Resumen de la tesis A pesar del desarrollo en el post-tratamiento de los NOx en motores Diesel, el EGR (Recirculación de los Gases de Escape) continúa siendo una solución efectiva desde el punto de vista técnico y económico para cumplir las normativas anti-contaminantes presentes y futuras. Con el uso generalizado de los filtros de partículas, las desventajas tradicionales de los sistemas de EGR de baja presión, esto es, la durabilidad del compresor y el intercooler , se han reducido. Además, los sistemas de EGR de baja presión han adquirido un considerable interés recientemente por permitir llevar a cabo altas tasas de EGR manteniendo bajas temperaturas de admisión. Si bien la bibliografía acerca de los efectos de la recirculación de gases de escape en la combustión y las emisiones de los motores Diesel es particularmente extensa, poco hay publicado acerca de los efectos del EGR en los procesos de renovación de la carga, especialmente cuando se emplean circuitos de EGR de baja presión. Por este motivo, en esta tesis se examinan los efectos de ambos sistemas de EGR (alta y baja presión) en los procesos de renovación de la carga y en la sobrealimentación. En lo que respecta al impacto de la arquitectura del sistema de EGR en el proceso de renovación de la carga, el estudio se centrará tres factores principales: la capacidad de ambas arquitecturas para introducir masa en los cilindros, evaluada a partir del gasto de aire y la tasa de EGR, la eficiencia del proceso de renovación de la carga, determinada por el trabajo de bombeo, y finalmente, la capacidad de ambos sistemas de distribuir homogéneamente el EGR entre cilindros. En lo concerniente a los efectos de la configuración del sistema de EGR en la sobrealimentación, en este trabajo se evalúan los efectos de los diferentes gastos a través de turbina y compresor, el acoplamiento que aparece entre los sistemas de EGR y TGV, y algunas estrategias de control del EGR y la turbina. Puesto que la condensación de es / Plá Moreno, B. (2009). Análisis del proceso de la recirculación de los gases de escape de baja presión en motores Diesel sobrealimentados [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/4782 / Palancia

[ES] Las actuales y futuras normativas, en términos de emisiones contaminantes y movilidad sostenible, continuarán fijando una difícil etapa para el desarrollo y mejoramiento de los motores de combustión interna alternativos (MCIA). Los nuevos parámetros conocidos como, emisiones reales de conducción, los cambios de altitud y las condiciones extremas de operación a bajas temperaturas, son los mayores desafíos para cumplir bajo estas nuevas normativas. Por esta razón, la academia y los fabricantes de la industria de la automoción continúan trabajando en colaboración, tratando de desarrollar más eficientes y menos contaminantes sistemas de propulsión. En este trabajo experimental de investigación, los principales resultados de un proyecto de colaboración llevado a cabo entre la empresa Valeo Systèmes Thermiques y la Universitat Poltècnica de València son presentados. La recirculación de gases de escape, en sus dos configuraciones, de alta y de baja presión, y la desactivación de cilindros, son las principales estrategias que se estudiarán en este trabajo, debido a su alto potencial y su bajo costo de implementación. Estas estrategias son evaluadas en un motor Diesel, instalado en una cámara de ensayos climática y operando a bajas temperaturas ambiente (-7°C). La primera estrategia, es la activación de la EGR de alta presión desde el inicio de un arranque de motor y el desarrollo de un modelo de condensación simple capaz de predecir si hay o no condensación dentro de la línea de EGR bajo estas condiciones. En particular, el ratio de humedad y las condiciones internas del motor que caracterizan la aparición de este fenómeno son calculadas por el modelo. Este modelo es validado por medio de cámaras instaladas en el rail de EGR con el objetivo de visualizar la evolución de la condensación dentro de los componentes. El ratio de humedad calculado y el comportamiento de la condensación observado a través de las cámaras, muestran que durante un arranque de motor en frío, las condiciones de condensación en los gases están presentes hasta que se alcanzan aproximadamente 50°C, mientras que en las paredes sólidas y en los componentes, las condiciones se mantienen hasta que se alcanzan aproximadamente 30°C. En la segunda estrategia, una nueva línea de EGR compacta, equipada con un sistema de bypass para el intercambiador de calor es usada con el objetivo de acelerar el proceso de calentamiento del motor en comparación a la línea de EGR de baja presión original del motor. El objeto de esta estrategia es evaluar el impacto en el comportamiento del motor de realizar EGR de baja presión a bajas temperaturas con la activación del sistema de bypass para deshabilitar el intercambiador de calor. Siguiendo esta estrategia, una notable reducción en emisiones de NOx de aproximadamente 60% con respecto a un caso de referencia sin activación de la EGR de baja presión es lograda. Además, el proceso de calentamiento del motor ha sido reducido en aproximadamente 60 segundos y la temperatura de admisión del motor ha sido aumentada en 30°C, liderando una reducción en las emisiones de CO de aproximadamente 12%. En la tercera estrategia, el impacto de usar una nueva configuración de la desactivación de cilindros con el propósito de acelerar el proceso de calentamiento del motor es evaluada. Los resultados muestran un incremento en la temperatura de escape de alrededor de 100°C, el cual permite reducir la activación del catalizador en 250 segundos además de reducir el proceso de calentamiento del motor en aproximadamente 120 segundos. Esto permite reducir las emisiones de CO y HC en un 70% y 50%, respectivamente. Y finalmente, la última estrategia experimental realizada, evalúa el impacto de usar la EGR de alta presión mientras el filtro de partículas está en el modo activo de regeneración. Siguiendo esta posible condición de calibración de motor, una reducción en emisiones de NOx de aproximadamente 50% con respecto a un caso de referencia ha sido alcanzada. / [CA] Les actuals i futures normatives, en termes d'emissions contaminants i mobilitat sostenible, continuaran fixant una difícil etapa per al desenvolupament i millorament dels motors de combustió interna alternatius (MCIA). Els nous paràmetres coneguts com, emissions reals de conducció, els canvis d'altitud i les condicions extremes d'operació a baixes temperatures, són els majors desafiaments per a complir les noves