[ES] Para cumplir los límites de emisiones impuestos por los gobiernos y reducir el impacto negativo en el medio ambiente, el uso de sistemas de postratamiento (ATS) se ha convertido en algo esencial para los motores de combustión interna. Los ATS en los trenes motrices están planteados para lograr una alta eficiencia de reducción de contaminantes en las condiciones de funcionamiento diseñadas, para lo cual el sistema de control necesita conocer el nivel de desgaste del catalizador, así como confiar en la información de retroalimentación de los subsistemas de los ATS. Además, es posible aumentar la capacidad de reducción de contaminantes de los catalizadores mediante estrategias de control inteligentes. Ante este escenario, esta tesis pretende aplicar técnicas de monitorización y diagnóstico para garantizar el pleno funcionamiento del ATS, y estrategias de control óptimo para mejorar la reducción de las emisiones de NOx con bajo consumo y deslizamiento de NH3. Para lograr este objetivo, se han planteado dos caminos: ¿ Desarrollo de modelos de alta precisión para la predicción de las emisiones de NOx y NH3 acoplados a un algoritmo de fusión de datos, siendo aplicados para diagnosticar el sistema en dos enfoques específicos: detección del nivel de fallo de inyección de amoníaco en el ATS y estimación del estado de envejecimiento del catalizador del ASC. ¿ Uso de modelos físicos orientados al control para mejorar la estrategia de inyección de amoníaco. Se optimizaron dos escenarios, primero, un enfoque de referencia para la optimización off-line conociendo de antemano el ciclo de conducción, logrando así la máxima capacidad del sistema para reducir los NOx con el mínimo consumo de NH3. En segundo lugar, la optimización on-line mediante la técnica de control predictivo de modelos (MPC) con el objetivo de conseguir la máxima reducción de NOx con un deslizamiento de NH3 aguas abajo del catalizador ASC inferior a un límite preestablecido. Todos los modelos desarrollados y los enfoques propuestos se implementaron en un banco de pruebas totalmente instrumentado y se validaron experimentalmente, alcanzando resultados satisfactorios en ambos enfoques, diagnóstico y control. / [CAT] Per a complir els límits d'emissions imposats pels governs i reduir l'impacte negatiu en el medi ambient, l'ús de sistemes de posttractament (ATS) s'ha convertit en una cosa essencial per als motors de combustió interna. Els ATS als trens motrius estan plantejats per a aconseguir una alta eficiència de reducció de contaminants en les condicions de funcionament dissenyades, per a això el sistema de control necessita conéixer el nivell de desgast del catalitzador, així com confiar en la informació de retroalimentació dels subsistemes dels ATS. A més, és possible augmentar la capacitat de reducció de contaminants dels catalitzadors mitjançant estratègies de control intel·ligents. Davant aquest escenari, aquesta tesi pretén aplicar tècniques de monitoratge i diagnòstic per a garantir el ple funcionament de l'ATS, i estratègies de control òptim per a millorar la reducció de les emissions de NOx amb baix consum i lliscament de NH3. Per a aconseguir aquest objectiu, s'han plantejat dos camins: ¿ Desenvolupament de models d'alta precisió per a la predicció de les emissions de NOx i NH3 acoblats a un algorisme de fusió de dades, sent aplicats per a diagnosticar el sistema en dos enfocaments específics: detecció del nivell de fallada d'injecció d'amoníac en l'ATS i estimació de l'estat d'envelliment del catalitzador del ASC. ¿ Ús de models físics orientats al control per a millorar l'estratègia d'injecció d'amoníac. Es van optimitzar dos escenaris, primer, un enfocament de referència per a l'optimització off-line coneixent per endavant el cicle de conducció, aconseguint així la màxima capacitat del sistema per a reduir els NOx amb el mínim consum de NH3. En segon lloc, l'optimització en línia mitjançant la tècnica de control predictiu de models (MPC) amb l'objectiu d'aconseguir la màxima reducció de NOx amb un lliscament de NH3 aigües avall del catalitzador ASC inferior a un límit preestablit. Tots els models desenvolupats i els enfocaments proposats es van implementar en un banc de proves totalment instrumentat i es van validar experimentalment, aconseguint resultats satisfactoris en tots dos enfocaments, diagnòstic i control. / [EN] To meet the emission limits imposed by governments and reduce the negative outcome on the environment, the use of after-treatment systems (ATS) has become essential for internal combustion engines. The ATS in powertrains are devised to achieve high pollutant abatement efficiency under the design operating conditions, for which the control system needs to know the catalyst wear level as well as to rely on feedback information from the ATS subsystems. Furthermore, it is possible to increase the pollutant reduction capacity of catalysts through intelligent control strategies. Looking at this scenario, this thesis intends to apply techniques of monitoring and diagnosis to guarantee the full operation of the ATS, and optimal control strategies to improve the reduction of NOx emissions with low NH3 consumption and slip. To this aim, two paths were outlined: ¿ Development of high accuracy models for the prediction of NOx and NH3 emissions coupled with a data fusion algorithm, being applied to diagnose the system in two specific approaches: detection of the ammonia injection failure level in the ATS and estimation of the ASC catalyst ageing state. ¿ Use of physical control-oriented models to improve the ammonia injection strategy. Two scenarios were optimized, firstly a benchmark approach for off-line optimization knowing in advance the driving cycle, thus achieving the maximum capacity of the system to reduce NOx with minimum NH3 consumption. Secondly, on-line optimization through the model predictive control (MPC) technique aiming the maximum NOx abatement with NH3 slip downstream the ASC catalyst below a pre-established threshold. All developed models and proposed approaches were implemented in a fully instrumented test bench and experimentally validated, reaching satisfactory results in both approaches, diagnosis and control. / Nakaema Aronis, A. (2023). Control and Diagnosis of a SCR-ASC After-Treatment System for NOx and NH3 Emission Reduction Under Real Driving Conditions and Potential System Failure [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192476

[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