[pt] As turbinas a gás são equipamentos de vital importância para o setor industrial, fornecendo trabalho e calor para diversos setores, do transporte aos sistemas de cogeração. A crescente necessidade de geração de energia elétrica confiável tem incentivado o projeto de turbinas a gás industriais, inclusive no Brasil, que operam com vários combustíveis como o diesel, gás natural, álcool e de combustíveis de baixo poder calorífico. Para melhor monitorar e controlar estes motores, uma análise completa da previsão de funcionamento em regime transitório é necessária. Durante o regime transitório das turbinas a gás industriais (heavy-duty), o sistema de controle deve manter os limites de certos parâmetros, tais como a temperatura na entrada da turbina e a velocidade de rotação do eixo, no seu valor nominal. Além disso, o tempo de resposta necessário para o sistema de controle atuar deve ser o mais breve possível para garantir uma operação de qualidade, segura e confiável. A temperatura de entrada da turbina, que é um parâmetro muito importante no desempenho de uma turbina a gás, é limitada pela resistência mecânica do material das pás da turbina. A velocidade de rotação do eixo deve permanecer constante, devido à ligação ao sistema elétrico, que não pode suportar altas flutuações de freqüência. Este trabalho tem como motivação o incremento da capacidade de simulação de um modelo computacional existente, incorporando, para este fim, rotinas de sistemas de controle. Como resultado, o novo modelo é capaz de simular qualquer condição de funcionamento de turbinas a gás industriais, em regime permanente e transitório controlado. Os resultados obtidos pelo programa computacional se mostraram fiéis ao comportamento real da máquina. Além disso, mostraram a flexibilidade do modelo ao lidar com diferentes condições de operação.Um programa computacional capaz de simular o desempenho transitório controlado de turbinas a gás é de extrema relevância para o desenvolvimento de softwares que auxiliam os operadores destes equipamentos. Dentre estes, estão os sistemas de monitoramento e diagnóstico dos equipamentos em questão. / [en] Gas turbine engines are a vital part of today’s industry, providing both work and heat for several industry sectors, from transportation to cogeneration systems. The growing need for reliable electricity has encouraged the design of stationary gas turbines, including in Brazil, which operates on multiple fuels such as diesel, natural gas and low calorific fuels. To better monitor and control these engines, a complete analysis for prediction of transient operation is required. During transient operation of heavy duty gas turbines, the control system must keep the limits of certain parameters, such as turbine inlet temperature (TIT) and the rotational shaft speed within their design range. Moreover, the time required for the control system to react should be as short as possible to guarantee a safe and reliable operation. The turbine inlet temperature, which is a very important parameter in the performance of a gas turbine, is limited by the turbine blades material mechanical resistance. Furthermore, the rotational speed should remain constant due to the electric grid connection, which cannot withstand high frequency fluctuations. This work is motivated by the need to increase the ability of a computer model to simulate the performance of industrial gas turbines, incorporating, for this purpose, control system routines. As a result, the new model will be able to simulate any operating condition of industrial gas turbines, in both steady state and transient. The results obtained by the computer program proved to be faithful to the actual behavior of the engine. Furthermore, they showed the flexibility of the model to deal with different operating conditions. A computer program capable of simulating the transient performance of gas turbines is very important for the development softwares to help operators of such equipment. In addition, it could be used in on-line intelligent diagnostic program.