normatives. Per aquesta raó, l'acadèmia i els fabricants de la indústria de l'automoció continuen treballant en col·laboració, tractant de desenvolupar més eficients i menys contaminants sistemes de propulsió. En aquest treball experimental d'investigació, es presenten els principals resultats d'un projecte de col·laboració dut a terme entre l'empresa Valeo Systèmes Thermiques i la Universitat Politècnica de València. La recirculació de gasos del motor, en les seues dues configuracions, d'alta i de baixa pressió, i la desactivació de cilindres, són les principals estratègies que s'estudiaran en aquest treball, a causa del seu alt potencial i el seu baix cost d'implementació. Aquestes estratègies són avaluades en un motor Dièsel, instal·lat en una cambra d'assajos climàtica i operant a baixes temperatures ambient (-7 °C). La primera estratègia, és l'activació de la EGR d'alta pressió des de l'inici d'una arrancada de motor i el desenvolupament d'un model de condensació simple capaç de predir si hi ha o no condensació dins de la línia de EGR. En particular, el ràtio d'humitat i les condicions internes del motor que caracteritzen l'aparició d'aquest fenomen són calculades pel model. Aquest model és validat per mitjà de càmeres instal·lades a el rail de EGR amb l'objectiu de visualitzar l'evolució de la condensació dins dels components. El ràtio d'humitat calculat i el comportament de la condensació observat a través de les càmeres, mostren que durant una arrancada de motor en fred, les condicions de condensació en els gasos són presents fins que s'aconsegueixen aproximadament 50 °C, mentre que a les parets i als components, les condicions es mantenen fins que s'aconsegueixen aproximadament 30 °C. En la segona estratègia, una nova línia de EGR compacta, equipada amb un sistema de bypass per a l'intercanviador de calor és usada amb l'objectiu d'accelerar el procés de calfament del motor en comparació a la línia de EGR de baixa pressió original del motor. L'objecte d'aquesta estratègia és avaluar l'impacte en el comportament del motor de realitzar EGR de baixa pressió a baixes temperatures amb l'activació del sistema de bypass per a evitar l'intercanviador de calor. Seguint aquesta estratègia, s'aconsegueix una notable reducció en emissions de NOx d'aproximadament 60% respecte a un cas de referència sense activació de la EGR de baixa pressió. A més, el procés de calfament del motor ha sigut reduït en aproximadament 60 segons i la temperatura d'admissió del motor ha sigut augmentada en 30 °C, produint una reducció en les emissions de CO d'aproximadament 12%. Per a la tercera estratègia, és avaluat l'impacte d'usar una nova configuració de la desactivació de cilindres amb el propòsit d'accelerar el procés de calfament del motor. Els resultats mostren un increment a la temperatura dels gasos de al voltant de 100 °C, el qual permet reduir l'activació del catalitzador en 250 segons a més de reduir el procés de calfament del motor en aproximadament 120 segons. Això permet reduir les emissions de CO i HC en un 70% i 50%, respectivament. Finalment, l'última estratègia experimental realitzada, avalua l'impacte d'usar la EGR d'alta pressió mentre el filtre de partícules està en la manera activa de regeneració. Seguint aquesta possible condició de calibratge de motor, ha sigut aconseguida una reducció en emissions de NOx d'aproximadament 50% respecte a un cas de referència sense activar la EGR d'alta pressió. / [EN] Current and future legislations, regarding pollutant emissions reduction and green mobility, will continue fixing a difficult stage for the development and improvement of internal combustions engines (ICEs). The Real Driving Emissions (RDE) parameters, the changes of altitude, and the extreme ambient temperature conditions in operation, are the major challenges to fulfill under these new legislations. By these reason, academy and automotive manufacturers continue working in collaboration, trying to develop more efficient and less polluting powertrains. In this experimental research work, the main results of a collaboration project between the private company Valeo Systèmes Thermiques and the Universitat Poltècnica de València are presented. Exhaust gas recirculation (EGR), in both configurations, high-pressure and low-pressure, and Cylinder Deactivation (CDA), are the main strategies studied in this work due to its high potential and low-cost implementation. These strategies are evaluated in a Light-duty Diesel engine, fitted in a climatic test bench and operating under low ambient temperature (-7ºC). The first strategy is the High-pressure EGR activation from the beginning of the engine start and the development of a simple condensation model able to predict whether or not there is condensation inside the EGR line under these conditions. In particular, the humidity ratio and the internal engine conditions that characterize the appearance of this phenomenon are estimated by the model. This model is validated by means of cameras fitted on the EGR rail in order to visualize the condensation evolution. The humidity ratio estimate and the condensation behavior observed through the cameras, shows that during an engine cold start, condensation conditions in the gases are present until reach approximately 50ºC, while in solid walls and components, the conditions remains until reach approximately 30ºC. In the second strategy, a new compact line fitted with a bypass system for the cooler is used with the aim of accelerating the engine warm-up process as compared to the original low-pressure EGR line. The aim of this strategy is to evaluate the impact on the engine behavior of performing Low-pressure EGR at cold conditions and to activate the bypass system in order to disable the cooler. Following this strategy, a noticeable NOx emissions reduction of approximately 60% with respect to a reference case without low-pressure EGR has been achieved. In addition, the engine warm-up process has been reduced in approximately 60 seconds and the engine intake temperature has been increased 30ºC, leading a CO emissions reduction of approximately 12%. In the third strategy, the impact of using a new cylinder deactivation configuration with the aim of improving the engine warm-up process is evaluated. The results show an increase of the exhaust temperatures of around 100ºC, which allows to reduce the diesel oxidation catalyst light-off by 250 seconds besides of reducing the engine warm-up process in approximately 120 seconds. This allows to reduce the CO and HC emissions by 70% and 50%, respectively. And finally, the last experimental strategy evaluates the impact of using the high-pressure exhaust gas recirculation while the diesel particulate filter is under active regeneration mode. Following these possible engine calibration conditions, a NOx emissions reduction of approximately 50% with respect to a reference case without high-pressure EGR during a DPF regeneration process has been achieved. / Miguel Ángel Bernal Maldonado has been partially supported through contract FPI-S1-2017-2377 of "Programa de Ayudas de Investigación y Desarrollo (PAID-01-17) de la Universitat Politècnica de València". The support of Valeo Systèmes Thermiques through projects CN-2016-99 and CN-2018-08 is also greatly acknowledged. / Bernal Maldonado, MÁ. (2023). Study of Different Strategies to Improve the Internal Combustion Engine (ICE) Operating at Cold Conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192652

