As turbocharging requirements raise to face an increasingly stricter environmental regulation of internal combustion engines, concerns regarding their acoustic emission become more pressing. Since downsized engines require higher boost pressures and lower mass flow rates, the turbocharger compressor is forced to work at more unstable regimes, where flow patterns become more complex and noise levels rise. This thesis aims to thus to investigate these issues, proposing methodologies to characterize the acoustic emission of turbocharger compressors and implementing them in different experiments with a special focus on the link between acoustic emission and flow behaviour at unstable conditions. A literature review is carried out in order to assess the state of the art principally regarding experimental techniques related to this issue but also including the latest developments in terms of understanding the flow characteristics through numerical simulations. Different methodologies are consequently proposed and implemented into a custom test rig inside an anechoic chamber as to experimentally measure and analyze the acoustic output of the compressor. From this measurement campaign a characterization of the noise spectral content across the compressor map is obtained and described, identifying different acoustical phenomena such as blade passing tonal noise, low frequency content associated to deep surge, higher frequency broadband ascribed to tip clearance interaction, and broadband noise in the plane wave range known as whoosh in the literature, of special concern for automotive manufacturers. This particular phenomenon is detected even at more stable conditions at higher flow rate, and rising in level as flow rate is diminished to the point of being masked by lower frequency content. After a validation of the selected procedure in realistic engine conditions, experimental data is compared against a numerical model of the compressor developed in a parallel work to assess its validity and propose different post-processing techniques to extract additional insights about the behaviour of the flow at different conditions, hinting at the main generation mechanism for whoosh being located at the compressor diffuser. Since numerical simulations predict a reduced amount of reversed unstable flow at conditions where whoosh noise is still measured, an experimental campaign is performed where detailed measures of local temperature near the compressor wheel are used to determine the evolution of reversed flow, with supplemental readings through pressure probes in the inducer and diffuser being used to link this evolution with the fluctuation of spectral content. Temperature results are also correlated with measurements of the velocity field through particle imaging, demonstrating a clear link between the reversed flow field and temperature readings. Different experimental campaigns are then described where modifications of the inlet geometry immediately upstream the compressor are performed in order to assess how the air flow presentation can influence acoustic performance. Geometries featuring reservoirs, nozzles and guide vanes are shown to potentially reduce noise levels. A 90º elbow parametric study is performed, demonstrating how the inner radius of the elbow influences circumferential temperature differences and noise levels, leading to the hypothesis of geometry influence on whoosh noise being related to air presentation changes that promote lower or higher growth of reversed backflow, which in turns carries upstream the spectral content being generated in the compressor diffuser. / A medida que los requerimientos de turbocompresión aumentan para afrontar una regulación de los motores de combustión interna cada vez más estricta, la preocupación respecto a su emisión acústica se hace más acuciante. Debido a que motores de menor tamaño requieren mayores aumentos de presión y menores gastos másicos, el compresor del turbogrupo se ve forzado a trabajar en regímenes más inestables, los patrones de flujo se hacen más complejos y los niveles de ruido aumentan. Esta tesis tiene como objetivo investigar estas cuestiones, proponiendo metodologías para caracterizar la emisión acústica de compresores de turbogrupos, e implementándolas en diferentes experimentos enfocados especialmente en la relación entre emisión acústica y comportamiento del flujo en condiciones inestables. Por tanto, se lleva a cabo una revisión bibliográfica para evaluar el estado del arte, especialmente en lo concerniente a técnicas experimentales relacionadas con el problema, pero incluyendo también los últimos desarrollos en términos de comprensión de las características del flujo mediante simulaciones numéricas. Como resultado, diferentes metodologías se proponen e implementan en un banco de ensayo hecho a medida dentro de una cámara anecoica para medir y analizar la producción sonora del compresor. Mediante esta campaña de medida se obtiene y describe una caracterización acústica del contenido espectral del ruido a lo largo del mapa del compresor, identificando diferentes fenómenos sonoros tales como ruido tonal debido al paso de álabe, contenido de baja frecuencia asociado al bombeo profundo, contenido de banda ancha a alta frecuencia atribuido a la interacción del flujo en la holgura de punta de pala y ruido de banda ancha en el rango de onda plana, conocido como whoosh en la literatura y de especial interés para los fabricantes