[ES] Los motores eléctricos son máquinas eléctricas rotatorias que permiten realizar la conversión de energía eléctrica en energía mecánica, misma que resulta de gran utilidad en diversos procesos industriales, principalmente para accionar mecanismos y cadenas cinemáticas complejas que ejecutan alguna tarea en específico. Dentro de los distintos tipos de motores eléctricos, las máquinas de inducción se han utilizado ampliamente en una gran variedad de procesos industriales. Esto se debe principalmente a sus excelentes características y prestaciones, como lo son: robustez, fácil control, simplicidad, confiabilidad, y fácil mantenimiento. Sin embargo, a pesar de su elevada robustez, este tipo de máquinas se encuentran sujetas a esfuerzos mecánicos, térmicos, eléctricos y ambientales bajo diversas condiciones de operación durante su vida útil, lo que de forma inevitable conduce a fallos. Los principales fallos que suelen presentarse en los motores eléctricos de inducción son aquellos relacionados a sus componentes internos como lo son barras de rotor rotas, desgaste en las pistas exterior e interior en los rodamientos, desgaste en la jaula del rodamiento, fallas en el estator (por ejemplo, cortocircuito entre espiras adyacentes), entre otros. Cuando un motor eléctrico se encuentra operando bajo alguna condición de falla su rendimiento puede verse afectado, lo que se traduce en consumos de energía más elevados, causando a su vez costos extras al momento de facturar. En este trabajo de investigación se presenta el desarrollo de una metodología innovadora, capaz de generar un diagnóstico adecuado y de forma automática de la ocurrencia de las fallas más comunes que pueden desarrollarse en los motores eléctricos de inducción bajo diversas condiciones de operación mediante el análisis del flujo magnético de dispersión (que puede ser capturado en la periferia del marco del motor) empleando herramientas de descomposición en tiempo-frecuencia, herramientas de clasificación de datos y parámetros de caracterización de señales. Así entonces, se prueba la validez de técnicas basadas en el análisis del flujo magnético de dispersión para el diagnóstico de distintas fallas electromecánicas en motores de inducción. Los resultados demuestran el excelente desempeño de la metodología de diagnóstico automático propuesta, al ser evaluada en una gran variedad de motores con diversas características constructivas. / [CA] Els motors elèctrics són màquines elèctriques rotatòries que permeten realitzar la conversió d'energia elèctrica en energia mecànica, la qual cosa resulta de gran utilitat en diversos processos industrials, principalment per a accionar mecanismes i cadenes cinemàtiques complexes que executen alguna tasca en específic. Dins dels diferents tipus de motors elèctrics, les màquines d'inducció s'han utilitzat àmpliament en una gran varietat de processos industrials. Això es deu principalment a les seues excel·lents característiques i prestacions, com ara robustesa, fàcil control, simplicitat, fiabilitat i fàcil manteniment. No obstant això, malgrat la seua elevada robustesa, aquest tipus de màquines estan sotmeses a esforços mecànics, tèrmics, elèctrics i ambientals en diverses condicions d'operació durant la seua vida útil, la qual cosa inevitablement condueix a fallades. Les principals fallades que solen presentar-se en els motors elèctrics d'inducció són aquelles relacionades amb els seus components interns, com ara barres de rotor trencades, desgast en les pistes exterior i interior dels rodaments, desgast en la gàbia del rodaments, fallades en l'estator (per exemple, curtcircuit entre espires adjacents), entre altres. Quan un motor elèctric està funcionant sota alguna condició de fallada, el seu rendiment pot veure's afectat, la qual cosa es tradueix en consums d'energia més elevats, causant al seu torn costos addicionals en el moment de facturar. En aquest treball d'investigació es presenta el desenvolupament d'una metodologia innovadora, capaç de generar un diagnòstic adequat i de forma automàtica de l'ocurrència de les fallades més comunes que poden desenvolupar-se en els motors elèctrics d'inducció sota diverses condicions d'operació mitjançant l'anàlisi del flux magnètic de dispersió (que pot ser capturat en la perifèria del marc del motor) emprant eines de descomposició en temps-freqüència, eines de classificació de dades i paràmetres de caracterització de senyals. Així doncs, es prova la validesa de tècniques basades en l'anàlisi del flux magnètic de dispersió per al diagnòstic de diferents fallades electromecàniques en motors d'inducció. Els resultats demostren l'excellent rendiment de la metodologia de diagnòstic automàtic proposada, en ser avaluada en una gran varietat de motors amb diverses característiques constructives. / [EN] Electric motors are rotating electrical machines that allow the conversion of electrical energy into mechanical energy, which is very useful in various industrial processes, mainly to drive mechanisms and complex kinematic chains that perform a specific task. Within the different types of electric motors, induction machines have been widely used in a wide variety of industrial processes. This is mainly due to its excellent features and benefits, such as robustness, easy control, simplicity, reliability, and easy maintenance. However, despite its high robustness, this type of machine is subject to mechanical, thermal, electrical, and environmental stress under various operating conditions during its useful life, which inevitably leads to failures. The main failures that usually occur in electric