[ES] El creciente uso de la recirculación de gases de escape durante los últimos años debido a su impacto en la reducción de las emisiones NOx y a la alta demanda de soluciones por parte de los nuevos ciclos de homologación para reducir emisiones, ha provocado la necesidad de estudiar en profundidad el sistema de recirculación de gases de escape para su uso de forma continua y con independencia de las condiciones ambientales. Debido a esta necesidad y sabiendo que el principal problema de su uso en el ciclo de baja presión es la condensación generada que provoca el desgaste del rodete del compresor. Ha hecho necesaria la investigación en profundidad de esta técnica para conocer, entender y predecir la condensación durante el uso de la recirculación de gases de escape de baja presión. Este trabajo se ha centrado en generar, mejorar y validar los modelos de predicción de condensados, así como de desarrollar técnicas experimentales que validaran y sirivieran para entender mejor el fenómeno de la condensación, con la visión puesta en calcular la condensación en ciclos completos de homologación. Respecto al trabajo experimental de esta tesis, se han centrado los esfuerzos en medir la condensación generada en el intercambiador de calor de la línea de recirculación de gases de escape de baja presión para diferentes condiciones, simulando un arranque en frío de motor. Otro de los puntos que se ha estudiado, ha sido la condensación a la salida de la unión en la que se mezcla la recirculación de gases de escape de baja presión con el aire del ambiente proveniente de la entrada del motor. Desarrollando nuevas metodologías para la medida experimental mediante técnicas ópticas y medidas indirectas de la condensación por mezcla. En cuanto al trabajo de modelado de la condensación, se ha investigado sobre dos grandes líneas. La primera ha sido el desarrollo de modelos 0D para el cálculo de la condensación en el intercambiado de calor de la línea de recirculación de gases de escape y la verificación experimental del modelo de condensación 3D-CFD desarrollado previamente a esta tesis. El segundo punto ha consistido en el desarrollo y aproximación de nuevas metodologías mediante métodos estadísticos de la reducción de la complejidad en el cálculo de la condensación, reduciendo el número de dimensiones necesarias para calcular de forma realista la condensación en un tiempo reducido. Esto ha posibilitado el cálculo de la condensación producida en ciclos de homologación y su posterior estudio mediante análisis de sensibilidad a diferentes condiciones, estimando una duración del rodete del compresor antes de sufrir desgaste debido a la erosión con el agua. / [CA] El creixent ús de la recirculació de gasos d'escapament durant els últims anys a causa del seu impacte en la reducció de les emissions NOx i a l'alta demanda de solucions per part dels nous cicles d'homologació per a reduir emissions, ha provocat la necessitat d'estudiar en profunditat el sistema per al seu ús de manera contínua i amb independència de les condicions ambientals. A causa d'aquesta necessitat i sabent que el principal problema del seu ús és la condensació generada que provoca el desgast del rodet del compressor, ha fet necessària la seua investigació en profunditat per conéixer, entendre i predir la condensació per l'ús de la recirculació de gasos d'escapament de baixa pressió. Aquest treball s'ha centrat en generar i millorar els models de predicció de condensats així com de desenvolupar tècniques experimentals que validaren i serviren per entendre millor el fenomen de la condensació, amb l'objectiu d'estimar la condensació en cicles complets d'homologació. Respecte al treball experimental d'aquesta tesi, s'han centrat els esforços a mesurar la condensació generada a l'intercanviador de calor de la línia de recirculació de gasos d'escapament de baixa pressió per a diferents condicions simulant una arrancada en fred de motor. Un altre dels punts que s'ha estudiat ha sigut la condensació a l'eixida de la unió en la qual es mescla la recirculació de gasos d'escapament de baixa pressió amb l'aire fresc que prové de l'entrada del motor, desenvolupant noves metodologies per a la mesura experimental mitjançant tècniques òptiques i mesures indirectes de la condensació per mescla. Quant al treball de modelatge de la condensació, s'ha investigat sobre dues grans línies. La primera ha sigut el desenvolupament de models 0D per al càlcul de la condensació a l'intercanviat de calor de la línia de recirculació de gasos d'escapament i la verificació experimental del model de condensació 3D-CFD desenvolupat prèviament a aquesta tesi. El segon punt ha consistit en el desenvolupament i aproximació de noves metodologies mitjançant mètodes estadístics de la reducció de la complexitat en el càlcul de la condensació, reduint les dimensions necessàries per a calcular de manera realista la condensació en un temps reduït. Això ha possibilitat el càlcul de la condensació produïda en cicles d'homologació i el seu posterior estudi mitjançant anàlisi de sensibilitat a diferents condicions. / [EN] The increasing use of the exhaust gas recirculation during the last years due to the impact reduction on the NOx emissions and the high demand on solutions to fulfill the homologation restrictions has revealed the need of studying deeply the system to operate continuously and independently of the boundary conditions. As a consequence of this and knowing that the main drawback of employing the low pressure exhaust gas recirculation is the condensation generation that causes erosion on the compressor impeller, research is required to understand and to predict the condensation during the exhaust gas recirculation activation. This work