A major cause of CO2 emissions today is fossil fuel vehicles, and lowering these emissions is of key importance, resulting in increasing electrification and hybridisation nowadays. Turbochargers have been used for a long time to recycle exhaust gas heat losses to improve engine performance by compressing the intake air. This thesis investigates a turbocharger with an added electric machine, to see if further energy can be recovered from these gasses, as well as how to control this machine for improved transients during acceleration and reduced turbo lag. A complete Simulink model is created of the system, comprised of a variable geometry turbine, compressor, cylinder, electric motor and battery model. This plant model is then evaluated on test cycles, which results in consistently lowered brake-specific fuel consumption and quicker responses at the cost of electric charge. The results show that an electrically assisted turbocharger poses as a feasible option for further improvements in fuel economy and performance during transients for spark ignited engines.

Nous abordons, dans cette thèse, la poursuite asymptotique de trajectoire basée sur la commande prédictive généralisée non linéaire à temps continu (NCGPC). L'application de cette technique de commande requiert la vérification d'assomptions précises. La NCGPC est caractérisée par deux paramètres : le degré relatif et l'horizon de prédiction, respectivement, intrinsèque et extrinsèque au système. Sa loi de commande résulte de la minimisation d'un critère quadratique basée sur l'erreur de prédiction (jusqu'à un ordre égal au degré relatif) entre la(es) sortie(s) choisie(s) et le(es) signal(aux) de référence correspondant(s). Elle linéarise le système non linéaire en boucle fermée dans un nouvel espace de coordonnées et lui garantit la stabilité (degré relatif inférieur ou égal à quatre) de facto. Au-delà de quatre, il y a instabilité. Pour résoudre ce problème, Chen et al. ont introduit un troisième paramètre, qui est l'ordre des dérivées successives de la commande par rapport au temps, choisi de sorte que sa différence avec le degré relatif soit inférieure à quatre. Nous proposons dans ce travail, deux approches qui vérifient les mêmes assomptions mentionnées ci-dessus et dont les points communs sont la modification du critère avec le maintien à zéro de l'ordre des dérivées successives de la commande et la garantie de la stabilité pour le système linéaire bouclé résultant. La première approche consiste au rajout d'un terme linéaire en commande au critère, tandis que la deuxième consiste au rajout d'une matrice de correction "intelligente" à la matrice de prédiction du critère. Quelques propriétés de la NCGPC sont données pour des systèmes SISO de degré relatif un ou deux.

The ever increasing demands on today's engine performance and emissions control is forcing the automotive industry to make use of innovative solutions. One of these is to apply the technology of VNT turbos on commercial petrol vehicles. When using a VNT turbo, the aspect ratio of the turbine can be altered while driving to suit the current operating window. In order to actually gain performance while using a VNT, the vanes have to be properly controlled using a suitable control strategy. In this project, direct collocation have been utilized through the usage of YOP which is an adaptation of CasADi in MATLAB to solve non-linear optimization problems. Comprehensive models of the turbocharger and the cylinders have been built and validated to properly represent a VEP4 LP engine from AUROBAY. The models are implemented in YOP to create and simulate different OCPs using the turbo speed as state and position of the vanes as control signal. With this model in YOP together with the air mass flow per second as reference, a good reference following together with decent values for relevant parameters can be accomplished. Other objective functions such as minimum time and maximal volumetric efficiency are also investigated in the project which yield likewise results. From the results it can be concluded that this type of model and control strategy can be used with success when studying optimal control of a VNT turbo.

Engine control systems aim to ensure satisfactory output performance whilst adhering to requirements on emissions, drivability and fuel efficiency. Model predictive control (MPC) has shown promising results when applied to multivariable and nonlinear systems with operational constraints, such as diesel engines. This report studies the torque generation from a mean-value heavy duty diesel engine with exhaust gas recirculation and variable-geometry turbocharger using state feedback linearization based MPC (LMPC). This is accomplished by first introducing a fuel optimal reference generator that converts demands on torque and engine speed to references on states and control signals for the MPC controller to follow. Three different MPC controllers are considered: a single linearization point LMPC controller and two different successive LMPC (SLMPC) controllers, where the controllers are implemented using the optimization tool CasADi. The MPC controllers are evaluated with the World Harmonized Transient Cycle and the results show promising torque tracking using a SLMPC controller with linearization about reference values.