induction motors are those related to their internal components, such as broken rotor bars, wear on the outer and inner races of the bearings, wear on the bearing cage, stator failures ( for example, short circuit between adjacent turns), among others. When an electric motor is operating under some fault condition, its performance may be affected, which translates into higher energy consumption, causing extra costs at the time of billing. This research thesis presents the development of an innovative methodology capable of automatically generating an adequate diagnosis of the occurrence of the most common failures that can develop in electric induction motors under various operating conditions through the analysis of the stray magnetic flux (which can be captured at the periphery of the motor frame). This is performed by using time-frequency decomposition tools, data classification tools, and signal characterization parameters. Thus, the validity of techniques based on the analysis of the stray magnetic flux for the diagnosis of different electromechanical failures in induction motors is tested. The results demonstrate the excellent performance of the proposed automatic diagnosis methodology when evaluated in a wide variety of engines with different construction characteristics. / Zamudio Ramírez, I. (2023). Diagnóstico de fallos electromecánicos en motores eléctricos mediante el análisis avanzado del flujo magnético y su implementación en hardware [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/197989

Molts sistemes mecànics existents tenen un comportament vibratori funcionalment perceptible, que es posa de manifest enfront d'excitacions transitòries. Normalment, les vibracions generades segueixen presents després del transitori (vibracions residuals), i poden provocar efectes negatius en la funció de disseny del mecanisme.El mètode que es proposa en aquesta tesi té com a objectiu principal la síntesi de lleis de moviment per reduir les vibracions residuals. Addicionalment, els senyals generats permeten complir dues condicions definides per l'usuari (anomenats requeriments funcionals). El mètode es fonamenta en la relació existent entre el contingut freqüencial d'un senyal transitori, i la vibració residual generada, segons sigui l'esmorteïment del sistema. Basat en aquesta relació, i aprofitant les propietats de la transformada de Fourier, es proposa la generació de lleis de moviment per convolució temporal de polsos. Aquestes resulten formades per trams concatenats de polinomis algebraics, cosa que facilita la seva implementació en entorns numèrics per mitjà de corbes B-spline. / Many mechanical systems have a vibratory behavior, functionally noticeable, which can be raised when transient excitations happen. Usually, such generated vibrations remain in the system after this transient (residual vibrations), and may imply negative effects in the mechanism's intended function.The method proposed in this thesis has as main objective, the synthesis of excitation signals for mechanical systems in order to reduce residual vibrations. In addition, generated signals are able to achieve two conditions defined by the user related to function of the mechanism (called functional requirements). This method is based on the relationship between the frequency contents of the transient signal and the residual vibration generated, depending on the system damping. From this relation, and taking advantage of the Fourier transform properties, motion laws are generated through the pulses' time convolution. Resultant laws are made up of algebraic polynomial pieces linked together, which makes them very suitable for implementation with numerical calculus through B-spline curves.

El estudio de la retroactividad y de sus límites constituye un tema clásico y fundamental de Derecho tributario, sometido en la actualidad a un intenso debate, como demuestra la abundante jurisprudencia constitucional y europea existente sobre el tema. En este trabajo se lleva a cabo un análisis sistemático del principio de irretroactividad en Derecho tributario en los planos de la aplicación y la producción de normas tributarias - como regla general supletoria y como principio constitucional vinculante para leyes y reglamentos -, distinguiendo en función del carácter sustantivo, procedimental o sancionador de la norma. La investigación - de marcado carácter interdisciplinar y de Derecho comparado - se ocupa de la noción de retroactividad, el Derecho transitorio y los límites constitucionales a la retroactividad tributaria, completándose con un análisis de la retroactividad de actos y sentencias, con especial referencia a los efectos en el tiempo de las declaraciones de inconstitucionalidad de leyes tributarias.. / The study of retroactivity and its boundaries constitutes a classic and fundamental issue in Tax Law. Nowadays, this topic is subject to an intensive debate regarding how it proves the prolific constitutional and European case law related to the matter. This study carries out a systematic analysis of the non-retroactive principle in Tax Law, in the fields of application and production of tax norms - as a general supplementary rule and as a constitutional principle - whilst at the same time distinguishing between the substantive, procedural and penal character. The investigation (which has an interdisciplinary and internationally comparative law nature) deals with the retroactivity notion, grandfathering and with the constitutional boundaries of the tax retroactivity effect. Concurrently, the study is complemented with the analysis of the retroactivity of administrative acts and court decisions, with special reference to the temporal effects of the declaration of an anti-constitutional character of tax laws