has been focused on generating and improving the modelling condensation prediction; and also, the development of experimental techniques that validates the proposed models for calculating the condensation water at cold warm-up homologation cycles. Concerning the experimental work presented on the thesis, the eorts has been focused on the condensation measurements in two dierent locations. On one hand, on the low pressure exhaust gas recirculation cooler, changing inlet conditions while simulating warm-up conditions on an engine. On the other hand, the condensation has been measured at the three-way junction outlet where the exhaust gas recirculation is mixed with fresh air coming from the ambient. Also, novel methodologies has been developed for measuring with optical techniques and with indirect measurements the mixing condensation. In terms of the condensation modeling, this thesis has been based in two main topics. The first topic regarding modeling was a 0D condensation model for calculating the condensation on heat exchangers and in particular, on low pressure exhaust gas recirculation coolers. Following this topic, it has been a quantitative validation of a 3D-CFD condensation submodel by means of experimental measurements. The second topic has been centered on developing new statistical methodologies for reducing the condensation calculation complexity on multi-dimensional simulations and reducing multi-fidelity parameters with the reduction of the computational cost. These methodologies have allowed to calculate the condensation on homologation cycles and to perform sensitivity analysis with different conditions. / The respondent wishes to acknowledge the financial support received through contract FPI-GVA-ACIF-2019 grant of the Government of Generalitat Valenciana and the European Social Fund. The equipment used in this work and the inter- national stay has been partially supported through the following project: • Project grant number GV/2020/008 of the “Conselleria de Innovación, Uni- versidades, Ciencia y Sociedad Digital de la Generalitat Valenciana” • Grant for the international stay number BEFPI-2020 of the “Conselleria de Innovación, Universidades, Ciencia y Sociedad Digital de la Generalitat Valenciana” and the European Social Fund / Moya Torres, F. (2022). Experimental analysis and multidimensional modeling of water condensation due to low-pressure exhaust gas recirculation activation during engine cold starts [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/187990 / TESIS

[ES] Teniendo en cuenta la cantidad de motores de combustión interna que se encuentran en activo actualmente, y sus potenciales emisiones de contaminación si se realizaran de forma incontrolada por el parque automovilístico, las normativas internacionales son cada vez más estrictas en cuanto a la cantidad de gases perjudiciales para el medio ambiente que pueden emitir dichos motores de manera unitaria. Debido a ello, se han ido desarrollando e implantando técnicas de reducción de contaminantes como el downsizing en el cual se reduce el tamaño del motor para reducir el consumo, la implantación de motores híbridos y la Recirculación de Gases de Escape. Esta técnica de recirculación puede abordarse de dos maneras alternativas: la Recirculación de Gases de Escape de Ruta Larga inyecta dichos gases antes del compresor, mientras que la Recirculación de Gases de Escape de Ruta Corta (o alta presión) los reinyecta después del compresor, en el mismo colector de admisión del motor. Dado que en ambas configuraciones se produce una inyección directa del flujo recirculado en la corriente principal, en el presente trabajo se propone un estudio numérico de la mezcla entre las corrientes de aire y gases recirculados usando un software comercial de mecánica de fluidos computacional (STAR-CCM+). En la configuración de Ruta Larga se ha propuesto en primer lugar estudiar el efecto en los parámetros globales del compresor de una entrada heterogénea compuesta por aire y gases de escape. Para ello, se han analizado 9 puntos de funcionamiento distintos, tratando de abarcar el mapa completo del compresor centrífugo con una tasa de inyección constante. Se ha demostrado, por un lado, la necesidad de un esquema transitorio de cálculo para la obtención de resultados confiables en todo el dominio del compresor. Por otro lado, se ha demostrado que, con tasas de penetración de flujo estándar, la inyección de gases recirculados no tiene un impacto reseñable en las prestaciones del compresor, con excepción de la zona de bombeo. En segundo lugar, se ha desarrollado un diseño numérico de experimentos en configuración de Ruta Larga con el objetivo de encontrar correlaciones entre la condensación generada en dichas uniones (la cual puede aparecer bajo ciertas condiciones de operación del motor) y la mezcla entre las corrientes de aire y gases de escape. Se ha demostrado que la penetración de los gases en la corriente principal es un factor clave en la condensación generada, aumentando la cantidad de mezcla entre ambas corrientes. En la configuración de Ruta Corta se han realizado estudios de configuración numérica tratando de estudiar la influencia de factores como malla, tamaño del paso temporal y modelos de turbulencia en la distribución final de los gases de escape entre los diferentes cilindros del motor. Se ha demostrado que los submodelos RANS pueden predecir la mayor parte de puntos de operación tanto en variables medias como instantáneas comparando resultados numéricos con mediciones experimentales. Fijando una configuración numérica, posteriormente se han analizado diferentes mezcladores en colectores de motores de 4 y 6 cilindros, demostrando la aplicabilidad de los índices de mezclado desarrollados y cuantificando la influencia de los diferentes efectos físicos que influyen en la distribución y mezcla de los gases de escape en la corriente principal. / [CA] Tenint en compte la quantitat de motors de combustió interna que es troben en actiu actualment, i les seues potencials emissions de contaminació si es realitzaren de manera incontrolada pel parc automobilístic, les normatives internacionals són cada vegada més estrictes quant a la quantitat de gasos perjudicials per al medi ambient que poden emetre aquests motors de manera unitària. A causa d'això, s'han anat desenvolupant i implantant tècniques de reducció de contaminants com el downsizing en el qual es redueix la grandària del motor per a reduir el consum, la implantació de motors híbrids i la Recirculació de Gasos de Fuita. Aquesta tècnica de recirculació pot abordar-se de dues