automovilísticos. Este fenómeno en concreto se detecta incluso a condiciones más estables de alto gasto másico, y aumenta de nivel a medida que el gasto disminuye hasta llegar a ser enmascarado por el aumento del contenido de baja frecuencia. Después de validar los procedimientos seleccionados en condiciones realistas de motor, se comparan los datos experimentales con un modelo numérico del compresor desarrollado en un trabajo paralelo a fin de evaluar su validez y proponer diferentes técnicas de postprocesado, con el objetivo de extraer información adicional acerca del comportamiento del flujo en diferentes condiciones, que sugieren que el mecanismo principal de generación de whoosh se encuentra localizado en el difusor del compresor. Se lleva a cabo una campaña experimental en la cual medidas detalladas de temperatura local cerca del rotor se usan para determinar la longitud del flujo inverso, con medidas suplementarias a través de sondas de presión usadas para relacionar esta evolución con la fluctuación de contenido espectral. Los resultados de temperatura se correlacionan también con medidas del campo de velocidad por imágenes de partículas, demostrando una clara relación entre el campo de flujo inverso y las medidas de temperatura. Se describen a continuación diferentes campañas experimentales en las cuales se llevaron a cabo modificaciones de la geometría de entrada inmediatamente aguas arriba del compresor con el fin de evaluar cómo la presentación del flujo puede influenciar el rendimiento acústico. Geometrías incluyendo remansos, toberas y álabes guía demuestran una reducción de los niveles de ruido. Se ha realizado un estudio paramétrico de un codo de 90º, mostrando que el radio del codo influye en la distribución circunferencial de temperatura y los niveles de ruido, llevando a la hipótesis de que la influencia de la geometría en el ruido de whoosh está relacionada con cambios en la presentación del aire que promueven menor o mayor reflujo, que a su vez convecta aguas arriba el contenido espectral generado en el difusor del / A mesura que els requeriments de turbocompressió augmenten a fi d'afrontar una regulació dels motors de combustió interna cada vegada més estricta, la preocupació respecte a la seva emissió acústica es fa més urgent. Com que motors de dimensions més reduïdes requereixen majors augments de pressió i menors cabals màssics, el compressor del turbogrup es veu forçat a treballar a règims més inestables, els patrons de flux es fan més complexos, i els nivells de soroll augmenten. Aquesta tesi té com a objectiu investigar aquestes qüestions, proposant metodologies per a caracteritzar l'emissió acústica de compressors de turbogrups, implementant-les en diferents experiments enfocats especialment a la relació entre emissió acústica i comportament del flux en condicions inestables. Per tant, es duu a terme una revisió bibliogràfica per avaluar l'estat de l'art, especialment pel que fa a tècniques experimentals relacionades amb el problema, però incloent també els últims desenvolupaments en termes de comprensió de les característiques del flux mitjançant simulacions numèriques. Com a resultat, diferents metodologies es proposen i implementen en un banc d'assaig fet a mida dins d'una cambra anecoica per mesurar i analitzar la producció sonora del compressor. Mitjançant aquesta campanya de mesura s'obté i descriu una caracterització acústica del contingut espectral del soroll al llarg del mapa del compressor, identificant diferents fenòmens sonors com ara soroll tonal a causa del pas d'àlep, contingut de baixa freqüència associat al bombeig profund, contingut de banda ampla a alta freqüència atribuït a la interacció del flux en la folgança de punta de pala i soroll de banda ampla en el rang d'ona plana, conegut com a whoosh en la literatura i d'especial interès per als fabricants automobilístics. Aquest fenomen en concret es detecta fins i tot a condicions més estables d'alt cabal màssic, i augmenta de nivell a mesura que el cabal disminueix fins arribar a ser emmascarat per l'augment del contingut de baixa freqüència. Després de validar els procediments seleccionats en condicions realistes de motor, es comparen les dades experimentals amb un model numèric del compressor desenvolupat en un treball paral·lel a fi d'avaluar la seva validesa i proposar diferents tècniques de post-processat, amb l'objectiu d'extraure informació addicional sobre el comportament del flux en diferents condicions, que suggereixen que el mecanisme principal de generació de whoosh es troba localitzat al difusor del compressor. Pel fet que nombroses simulacions prediuen una quantitat reduïda de'inestable flux invers en condicions on el whoosh apareix en les mesures, es duu a terme una campanya experimental en la qual mesures detallades de temperatura local prop del rotor s'utilitzen per a determinar la longitud del flux invers, amb mesures suplementàries mitjançant sondes de pressió emprades per a relacionar aquesta evolució amb la fluctuació de contingut espectral. Els resultats de temperatura es correlacionen també amb mesures del camp de velocitat per imatges de partícules, demostrant una clara relació entre el camp de flux invers i les mesures de temperatura. Es descriuen a continuació diferents campanyes experimentals en les quals es van realitzar modificacions de la geometria d'entrada immediatament aigües dalt del compressor a fi d'avaluar com la presentació del flux pot influenciar el rendiment acústic. Geometries incloent volums, toveres i àleps guia demostren una reducció dels nivells de soroll. S'ha realitzat un estudi paramètric d'un colze de 90º, mostrant que el ràdio del colze influïx en la distribució circumferencial de temperatura i els nivells de soroll, donant suport a la hipòtesi de que la influència de la geometria en el soroll de whoosh està relacionada amb canvis en la presentació de l'aire que promouen menor o major reflux, que aleshores convecta aigües da / García Tíscar, J. (2017). Experiments on turbocharger compressor acoustics [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/79552 / TESIS