El trabajo de investigación se basa en la detección de averías en máquinas eléctricas rotativas, utilizando el análisis de las corrientes estatóricas de la máquina. Para ello se van a utilizar novedosas técnicas matemáticas avanzadas de procesado de señal. Entre las averías que se pretenden detectar destacan la rotura de barras, cortocircuitos entre espiras y excentricidades estáticas, dinámicas y mixtas. Tradicionalmente la detección de estas averías se ha realizado mediante el análisis de corrientes cuando la máquina está funcionando en régimen permanente y muy recientemente se ha comenzado a analizar el régimen transitorio de la máquina. No obstante, en régimen permanente hay averías que son difícilmente detectables debido a que las componentes de fallo dependen en gran medida del deslizamiento que tenga la máquina eléctrica, siendo muy bajo en régimen permanente, sobre todo en máquinas de grandes potencias. Por ello, durante los últimos años, el Grupo de Investigación en el que se va a desarrollar la tesis doctoral ha desarrollado una serie de novedosas técnicas que permiten detectar las averías mediante el análisis de corrientes en régimen transitorio. No obstante, debido a su elevada complejidad computacional, de análisis e interpretación siguen existiendo una serie de inconvenientes que se pretenden mejorar. Uno de ellos, por ejemplo, es la obtención de indicadores que sean válidos tanto en régimen permanente como en régimen transitorio. El siguiente paso en este análisis que se pretende desarrollar en la tesis doctoral, consiste en desarrollar técnicas de diagnóstico a partir de la medida de corrientes en cualquier tipo de régimen (permanente, transitorio e incluso alimentando a la máquina eléctrica a través de convertidores de frecuencia), tanto como para motores como para generadores, mediante una técnica novedosa que consiste en la representación de la corriente en el sistema de referencia rotórico. Para ello se van a analizar las ondas de corriente cambiando el sistema de referencia, pasando de un sistema de referencia estático a un sistema de referencia móvil. El sistema de referencia va a depender de la velocidad de giro de la máquina eléctrica y por tanto del deslizamiento. De este modo, sabiendo que las componentes de avería dependen del deslizamiento, se va a obtener un nuevo sistema de medida y análisis dependiente del deslizamiento en todo momento. Con ello se pretende mejorar los resultados a la hora de obtener un diagnóstico del estado de la máquina eléctrica, así como su aplicación en cualquier régimen de funcionamiento; funcionando en modo motor o generador con diferentes frecuencias de alimentación o generación. / Sapena Bañó, Á. (2014). Desarrollo de técnicas avanzadas de diagnóstico de máquinas eléctricas válidas para cualquier régimen de funcionamiento [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/39376 / TESIS

El objetivo de este trabajo es el desarrollo de técnicas para la simulación y optimización del diseño de circuitos osciladores y lazos de enganche en fase de microondas. La intención de estas técnicas es que puedan ser utilizadas por el diseñador para optimizar las prestaciones de este tipo de circuitos durante la etapa de diseño. Por este motivo, se ha intentado que en todo momento las técnicas puedan ser utilizadas en combinación con un programa comercial de simulación de circuitos de microondas.En el caso de los circuitos osciladores, inicialmente se han optimizado sus prestaciones cuando se utilizan como osciladores controlados por tensión. De esta forma, se han desarrollado una serie de técnicas que, en combinación con simulaciones en un programa comercial, permiten la linealización y extensión de la característica tensión-frecuencia. Mediante una técnica de control de estabilidad, se ha optimizado la respuesta dinámica del oscilador ante entradas variantes en el tiempo. En concreto, se ha aumentado la rapidez de respuesta eliminando transitorios lentos oscilantes que distorsionan la señal de salida deseada. Esta técnica se ha aplicado al caso particular de osciladores controlados por tensión utilizados para generar señales chirp, como puede ser en radares Frequency Modulated Continuos Wave (FMCW). Se ha analizado también el fenómeno del "injection-pulling", en el que una señal interferente desplaza la frecuencia de oscilación. Para ello, se ha desarrollado una formulación tipo transitorio de envolvente cuyos coeficientes pueden ser identificados mediante simulaciones de balance armónico en un simulador comercial. La técnica permite incrementar la robustez del circuito oscilador ante estas señales interferentes. Dados los problemas observados en el simulador comercial para simular la característica de ruido de fase en osciladores con estructuras acopladas, se ha desarrollado una técnica de simulación de ruido de fase que solventa estos problemas. La técnica obtiene la característica de ruido de fase a través de simulaciones de transitorio de envolvente en combinación con el uso de generadores auxiliares. Estas simulaciones pueden realizarse sin problemas usando un simulador comercial. Los resultados de todas las técnicas han sido corroborados mediante medidas en varios tipos de osciladores de microondas. Finalmente, se ha realizado un estudio preliminar para combinar el uso de series de Volterra con la técnica de transitorio de envolvente para la simulación de la respuesta transitoria de los osciladores.En el caso de