maneres alternatives: la Recirculació de Gasos de Fuita de Ruta Llarga injecta aquests gasos abans del compressor, mentre que la Recirculació de Gasos de Fuita de Ruta Curta (o alta pressió) els reinjecta després del compressor, en el mateix collector d'admissió del motor. Atés que en totes dues configuracions es produeix una injecció directa del flux recirculat en el corrent principal, en el present treball es proposa un estudi numèric de la mescla entre els corrents d'aire i gasos recirculats usant un programari comercial de mecànica de fluids computacional (STAR-CCM+). En la configuració de Ruta Llarga s'ha proposat en primer lloc estudiar l'efecte en els paràmetres globals del compressor d'una entrada heterogènia composta per aire i gasos de fuita. Per a això, s'han analitzat 9 punts de funcionament diferents, tractant d'abastar el mapa complet del compressor centrífug amb una taxa d'injecció constant. S'ha demostrat, d'una banda, la necessitat d'un esquema transitori de càlcul per a l'obtenció de resultats de confiança en tot el domini del compressor. D'altra banda, s'ha demostrat que, amb taxes de penetració de flux estàndard, la injecció de gasos recirculats no té un impacte ressenyable en les prestacions del compressor, amb excepció de la zona de bombament. En segon lloc, s'ha desenvolupat un disseny numèric d'experiments en configuració de Ruta Llarga amb l'objectiu de trobar correlacions entre la condensació generada en aquestes unions (la qual pot aparéixer sota unes certes condicions d'operació del motor) i la mescla entre els corrents d'aire i gasos de fuita. S'ha demostrat que la penetració dels gasos en el corrent principal és un factor clau en la condensació generada, augmentant la quantitat de mescla entre tots dos corrents. En la configuració de Ruta Curta s'han realitzat estudis de configuració numèrica tractant d'estudiar la influència de factors com a malla, grandària del pas temporal i models de turbulència en la distribució final dels gasos de fuita entre els diferents cilindres del motor. S'ha demostrat que els submodelos RANS poden predir la major part de punts d'operació tant en variables mitjanes com instantànies comparant resultats numèrics amb mesuraments experimentals. Fixant una configuració numèrica, posteriorment s'han analitzat diferents mescladors en col·lectors de motors de 4 i 6 cilindres, demostrant l'aplicabilitat dels índexs de barrejat desenvolupats i quantificant la influència dels diferents efectes físics que influeixen en la distribució i mescla dels gasos de fuita en el corrent principal. / [EN] Considering the amount of internal combustion engines (ICEs) existing nowadays, and the pollutants that they could potentially emit, it is no surprise that international standards are getting increasingly severe regarding the allowed limits of pollutants that can be released by such engines. For this reason, different techniques have been developed in order to diminish pollutants, as downsizing in which the engine size is reduced to decrease the consumption, the hybridation of engines and the exhaust gases recirculation (EGR). This recirculation technique can be addressed by 2 different paths: Low Pressure EGR (LP-EGR) which reintroduce the exhaust gases before the compressor, while High Pressure EGR (HP-EGR) injects exhaust gases after the compressor in the intake manifold. Since both configurations deal with a direct injection of the recirculated flow in the main stream, in the present work a numerical study of the mixing between air and EGR flows is proposed, using a commercial code of computational fluid dynamics (STAR-CCM+). In LP-EGR configuration has been proposed the study of the influence of a heterogeneous inlet (composed by air and exhaust gases) on the main performance of a centrifugal compressor. To do that, 9 different operating points have been analyzed, trying to cover the whole map of the compressor with a constant injection rate. It has been demonstrated the necessity of a transient scheme for obtaining reliable results in the complete domain of the compressor. On the other hand, it has been proved that, with standard penetration rates of the flow, EGR do not have a remarkable impact in the performance of the compressor, besides the surge zone. In LP-EGR scheme, a numerical design of experiments has been developed with the aim to find correlations between the generated volume condensation (which can appear under some operating points of the engine) and the mixing between air and exhaust gases. It has been proved that the penetration of the EGR in the main stream is a key factor in volume condensation, increasing the amount of mixing between the streams. In HP-EGR configuration, different studies of numerical configuration have been conducted trying to find the influence of factors like mesh, time-step size, and turbulence models in the final distribution of exhaust gases between the cylinders of the engine. RANS submodels have demonstrated that can predict most of the operating points both average and instantaneous variables in comparison with experimental measurements. After that, fixing a numerical setup, different mixers in 4 and 6 cylinder manifolds have been calculated, showing the applicability of the developed mixing indexes, and quantifying the influence of the different physical effects that can influence in the mixing and distribution between air and exhaust gases streams. / García Olivas, G. (2021). Numerical study of EGR mixing and distribution in a piston engine intake line [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/179406 / TESIS

[ES] Los objetivos son 2: 1- Determinar el efecto de la dispersión de la recirculación de gases de escape de alta presión (HP EGR) en las emisiones de NOx y humos en motores diésel de automoción en operaciones de funcionamiento constantes. La investigación cuantifica las emisiones de NOx y humos en función del nivel de dispersión de EGR de alta presión entre cilindros. 