En la actualidad, los compresores centrífugos son parte fundamental de los motores de combustión interna alternativos sobrealimentados en consecuencia su diseño y optimización son fundamentales para maximizar la capacidad operativa de los compresores en el sistema motor así como también comprender cada uno de los fenómenos que pueden afectar su correcto desempeño en dicho sistema. En los últimos años la gran competencia industrial ha despertado un interés inusitado representado por los estudios e investigaciones referentes al diseño, desempeño y limitaciones de la maquina justificado por el incremento de alguna de las prestaciones del motor como la merma del consumo de combustible, el aumento de potencia o el descenso de emisiones contaminantes. Por medio de la experimentación y la realización de modelos matemáticos además de la experiencia que se va recogiendo de trabajos ya realizados no solo en el campo de los compresores centrífugos sino también de la experiencia adquirida en la industria de la aviación con los axiales sobre todo en términos de limitación y fenómenos de inestabilidad son los caminos seguidos orientados al desarrollo de los nuevos compresores empleados en la automoción. A lo largo de los años, en el Departamento de Máquinas y Motores Térmicos se ha ido desarrollando un modelo de compresor que puede servir como diagnostico a la hora de evaluar la utilidad y desempeño de un compresor centrífugo en un motor sobrealimentado, el cual puede ser modelado en su integridad gracias al robusto modelo de acción de ondas denominado WAM, que ha sido concebido íntegramente en el propio departamento sin embargo un compresor posee limites de funcionamiento que también deben ser tenidos en cuenta como el caso del fenómeno de bombeo, el cual puede romper el compresor y cuyo origen puede depender de varios factores. En el marco de esta tesis doctoral se han realizado varios estudios experimentales que tienen que ver con la evaluación del bombeo, su caracterización, las variables que lo afectan y tal vez lo más importante, la evaluación de distintas metodologías empleadas en la búsqueda rápida de su detección afín de evitar daños en el compresor. Sin embargo como se verá existen varios tipos de bombeo alguno de los cuales pueden no ser dañinos para el compresor o para el sistema en que se halle el compresor. A demás se presenta un nuevo modelo de compresor, posible de colocar en el programa WAM y con el cual se pueden modelar condiciones estables e inestables de trabajo tanto en el motor como fuera de éste, de modo de apreciar cuando un compresor puede sufrir la aparición del fenómeno de bombeo. En esta tesis se presenta un análisis exhaustivo de diferentes modelos que se pueden encontrar en la bibliografía así como el estudio de la dinámica, diseño y problemas de estabilidad del compresor. Sobre el último tema se analiza la influencia que posee la geometría aguas arriba y aguas abajo del compresor respecto de su estabilidad de trabajo y en que circunstancias puede o no ser mejorado el límite impuesto por el fenómeno de bombeo. Por lo tanto en esta tesis se lleva a cabo un estudio modelado y experimental del fenómeno de bombeo evaluado en el banco motor y en el banco de turbos en que se presentan finalmente resultados que permiten mejorar las capacidades de funcionamiento del compresor en cualquier sistema en que se halle funcionando. / Tiseira ., AO. (2008). Caracterización experimental y modelado de bombeo en compresores centrífugos de sobrealimentación [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/1974 / Palancia

La presente tesis está enfocada al estudio del fenómeno de bombeo del turbo-compresor centrífugo, destinado a la sobrealimentación de motores de combustión interna alternativos de automoción. En primera instancia, se ha realizado una investigación del estado del arte actual referente a la sobrealimentación de motores. Así se determinó, entre otras cosas, que el fenómeno de bombeo se ha hecho relevante actualmente debido a la tendencia al downsizing de los motores, y por ende, a la creciente demanda de sobrealimentación. Se han desarrollado metodologías de ensayo que permiten estudiar el fenómeno de bombeo en los sistemas de sobrealimentación. Una de las propuestas es una técnica para provocar el bombeo de forma controlada en banco motor, que consiste en la inyección de aire en el colector de admisión del motor. Esta permite tomar en consideración las condiciones reales de operación del grupo de sobrealimentación. Asimismo, se ha propuesto un método de análisis mediante el espectro de los parámetros medidos, para identificar y determinar de forma precisa el comienzo del fenómeno de bombeo. Los ensayos en transitorios de motor también han tenido su parte relevante, demostrando buena concordancia con el método de inyección de aire. Junto al estudio experimental