los lazos de enganche en fase, se ha desarrollado un programa propio que realiza un análisis no lineal de lazos acoplados o "Coupled Phase-Locked Loops" (CPLL). Estos sistemas son utilizados en aplicaciones tales como en control de apuntamiento de antenas "phased-array". El programa, basado en una formulación tempo-frecuencial del sistema, permite la obtención de los rangos de operación del CPLL mediante una caracterización no lineal de los elementos que componen el lazo. Se delimitan los rangos de histéresis, y se analiza la variación de estos rangos en función de los parámetros del sistema. Se analiza la estabilidad de las soluciones estacionarias, teniendo en cuenta parámetros tales como el retardo del lazo. Mediante el control de la estabilidad y un análisis de tipo transitorio de envolvente, se optimiza la rapidez del sistema en el seguimiento de entradas moduladas. Finalmente, se analiza el ruido de fase, separando la perturbación en fase en distintas componentes. Esta separación permite clarificar el efecto del ruido en el control de apuntamiento de un array de antenas. Las predicciones de las técnicas han sido validadas mediante medidas en un sistema CPLL a 2 GHz. / The objective of this work is the development of techniques for the simulation and optimization of the design of microwave oscillator circuits and phase-locked loops. The intention of these techniques is that they can be used by the designer to optimize the features of these kinds of circuits during the design stage. For this reason, a lot of effort has been put along this thesis to ensure that the techniques can be used in combination with commercial microwave circuit simulators.In the case of the oscillator circuits, initially, their features have been optimized when used as voltage controlled oscillators (VCO). In this way, different techniques are proposed for the computer aided design of these circuits. The first technique allows setting the operation frequency band for specific values of the tuning voltage. The second technique imposes a linear frequency-voltage characteristic with the aid of an auxiliary generator. To follow this characteristic, the circuit is solved in terms of an ideal capacitance, synthesized, at a later stage, with the tuning varactor embedded in a linear network. In the third technique, the oscillator response to a sawtooth input, used to generate a chirp signal, is improved, eliminating spurious frequencies, not observable in steady state. To illustrate the techniques, a VCO operating in the C-band has been optimized and used to generate a chirp signal with low nonlinear frequency distortion. The injection-pulling phenomenon in oscillator circuits has been also analyzed. Injection pulling by interference signals is an undesired phenomenon in front-end oscillators, which causes a shift of the oscillation frequency and degrades the output spectrum. A semi-analytical formulation for the insightful analysis of injection-pulling phenomena in the presence of a modulated carrier or chirp signal is presented. The formulation enables an efficient analysis of interference problems difficult to simulate with harmonic balance or standard envelope transient. It allows the modification of the original design in order to reduce the injection pulling to the desired levels. The techniques have been applied to an oscillator at 6 GHz. Considering the problems found in commercial software to simulate the phase noise characteristic of coupled oscillator topologies, a numerical technique for the determination of the phase-noise spectrum of free-running oscillators is presented. The technique is based on envelope transient and can be applied to any commercial simulator on which this analysis method is available. The main advantage of the technique is that it allows simulating the near carrier phase noise spectrum, including possible resonances. The elements providing the oscillator phase-noise spectrum are obtained from envelope-transient simulations of low-computational cost. Comparisons are performed between the presented technique and other existing techniques, such as the carrier modulation approach. The technique has been successfully tested on the simulation of the near carrier phase noise spectrum of an oscillator circuit at 6.3 GHz. Finally, a preliminary study has been carried out to combine the use of Volterra series with the envelope transient technique for the simulation of oscillator transients.Regarding the phase-locked loops, in this thesis, harmonic-balance (HB) and envelope-transient formulations of coupled phase-locked loops (CPLLs) are presented. The CPLL has the added difficulty of its autonomous behavior since no reference oscillator is present. The new formulation takes into account the autonomy of the system, introducing a special set of state variables, which depend on the autonomous frequencies. The hysteresis phenomenon in CPLLs is analyzed in detail, efficiently obtaining the pull-in and hold-in ranges through HB. The pole analysis of the perturbed HB system enables an accurate prediction of instabilities and resonances. Due to the CPLL autonomy, there exists an inherent noise accumulation effect. This effect is taken into account, analyzing the perturbation in terms of accumulation and deviation components. The envelope formulation allows simulating the CPLL behavior in presence of modulation signals. The influence of the stability of the steady-state solution on the modulated signals is investigated. The simulation results have been successfully compared with the measurements in a manufactured CPLL system at 2 GHz.