2- Explorar los límites del modelado 1D para predecir el movimiento del flujo de los gases en la compleja situación en la que estos entran en los cilindros desde el colector de admisión. Los experimentos se realizaron en un banco de pruebas con un motor diésel de 1.6 litros. Para detectar la dispersión de EGR de alta presión se instaló un sistema de válvulas en los conductos de admisión de cada cilindro para medir la concentración de CO2, por tanto la tasa de EGR, en cada conducto. Se instaló también un sistema de válvulas en el escape para medir las emisiones de NOx en cada cilindro. Se instaló un sensor de humos en la línea de escape, aguas abajo de la turbina, para medir el efecto de la dispersión de EGR de alta presión en las emisiones de humos además del sensor para medir el resto de las emisiones contaminantes aguas abajo de la turbina. Se han estudiado 9 puntos de funcionamiento diferentes con distintas velocidades y niveles de carga. El mapa motor se ha estudiado en profundidad, desde 1250 hasta 3000 rpm y entre 3 y 20 bar de presión media efectiva (BMEP). La tasa de EGR varía entre 5 y 42%, dependiendo del punto de funcionamiento. La geometría del modelo reproduce la del motor diésel de automoción de 1.6 litros en el que se realizaron los ensayos experimentales. Incluyendo la línea de EGR de alta presión que fue instalada para controlar los niveles de dispersión durante los ensayos experimentales. La metodología centrada en las herramientas experimentales combina aparatos de medida tradicional con un sistema de válvulas específico que ofrecen una información precisa en cuanto a la concentración de especies tanto en el colector de admisión como en el de escape. El estudio se realizó a emisiones de NOx constantes para observar el efecto de la dispersión de EGR en los valores de opacidad. La metodología está centrada en las herramientas de modelado, las condiciones de contorno y toda la información necesaria para poner en marcha el modelo proviene de los resultados de los ensayos experimentales medidos con los diferentes sensores y aparatos mencionados anteriormente. Muchos de ellos necesarios para ajustar el modelo. La parte más importante para estudiar la capacidad de predicción del modelo es el diseño del colector de admisión. Es necesario poner especial atención en la orientación de los conductos, y en la estructura interna y la superficie para tratar de ser muy fiel a la geometría real, ya que ello determina la predicción de la dispersión. Esta aproximación de modelado cuasi tridimensional (3D) es posible gracias a un programa específico que importa la información necesaria desde un archivo CAD al programa de modelado 1D. Respecto a la parte experimental, el estudio concluye que cuando la dispersión de EGR es baja, los niveles de opacidad se reducen en todos los puntos de funcionamiento. Sin embargo, por encima de ciertos niveles de dispersión de EGR, la opacidad crece seriamente con diferentes pendientes según el punto de operación. El estudio permite cuantificar este límite de dispersión de EGR. La dispersión de EGR incrementa el consumo de combustible por encima del 6.9%. Respecto a la parte de modelado, el estudio concluye que cuando la distribución de EGR entre conductos medida experimentalmente es asimétrica y presenta un alto patrón de concavidad o convexidad, el modelo no predice adecuadamente la distribución del EGR. El estudio concluye que, aunque en los ensayos experimentales la tasa de EGR afecta a la dispersión de EGR, el modelo 1D no es tan sensible como para predecir esta influencia cuando la tasa de EGR está por debajo del 10%. / [CA] L'objectiu de l'estudi és doble. Per una banda, determinar l'efecte de la dispersió de la recirculació de gasos d'escapament d'alta pressió (HP EGR per les seues sigles en anglès) en les emissions d'òxids de nitrogen (NOx) i fums en motors dièsel d'automoció en operacions de funcionament constants. La investigació quantifica les emissions de NOx i fums en funció del nivell de dispersió d'EGR d'alta pressió entre cilindres. Per una altra banda, l'objectiu és explorar els límits del modelatge unidimensional (1D) per predir el moviment del flux dels gasos en la complexa situació en què aquests entren als cilindres des del col·lector d'admissió. Els experiments van ser realitzats en un banc de proves amb un motor dièsel de 1.6 litres. Per detectar la dispersió d'EGR d'alta pressió es va instal·lar un sistema de vàlvules en els conductes d'admissió de cada cilindre per mesurar el percentatge de CO2 i per tant la taxa d'EGR. De la mateixa manera es va instal·lar també un sistema de vàlvules d'escapament, cilindre a cilindre, per mesurar les emissions de NOx. A més també es va instal·lar un sensor de fums en la línia d'escapament, aigües avall de la turbina, per mesurar l'efecte de la dispersió d'EGR d'alta pressió en les emissions de fums, així com el sensor de mesura de la resta d'emissions aigües avall de la turbina. S'han estudiat 9 punts de funcionament diferents amb distintes velocitats i nivells de càrrega, per la qual cosa el mapa motor s'ha estudiat en profunditat, des de 1250 fins a 3000 rpm i entre 3 i 20 bar de pressió mitjana efectiva (BMEP per les seues sigles en anglès). La taxa d'EGR varia entre 5 i 42 %, depenent del punt de funcionament. La geometria del model reprodueix la geometria del motor dièsel d'automoció d'1.6 litres en el qual es van realitzar tots els assajos experimentals. La metodologia centrada en les ferramentes experimentals combina aparells de mesura tradicional amb un sistema de vàlvules específic que ofereixen una informació precisa quant a la concentració d'espècies tant al col·lector d'admissió com al d'escapament. L'estudi es va realitzar a emissions de NOx constants per observar l'efecte de la dispersió d'EGR en els valors d'opacitat. Quant a la metodologia centrada en les ferramentes de modelatge, les condicions de contorn i tota la informació necessària per posar en marxa el model prové dels resultats dels assajos experimentals mesurats amb els diferents sensors i aparells mencionats anteriorment, molts d'ells necessaris per ajustar el model. La part més important per estudiar la capacitat de predicció del model és el disseny del col·lector d'admissió. És necessari posar especial atenció a l'orientació dels conductes, i a l'estructura interna i la superfície per tractar de ser molt fidel a la geometria real, ja que determina la predicció de la dispersió. Esta aproximació del model quasi-tridimensional (3D) és possible gràcies a un programa específic que importa la informació necessària des d'un arxiu de disseny assistit per ordinador (CAD) al programa de modelat 1D. Respecte a la part experimental, l'estudi conclou que quan la dispersió d'EGR és baixa, els nivells d'opacitat es redueixen en tots els punts de funcionament. Tanmateix, per damunt de certs nivells de dispersió d'EGR, l'opacitat creix seriosament amb diferents pendents segons el punt d'operació. L'estudi permet quantificar aquest límit de dispersió d'EGR. A més, la dispersió d'EGR podria contribuir a incrementar el consum de combustible per damunt del 6.9%. Respecte a la part de modelatge, l'estudi conclou que quan la distribució d'EGR entre conductes mesurada experimentalment és asimètrica