también ha estado la simulación computacional. Por una parte, la simulación unidimensional mediante un modelo de acción de ondas de presión, permitió representar el fenómeno de bombeo con buena concordancia respecto de la experimentación. Por otra parte, la simulación computacional fluido-dinámica tridimensional [CFD/URANS (Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes)], se utilizó para estudiar los patrones de flujo que se desarrollan en el compresor centrífugo, lo que ha ayudado a la comprensión de los factores aerodinámicos implicados. En base a las herramientas experimentales y de modelado desarrolladas se realizó una extensa campaña de estudio del fenómeno de bombeo. / Lang ., RH. (2011). Contribución a la Mejora del Margen de Bombeo en Compresores Centrífugos de Sobrealimentación [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/12331 / Palancia

Los motores de combusti'on interna est'an inmersos en una constante evoluci'on tecnol'ogica con el ¿n de mejorar sus prestaciones y satisfacer adem'as las cada vez m'as restrictivas normas anticontaminantes. En el caso de los motores diesel esto concierne especialmente a las emisiones de NOx y part'¿culas. Los sistemas destinados a reducir estas emisiones (inyecci'on directa common-rail, sobrealimentaci'on con geometr'¿a variable, recirculaci'on de gases de escape, trampas de part'¿culas, catalizadores, etc.) requieren de una cada vez m'as so¿sticada gesti'on electr'onica. En a¿nos recientes est'an disponibles en el mercado sensores capaces de medir las emisiones contaminantes del motor durante su operaci'on, lo que permite reformular el sistema tradicional de control del motor, hist'oricamente basado en el uso de variables intermedias como el gasto de aire. La presente Tesis Doctoral explora el potencial de estrategias de control del motor basadas en la medida proporcionada por un sensor de concentraci'on de NOx en el escape. En ella, tal medida es aplicada a la regulaci'on del sistema de recirculaci'on de gases de escape y, de forma m'as novedosa, al control coordinado de la inyecci'on y de la renovaci'on de la carga del motor. Adem'as, la capacidad de identi¿car modelos que predigan el comportamiento del motor permite la aplicaci'on de t'ecnicas de control predictivo basadas en modelos. La consecuci'on de estos objetivos se basa en los siguientes elementos: Puesta a punto de una instalaci'on experimental compuesta por un sistema de adquisici'on de se¿nales en tiempo real que permita la adquisici'on de las se¿nales de los sensores de serie del motor y la instalaci'on de nuevos sensores adicionales al motor, tanto convencionales como experimentales, as'¿ como la programaci'on y ejecuci'on de l'ogicas de control en tiempo real. El desarrollo de tal sistema de prototipado presenta una especial di¿cultad y es el primer paso para obtener los resultados que pretende esta Tesis. Obtenci'on de modelos matem'aticos capaces de predecir el comportamiento del motor, que permiten conocer el sistema y desarrollar algoritmos de control. Tales modelos permiten adem'as realizar una selecci'on de los emparejamientos entre sensores y actuadores, as'¿ como compensar el efecto que tengan las actuaciones sobre el par motor. Realizaci'on del control en bucle cerrado de los NOx medidos bas'andose en los modelos obtenidos y los sensores dispuestos en el motor. Se comparan distintas estrategias de control, incluyendo la evaluaci'on de sistemas de control conjunto del bucle de aire y de la inyecci'on. La Tesis Doctoral demuestra la posibilidad de emplear la medida de NOx para el control de los motores diesel sobrealimentados. / Cabrera López, P. (2013). Aplicación de la medida de NOx para el control de motores diesel sobrealimentados [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/31205 / TESIS

La incorporación generalizada de los sistemas de sobrealimentación a los motores diesel de automoción está haciendo imprescindible desarrollar un nivel de investigación capaz de profundizar en los factores que influyen en el funcionamiento y rendimiento de los turbogrupos acoplados a los motores de combustión interna alternativos.En esta tesis se presentan dos herramientas que van a permitir progresar en el estudio de los turbogrupos y en especial en las turbinas de geometría variable. En primer lugar se muestra como se ha diseñado y construido un banco de ensayo de turbogrupos, que permite un conocimiento más amplio, a partir de medidas experimentales, sobre los fenómenos físicos que ocurren en una turbina tanto en condiciones de diseño como fuera de ellas. Este conocimiento del comportamiento fluidodinámico de la turbina va a ser de gran ayuda en el desarrollo de modelos.En la segunda parte de la tesis se presenta un modelo unidimensional fluidodinámico para turbinas radiales de geometría variable. Este modelo ha sido implementado en un modelo de acción de ondas, que reproduce el comportamiento fluidodinámico de motores de combustión interna alternativos. El modelo ha sido validado en el banco de ensayo descrito en la primera parte de la tesis y para turbinas acopladas a un grupo de sobrealimentación de motores diesel tanto en comportamiento estacionario como transitorio del motor. / Cervelló Romero, C. (2005). Contribución a la caracterización experimental y al modelado de turbinas de geometría variable en grupos de sobrealimentación [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/1902 / Palancia

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