[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

<p>This is a thesis work proposed by Sweco System in order to carry out a study related to the heating system of a circular fuel oil storage tank or cistern. The study tank is a 23m diameter and 18m height with a storage capacity of around 7500m3 of Eo5 heavy fuel oil. The content ought to be at a minimum storage temperature of 50ºC so that the fuel oil is fluid enough and operation labors can be adequately performed. In fact, these types of heavy fuel oils have fairly high viscosities at lower temperatures and the heating and pumping system can be compromised at temperatures below the pour point. For this purpose a heating system is installed to maintain the fluid warm. So far the system was operated by an oil burner but there are plans to its replacement by a District Heating-heat exchanger combo. Thereby, tank heating needs, flow and thermal patterns and heat transfer within it are principally studied.</p><p> </p><p>Tank boundaries are studied and their thermal resistances are calculated in order to dimension heat supply capacity. The study implies Finite Elements (Comsol Multiphysics) and Finite Volume (Fluent) analysis to work out some stationary heat transfer by conduction cases on some parts and thermal bridges present on these boundaries. Afterwards both cooling and heating processes of the fuel oil are studied using several strategies: basic models and Computational Fluid Dynamics (CFD). CFD work with Fluent is focused on optimizing inlet and outlet topologies. Understanding the cooling process is sought as well; Fluent CFD transient models are simulated in this way as well. Additionally the effect of filling levels is taken into account leading to a multiphase (fuel oil and air) flow cases where especially heating coupling of both phases is analyzed.</p><p> </p><p>Results show that maximum heat supply needs are around 80kW when the tank temperature is around 60ºC and 70kW when it is around 50ºC. Expectedly the main characteristic of the flow turns out to be the buoyancy driven convective pattern. K-ε turbulence viscous models are applied to both heating and cooling processes showing thermal stratification, especially at the bottom of the tank. Hotter fluid above follows very complex flow patterns. During the heating processes models used predict fairly well mixed and homogenous temperature distribution regardless small stratification at the bottom of the tank. In this way no concrete inlet-outlet configuration shows clear advantages over the rest. Due to the insulation of the tank, low thermal conductivity of the fluid and vast amount of mass present in the tank, the cooling process is slow (fluid average temperature drops around 5.7 ºC from 60ºC in 15 days when the tank is full and ambient temperature is considered to be at -20ºC) and lies somewhere in the middle between the solid rigid and perfect mixture cooling processes. However, due to stratification some parts of the fluid reach minimum admissible temperatures much faster than average temperature does. On the other hand, as expected, air phase acts as an additional thermal resistance; anyhow the cooling process is still faster for lower filling levels than the full one.</p> / <p>El presente proyecto fue propuesto por Sweco Systems para llevar a cabo un estudio relacionado con el sistema de calefacción de una cisterna o tanque de almacenamiento de fuel oil circular. Dicho tanque tiene 23 m de diámetro  y 18 m de altura con una capacidad de almacenamiento de alrededor de 7500 m³ de Eo5 fuel oil pesado. El contenido mantenerse a una temperatura mínima de 50 ºC de manera que el fuel oil es suficientemente fluido para que las labores de operación puedan ser ejecutadas adecuadamente. De hecho, estos tipos de fuel oil pesado tienen altas viscosidades a bajas temperaturas y, por tanto, tanto los sistemas de calefacción y como el de bombeo pueden verse comprometidosr a temperaturas por debajo del pour point. Con este fin un sistema de calefacción es instalado para mantener el fluido suficientemente caliente. Hasta el momento, el sistema era operado por un quemador de fuel, sin embargo, hay planes que éste sea sustituido por un combo intercambiador de calor-District Heating. Por lo tanto, principalmente son estudiadas las necesidades de calefacción así como los flujos térmicos y fluidos.