combustible mantenint els nivells de NOx i sutge per davall dels valors d'un motor real, s'inicia el procés d'optimització. Els resultats obtinguts confirmen que un nou sistema de combustió específic per a aquest motor podria generar una reducció del consum de combustible mantenint les emissions de gasos per davall del valor estipulat. A més, es conclou que els motors d'encesa per compressió que utilitzen combustible convencional es troben ja en un nivell d'eficiència molt elevat, i és difícil millorar-los sense utilitzar un sistema de posttractament. Així doncs, el segon bloc d'optimització es basa en l'ús de motors d'encesa per compressió que funcionen amb un combustible alternatiu, que en aquest cas és el OME. L'objectiu d'aquest estudi és dissenyar un sistema de combustió específic per a un motor que utilitze aquest combustible i que oferisca un rendiment del mateix ordre de magnitud que un motor dièsel. En la cerca d'una major eficiència, les emissions de NOx són una restricció del sistema d'optimització perquè el sistema de combustió no emeta més gasos que un motor real. En aquest cas, el sutge no es té en compte pel fet que les característiques del combustible no produeixen aquest tipus de contaminant. Els resultats van mostrar que un sistema de combustió dissenyat específicament per a aquesta operació podia oferir altes eficiències, fins i tot l'eficiència obtinguda va ser al voltant de 2,2 % major en comparació amb el motor dièsel real. A més, va ser possible reduir a la meitat les emissions de NOx quan el motor funciona amb OME. L'últim bloc d'optimització es refereix a una nova arquitectura del motor que permet eliminar les emissions de NOx. El model de oxicombustió resulta apassionant, ja que s'elimina el nitrogen de la mescla d'admissió i, per tant, no es generen emissions que continguen N2. A més, amb l'ús d'aquesta manera de combustió, és possible capturar CO$_{2}$ dels gasos de fuita, que després pot vendre's en el mercat. Atés que es tracta d'un tema nou i poc investigat, els resultats són prometedors. Demostren que va ser possible obtindre un sistema de combustió específic capaç d'oferir nivells d'eficiència pròxims als dels motors convencionals. A més, es van eliminar les emissions de NOx, així com les de sutge. Addicionalment, aquest sistema va ser capaç de reduir les emissions de CO i HC a nivells similars als motors convencionals. D'altra banda, els resultats presentats en aquesta tesi doctoral proporcionen una base de dades ampliada per a explorar el funcionament del motor CI. / [EN] Reducing emissions of pollutant gases from internal combustion engines (ICE) is one of the biggest challenges to combat global warming. As the engines will continue to be used by industry for decades, it is necessary to develop new technologies. In this context, the present doctoral thesis was motivated by the need to further improve engines, both from a technical engineering and social point of view, due to the effects of greenhouse gases. The main objective of this thesis is to develop an optimization methodology for compression ignition (CI) engine combustion systems by coupling optimization algorithms with computer simulation. With the optimization of the combustion systems, it is possible to increase the efficiency of the engines, thus reducing fuel consumption, concomitantly with the reduction of gas emissions, in particular nitrogen oxides (NOx) and soot. In the first step, different optimization algorithms are addressed in order to elect the best candidate for this methodology. From this point on, the first optimization is focused on a CI engine operating with conventional fuel in order to validate the methodology and also to evaluate the current state of evolution of these engines. With the goal of reducing fuel consumption while keeping NOx and soot levels below the values of a real engine, the optimization process begins. The results obtained confirm that a new combustion system specifically for this engine could generate a reduction in fuel consumption while keeping gas emissions below the stipulated value. Furthermore, it is concluded that CI engines using conventional fuel are already at a very high-efficiency level, and it is difficult to improve them without the use of an after-treatment system. Thus, the second optimization block is based on the use of CI engines operating on an alternative fuel, which in this case is OME. This study aimed to design a specific combustion system for an engine using this fuel that delivers efficiency on the same order of magnitude as a diesel engine. While searching for better efficiency, the NOx emissions are a restriction of the optimization system so that the combustion system does not emit more gases than a real engine. In this case, soot is not considered due to the characteristics of the fuel not producing this kind of pollutant. The results showed that a combustion system designed specifically for this operation could deliver high efficiencies, including the efficiency obtained was around 2.2 \% higher compared to the real diesel engine. In addition, it was possible to halve the NOx emissions when the engine operates with OME. The last optimization block concerns a new engine architecture that makes it possible to eliminate NOx emissions. The oxy-fuel combustion model is exciting since nitrogen is eliminated from the intake mixture, and thus no emissions containing N2 are generated. Furthermore, with the use of this combustion mode, it is possible to capture CO$_{2}$ from the exhaust gas, which can then be sold to the market. Since this is a new and little-researched topic, the results are promising. They show that it was possible to obtain a specific combustion system capable of delivering efficiency levels close to conventional engines. Furthermore, NOx emissions were eliminated, as well as soot emissions. Additionally, this system was able to reduce CO and HC emissions to levels similar to conventional engines. Moreover, the results presented in this doctoral thesis provide an extended database to explore the CI engine operation. Additionally, this work showed the potential of computational simulation allied with mathematical methods in order to design combustion systems for different applications. / I want to thanks the Universitat Politecnica de Valencia for his predoctoral contract (FPI-2019-S2-20-555), which is included within the framework of Programa de Apoyo para la Investigacion y Desarrollo (PAID). / Spohr Fernandes, C. (2023). Analysis and CFD-Guided optimization of advanced combustion systems in compression-ignited engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/193292