i presenta un alt patró de concavitat o convexitat, el model no prediu adequadament la distribució d'EGR. A més, l'estudi conclou que, tot i que en els assajos experimentals la taxa d'EGR afecta a la dispersió d'EGR, el model 1D no és tan sensible com per predir aquesta influència quan la taxa d’EGR està per baix del 10%. / [EN] The objective of the study is twofold. On the one hand, it is to determine the effect of the high pressure (HP) exhaust gas recirculation (EGR) dispersion in automotive diesel engines on NOx and smoke emissions in steady engine operation. The investigation quantifies the smoke emissions as a function of the dispersion of the HP EGR among cylinders. On the other hand, it is to explore the limits of the one-dimensional (1D) modeling to predict the movement of the flow in a complex situation as the gases get into the cylinders from the intake manifold. The experiments are performed on a test bench with a 1.6 liter automotive diesel engine. In order to track the HP EGR dispersion in the intake pipes, a valves system to measure CO2, hence EGR rate, pipe to pipe was installed. In the same way, a valves device to measure NOx emissions cylinder to cylinder in the exhaust was installed too. Moreover a smoke meter device was installed in the exhaust line, downstream the turbine, to measure the effect of the HP EGR dispersion on smoke emissions. A probe to measure the other raw emissions was installed downstream the turbine, too. Nine different engine running conditions were studied at different speed and load, thus the engine map was widely studied, from 1250 rpm to 3000 rpm and between 3 and 20 bar of BMEP. The EGR rate variates between 5 and 42 % depending on the working operation point. The geometry of the model reproduces the geometry of a 1.6 liter diesel automotive engine where the tests were performed. It includes an HP-EGR line and the device that was installed to perform the experiments to control the dispersion. The methodology focused on experimental tools combining traditional measuring devices with a specific valves system which offers accurate information about species concentration in both the intake and the exhaust manifolds. The study was performed at constant raw NOx emissions to observe the effect of the EGR dispersion in the opacity values. Regarding the methodology focused on modeling tools, the boundary conditions and all the necessary information to run the model comes from experimental results measured with the different sensors and devices mentioned before. Much of them were needed to adjust the model. The most important part of the modeling to study the capacity of the prediction of the EGR dispersion is the layout of the intake manifold. It is necessary put special attention to the orientation of the pipes, and the internal structure and surface trying to mimic the real geometry because it determinates the prediction of the dispersion. This approximation to quasi-three-dimensional (3D) modeling is possible thanks to a specific software that imports the necessary information from a computer-aided design (CAD) file to the 1D modeling software. Concerning the experimental results, the study leads to conclude that when the EGR dispersion is low, the opacity presents reduced values in all operation points. However, above a certain level of EGR dispersion, the opacity increases dramatically with different slopes depending on the engine running condition. This study allows quantifying this EGR dispersion threshold. In addition, the EGR dispersion could contribute to an increase in the engine fuel consumption up to 6.9%. Regarding to the modeling part, the study concludes that when the experimental EGR distribution among pipes is asymmetric and presents high concavity or convexity spatial pattern, the model does not predict properly the EGR distribution. In addition, the study concludes that, although in the experimental tests the EGR rate affects to the EGR dispersion, the 1D model is not too sensitive to predict this influence when the EGR rate is lower than 10%. / The respondent wishes to acknowledge the financial support received by contract FPI 2015 S2 3101 of Programa de Apoyo a la Investigación y Desarrollo (PAID) from Universitat Politècnica de València (UPV). / Miguel García, J. (2021). Analysis of the high pressure EGR dispersion among cylinders in automotive diesel engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/161889 / TESIS

[ES] El transporte por carretera es uno de los sectores que más contribuyen al cambio climático. Por ello, muchos gobernantes a nivel mundial están promoviendo una transición hacia medios de transporte sostenibles que no dependan de combustibles fósiles. Sin embargo, debido a la falta de competitividad de las alternativas actuales, no parece factible, en el corto plazo, reducir significativamente el uso de los motores de combustión. Así pues, es probable que los motores de gasolina (MEP) mantengan su papel dominante en el sector automotriz durante los próximos años. De ahí que sea crucial seguir mejorando estos motores a fin de reducir su huella de carbono. Actualmente, es habitual fabricar motores MEP de pequeña cilindrada ("downsizing") con sistemas de sobrealimentación e inyección directa, a fin de reducir el consumo de combustible y las emisiones de CO2. Además, en la última década, se ha demostrado que la recirculación de gases de escape (EGR) puede mejorar la eficiencia de los motores MEP entre un 3 % y un 6 %, dependiendo del grado de carga. Como desventaja, para poder extraer todo el potencial de la estrategia EGR, es necesario trabajar con altas tasas de EGR, lo que puede causar ciertos problemas en condiciones transitorias. En esta tesis, se ha demostrado que el uso de altas tasas de EGR a través de sistemas de baja presión en motores MEP turboalimentados puede ralentizar la respuesta del motor y provocar fallos de encendido durante maniobras de aceleración y desaceleración, respectivamente. Con la entrada en vigor de nuevos procedimientos de homologación de vehículos, como el WLTP (Worldwide harmonized Light vehicle Test Procedure), donde las operaciones transitorias tienen un peso importante, los fabricantes buscan que sus motores consuman y emitan menos en un amplio rango de condiciones de operación, tanto estacionarias como transitorias. Por ello, el objetivo principal de esta tesis es analizar y optimizar el funcionamiento, en condiciones transitorias, de los motores MEP que operan con altas tasas de EGR. Para ello, se ha empleado un motor de gasolina (Euro 6) de 1.3l turboalimentado con inyección directa, distribución