</p><p>Se estudian las fronteras del tanque, y sus respectivas resistencias térmicas son calculadas con el fin de dimensionar la capacidad necesaria de suministro de calor. El estudio implica Elementos Finitos (Comsol Multiphysics) y Volúmenes Finitos (Fluent) para elaborar análisis estacionarios de transferencia de calor por conducción en algunos casos. Existen puentes térmicos en las paredes y su importancia es también anallizada. Posteriormente se estudian tanto los procesos de calentamiento y enfriamiento del fuel oil utilizando diversas estrategias: modelos básicos y Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). El trabajo con CFD se centra en la optimización de topologías de entradas y salidas del sistema. También es solicitado entender el proceso de enfriamiento; En este sentido, se simulan modelos CFD transitorios de Fluent. Además, el efecto de los niveles de llenado se tiene en cuenta dando lugar a estudios de flujo multifase (fuel oil y aire), haciendo hincapié en el análisis de acoplamiento de transferencia de calor entre las dos fases.</p><p>Los resultados muestran que las necesidades de calefacción máximas son de alrededor de 80kW cuando la temperatura del tanque es de alrededor de 60 º C y 70kW cuando está alrededor de 50 ºC. Como era de esperar, la principal característica de este tipo de flujos es la convección natural resultante de las fuerzas de flotabilidad. Se aplican modelos turbulentos k-ε a los procesos de calentamiento y enfriamiento, mostrando estratificación térmica, sobre todo en la parte inferior de la cisterna. El líquido más caliente que se sitúa encima muestra complejos patrones de flujo. Durante los procesos de calentamiento, los modelos utilizados predicen un buen mezclado y distribución homogénea de la temperatura independientemente de esta pequeña estratificación en la parte inferior de la cisterna. De esta manera, ninguna concreta configuración de entradas-salidas simuladas muestra claras ventajas sobre el resto. Debido al aislamiento de la cisterna, la baja conductividad térmica del fluido y la gran cantidad de masa presente en el tanque el proceso de enfriamiento es lento (la temperatura media del fluido desciende 5.7 º C desde 60 º C en 15 días cuando el tanque está lleno y la temperatura ambiente es de -20 º C) y se encuentra en algún lugar en medio de los procesos de enfriamiento del sólido rígido y perfecta mezcla. Sin embargo, debido a la estratificación, algunas partes el líquido alcanzan la temperatura mínima admisible mucho más rápido que la media de temperatura. Por otra parte, como se esperaba, la fase de aire actúa como una resistencia térmica adicional, de todos modos, el proceso de enfriamiento es aún más rápido para niveles de llenado más bajos que el lleno.</p>

This is a thesis work proposed by Sweco System in order to carry out a study related to the heating system of a circular fuel oil storage tank or cistern. The study tank is a 23m diameter and 18m height with a storage capacity of around 7500m3 of Eo5 heavy fuel oil. The content ought to be at a minimum storage temperature of 50ºC so that the fuel oil is fluid enough and operation labors can be adequately performed. In fact, these types of heavy fuel oils have fairly high viscosities at lower temperatures and the heating and pumping system can be compromised at temperatures below the pour point. For this purpose a heating system is installed to maintain the fluid warm. So far the system was operated by an oil burner but there are plans to its replacement by a District Heating-heat exchanger combo. Thereby, tank heating needs, flow and thermal patterns and heat transfer within it are principally studied.   Tank boundaries are studied and their thermal resistances are calculated in order to dimension heat supply capacity. The study implies Finite Elements (Comsol Multiphysics) and Finite Volume (Fluent) analysis to work out some stationary heat transfer by conduction cases on some parts and thermal bridges present on these boundaries. Afterwards both cooling and heating processes of the fuel oil are studied using several strategies: basic models and Computational Fluid Dynamics (CFD). CFD work with Fluent is focused on optimizing inlet and outlet topologies. Understanding the cooling process is sought as well; Fluent CFD transient models are simulated in this way as well. Additionally the effect of filling levels is taken into account leading to a multiphase (fuel oil and air) flow cases where especially heating coupling of both phases is analyzed.   