variable y turbina de geometría variable. Se ha desarrollado un modelo unidimensional (1D) del motor para el estudio de la fluidodinámica y los fenómenos de transporte en su interior. Por otro lado, se ha ensayado el motor para calibrar el modelo 1D y evaluar aspectos difícilmente predecibles con dicho modelo, como las emisiones contaminantes y la estabilidad de la combustión. Previo al estudio en condiciones transitorias, el motor fue calibrado con EGR, y se realizaron simulaciones para determinar el consumo de un vehículo convencional y otro híbrido, ambos con EGR, durante un ciclo WLTP. Finalmente, se concluyó que ciertas estrategias orientadas a mejorar el proceso de renovación de la carga pueden resolver la problemática del uso del EGR en condiciones transitorias. Eso sí, implementar dichas estrategias conllevaría un aumento en complejidad y costes. / [CA] El transport per carretera és un dels sectors que més contribueixen al canvi climàtic. Per això, molts governants a nivell mundial estan promovent una transició cap a mitjans de transport sostenibles que no depenguen de combustibles fòssils. No obstant això, a causa de la falta de competitivitat de les alternatives actuals, no sembla factible, en el curt termini, reduir significativament l'ús dels motors de combustió. Així doncs, és probable que els motors de gasolina (MEP) mantinguen el seu paper dominant en el sector automotriu durant els pròxims anys. D'ací ve que siga crucial continuar millorant aquests motors a fi de reduir la seua petjada de carboni. Actualment, és habitual fabricar motors MEP de xicoteta cilindrada ("downsizing") amb sistemes de sobrealimentació i injecció directa, a fi de reduir el consum de combustible i les emissions de CO2. A més, en l'última dècada, s'ha demostrat que la recirculació de gasos d'escapament (EGR) pot millorar l'eficiència dels motors MEP entre un 3% i un 6%, depenent del grau de càrrega. Com a desavantatge, per a poder extraure tot el potencial de l'estratègia EGR, és necessari treballar amb altes taxes de EGR, la qual cosa pot causar uns certs problemes en condicions transitòries. En aquesta tesi, s'ha demostrat que l'ús d'altes taxes de EGR a través de sistemes de baixa pressió en motors MEP turboalimentats pot alentir la resposta del motor i provocar fallades d'encesa durant maniobres d'acceleració i desacceleració, respectivament. Amb l'entrada en vigor de nous procediments d'homologació de vehicles, com el WLTP (Worldwide harmonized Light vehicle Test Procedure), on les operacions transitòries tenen un pes important, els fabricants busquen que els seus motors consumisquen i emeten menys en un ampli rang de condicions d'operació, tant estacionàries com transitòries. Per això, l'objectiu principal d'aquesta tesi és analitzar i optimitzar el funcionament, en condicions transitòries, dels motors MEP que operen amb altes taxes de EGR. Per a això, s'ha emprat un motor de gasolina (Euro 6) de 1.3l turboalimentat amb injecció directa, distribució variable i turbina de geometria variable. S'ha desenvolupat un model unidimensional (1D) del motor per a l'estudi de la fluidodinàmica i els fenòmens de transport en el seu interior. D'altra banda, s'ha assajat el motor per a calibrar el model 1D i avaluar aspectes difícilment predictibles amb aquest model, com les emissions contaminants i l'estabilitat de la combustió. Previ a l'estudi en condicions transitòries, el motor va ser calibrat amb EGR, i es van realitzar simulacions per a determinar el consum d'un vehicle convencional i un altre híbrid, tots dos amb EGR, durant un cicle WLTP. Finalment, es va concloure que unes certes estratègies orientades a millorar el procés de renovació de la càrrega poden resoldre la problemàtica de l'ús del EGR en condicions transitòries. Això sí, implementar aquestes estratègies comportaria un augment en complexitat i costos. / [EN] Road transport is a major contributor to climate change. However, given the lack of competitiveness of fossil fuel-free alternatives, it does not seem possible to reduce the dependence on the internal combustion engine (ICE) as rapidly as planned by the authorities. Advanced gasoline engines will therefore hold a high market share in the automobile industry in the following years, at least during the next decade, either working in conventional or hybrid powertrains. Hence it is essential to keep improving these engines to reduce the negative impact of light-duty vehicles on the environment. The most used strategy to reduce fuel consumption and CO2 emissions in current spark-ignition (SI) gasoline engines is downsizing combined with direct injection (DI). Besides, downsizing must go hand in hand with turbocharging to maintain peak power. It is also proven that exhaust gas recirculation (EGR) can improve fuel economy in SI engines by 3-6% at medium and high loads. As a disadvantage, extracting the full benefit from EGR requires operating with high recirculation rates (close to the EGR dilution limit), leading to some issues under transient conditions. In this thesis, it is demonstrated that high EGR operation through long-route systems in turbocharged engines can potentially originate combustion instabilities and poor engine response during load-decrease (tip-out) and load-increase (tip-in) maneuvers, respectively. Transient operations are especially important for manufacturers since the implementation of the Worldwide harmonized Light vehicle Test Procedure (WLTP). The present thesis is therefore devoted to analyzing and optimizing the gasoline engine performance under high EGR conditions during relevant transient maneuvers. To this end, a Euro-6 1.3L turbocharged DI SI gasoline engine with a variable geometry turbine was employed. A 1D model of this ICE was developed to assess fluid dynamics and transport phenomena. Engine tests were also performed to validate the 1D model and evaluate torque response, combustion stability, and raw exhaust emissions. Before addressing the study of transient maneuvers, the engine calibration with EGR was carried out, and 0D conventional and hybrid vehicle simulations were done to determine the EGR benefit in fuel economy under WLTP driving conditions. Finally, tip-in and tip-out results revealed that some air management strategies are effective in meeting the transient EGR challenges in SI engines, but at the expense of increased complexity and costs. / González Domínguez, D. (2023). Analysis and Optimization of the Transient Operation of Gasoline Turbocharged Direct Injection Engines Under High EGR Conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/193852