Results show that maximum heat supply needs are around 80kW when the tank temperature is around 60ºC and 70kW when it is around 50ºC. Expectedly the main characteristic of the flow turns out to be the buoyancy driven convective pattern. K-ε turbulence viscous models are applied to both heating and cooling processes showing thermal stratification, especially at the bottom of the tank. Hotter fluid above follows very complex flow patterns. During the heating processes models used predict fairly well mixed and homogenous temperature distribution regardless small stratification at the bottom of the tank. In this way no concrete inlet-outlet configuration shows clear advantages over the rest. Due to the insulation of the tank, low thermal conductivity of the fluid and vast amount of mass present in the tank, the cooling process is slow (fluid average temperature drops around 5.7 ºC from 60ºC in 15 days when the tank is full and ambient temperature is considered to be at -20ºC) and lies somewhere in the middle between the solid rigid and perfect mixture cooling processes. However, due to stratification some parts of the fluid reach minimum admissible temperatures much faster than average temperature does. On the other hand, as expected, air phase acts as an additional thermal resistance; anyhow the cooling process is still faster for lower filling levels than the full one. / El presente proyecto fue propuesto por Sweco Systems para llevar a cabo un estudio relacionado con el sistema de calefacción de una cisterna o tanque de almacenamiento de fuel oil circular. Dicho tanque tiene 23 m de diámetro  y 18 m de altura con una capacidad de almacenamiento de alrededor de 7500 m3 de Eo5 fuel oil pesado. El contenido mantenerse a una temperatura mínima de 50 ºC de manera que el fuel oil es suficientemente fluido para que las labores de operación puedan ser ejecutadas adecuadamente. De hecho, estos tipos de fuel oil pesado tienen altas viscosidades a bajas temperaturas y, por tanto, tanto los sistemas de calefacción y como el de bombeo pueden verse comprometidosr a temperaturas por debajo del pour point. Con este fin un sistema de calefacción es instalado para mantener el fluido suficientemente caliente. Hasta el momento, el sistema era operado por un quemador de fuel, sin embargo, hay planes que éste sea sustituido por un combo intercambiador de calor-District Heating. Por lo tanto, principalmente son estudiadas las necesidades de calefacción así como los flujos térmicos y fluidos. Se estudian las fronteras del tanque, y sus respectivas resistencias térmicas son calculadas con el fin de dimensionar la capacidad necesaria de suministro de calor. El estudio implica Elementos Finitos (Comsol Multiphysics) y Volúmenes Finitos (Fluent) para elaborar análisis estacionarios de transferencia de calor por conducción en algunos casos. Existen puentes térmicos en las paredes y su importancia es también anallizada. Posteriormente se estudian tanto los procesos de calentamiento y enfriamiento del fuel oil utilizando diversas estrategias: modelos básicos y Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). El trabajo con CFD se centra en la optimización de topologías de entradas y salidas del sistema. También es solicitado entender el proceso de enfriamiento; En este sentido, se simulan modelos CFD transitorios de Fluent. Además, el efecto de los niveles de llenado se tiene en cuenta dando lugar a estudios de flujo multifase (fuel oil y aire), haciendo hincapié en el análisis de acoplamiento de transferencia de calor entre las dos fases. Los resultados muestran que las necesidades de calefacción máximas son de alrededor de 80kW cuando la temperatura del tanque es de alrededor de 60 º C y 70kW cuando está alrededor de 50 ºC. Como era de esperar, la principal característica de este tipo de flujos es la convección natural resultante de las fuerzas de flotabilidad. Se aplican modelos turbulentos k-ε a los procesos de calentamiento y enfriamiento, mostrando estratificación térmica, sobre todo en la parte inferior de la cisterna. El líquido más caliente que se sitúa encima muestra complejos patrones de flujo. Durante los procesos de calentamiento, los modelos utilizados predicen un buen mezclado y distribución homogénea de la temperatura independientemente de esta pequeña estratificación en la parte inferior de la cisterna. De esta manera, ninguna concreta configuración de entradas-salidas simuladas muestra claras ventajas sobre el resto. Debido al aislamiento de la cisterna, la baja conductividad térmica del fluido y la gran cantidad de masa presente en el tanque el proceso de enfriamiento es lento (la temperatura media del fluido desciende 5.7 º C desde 60 º C en 15 días cuando el tanque está lleno y la temperatura ambiente es de -20 º C) y se encuentra en algún lugar en medio de los procesos de enfriamiento del sólido rígido y perfecta mezcla. Sin embargo, debido a la estratificación, algunas partes el líquido alcanzan la temperatura mínima admisible mucho más rápido que la media de temperatura. Por otra parte, como se esperaba, la fase de aire actúa como una resistencia térmica adicional, de todos modos, el proceso de enfriamiento es aún más rápido para niveles de llenado más bajos que el lleno.