[ES] El carácter cada vez más estricto de las normativas de emisiones ha provocado el desarrollo de motores de combustión más respetuosos con el medioambiente. La última normativa europea aplicada al sector del transporte ha ampliado el rango de condiciones de operación en el que se realizan las pruebas de homologación. Las variables de temperatura ambiente y altitud de conducción son ahora requisitos adicionales que deben tenerse en cuenta con la intención de reducir la diferencia entre el resultado de esas pruebas y en condiciones de conducción real. La comprensión del impacto de las condiciones ambientales sobre el funcionamiento del motor es algo fundamental para superar los inconvenientes que pueden representar la respuesta del motor y teniendo un gran impacto sobre las emisiones del mismo. Como consecuencia de la variación de la altitud y de la temperatura ambiente, las condiciones de contorno de los sistemas de postratamiento de los gases de escape (EATS) se modifican, comprometiendo su funcionamiento y repercutiendo en las emisiones liberadas a la atmosfera. En el caso concreto de los motores Diesel, los dos EATS más comunes son el catalizador de oxidación diesel (DOC) y el filtro de partículas diesel (DPF). En este contexto, la presente tesis doctoral propone diferentes enfoques a fin de comprender los principales efectos que las condiciones ambientales extremas provocan en el motor y en el funcionamiento del DOC y del DPF. Una parte importante de este trabajo ha consistido en la puesta en marcha de un banco de pruebas experimental equipado con un simulador de altitud y de una herramienta de modelización termo fluidodinámica unidimensional (1D) para un amplio análisis. Tras los resultados experimentales en condiciones de estado estacionario a baja temperatura, los mapas de contorno de las emisiones de CO y HC condujeron a la evaluación como las condiciones ambientales extremas repercuten en la temperatura de activación del DOC y en la eficiencia de conversión de las emisiones contaminantes. El análisis computacinal ayudó a elaborar directrices que determinan la contribución de las propiedades del flujo causadas por dichas condiciones. Asimismo, se ha abordado el efecto de la aplicación de soluciones computacionales de aislamiento térmico del escape sobre el DOC y la respuesta del motor. Por otro lado, se ha realizado experimentalmente la actuación de la turbina de geometría variable (VGT) sobre el proceso de regeneración del DPF. El impacto que la estrategia de presión de sobrealimentación tiene sobre la tasa de consumo de hollín durante la regeneración activa en función de la altitud de conducción se considera con la orientación de las herramientas de modelado. La discusión de la reducción de la tasa de regeneración en altitud con las estrategias de sobrealimentación estándar ha conducido a la reevaluación de la actuación de la de la turbina de geometría variable (VGT) para condiciones de altitud extrema. Por último, se ha analizado experimentalmente la sensibilidad de la posición del VGT y la tasa de EGR de baja presión (LP-EGR) sobre el comportamiento del motor a cargas parciales en un amplio rango de condiciones ambientales. Los resultados han conducido a la redefinición de la calibración del motor a fin de aumentar la temperatura de entrada del EATS al tiempo que se reduce el consumo específico de combustible. / [CA] El caràcter cada vegada més estricte de les normatives d'emissions ha provocat el desenvolupament de motors de combustió més respectuosos amb el medi ambient. L'última normativa europea aplicada al sector del transport ha ampliat el rang de condicions d'operació en el qual es realitzen les proves d'homologació. Les variables de temperatura ambient i altitud de conducció són ara requisits addicionals que han de tindre's en compte amb la intenció de reduir la diferència entre el resultat d'aqueixes proves i en condicions de conducció real. La comprensió de l'impacte de les condicions ambientals en el compliment de la normativa pel motor es fonamental per a superar els inconvenients que poden representar per a la resposta del motor amb un ampli impacte en les emissions d'aquest. A conseqüència de la variació de l'altitud o de la temperatura ambient, els límits dels sistemes de posttractament dels gasos de fuita (EATS) es modifiquen, comprometent el seu funcionament i repercutint en les emissions alliberades a la atmosfera. En el cas concret dels motors Dièsel, els dos EATS més comuns són el catalitzador d'oxidació dièsel (DOC) i el filtre de partícules dièsel (DPF). En aquest context, aquesta tesi doctoral proposa diferents enfocaments per a entendre els principals factors que les condicions ambientals extremes imposen al motor i al funcionament del DOC i del DPF. Una part important d'aquest treball ha consistit en la posada en marxa d'un banc de proves experimental equipat amb un simulador d'altitud i d'una eina de modelització termo fluidodinámica unidimensional (1D) per a una ampla anàlisi. Després dels resultats experimentals en condicions d'estat estacionari a baixa temperatura, els mapes de contorn de les emissions de CO i HC ha conduí a l'avaluació de com les condicions ambientals extremes repercuteixen en la temperatura d'activació del DOC i en l'eficiència de conversió de les emissions contaminants. L'anàlisi computacinal ha ajudat a elaborar directrius que determinen la contribució de les propietats del flux causades per aquestes condicions. Així mateix, l'efecte de l'aplicació de solucions d'aïllament tèrmic del tubo d'escapament sobre el DOC i la resposta del motor. D'altra banda, s'ha realitzat experimentalment l'actuació de la turbina de geometria variable (VGT) sobre el procés de regeneració del DPF. L'impacte que l'estratègia de pressió de sobrealimentació té sobre la taxa de consum de sutge durant la regeneració activa en funció de l'altitud de conducció es considera amb l'orientació de les eines de modelatge. La discussió de la reducció de la taxa de regeneració en altitud amb les estratègies de sobrealimentació estàndard ha conduït a la reavaluació de l'actuació de la de la turbina de geometria variable (VGT) per a condicions d'altitud extrema. Finalment, s'ha analitzat experimentalment la sensibilitat de la posició del VGT i la taxa de EGR de baixa pressió (LP-EGR) sobre el comportament del motor a càrregues parcials en un ampli rang de condicions ambientals. Els resultats han conduït a la redefinició del calibratge del motor a fi d'augmentar la temperatura d'entrada del EATS al mateix temps que es redueix el consum específic de combustible. / [EN] The increasingly stringent emission standards act as a guide for the development of cleaner vehicles in a context of climate change. The latest European regulations applied to the transportation sector widened the operation range where homologation tests are carried out. The variables of ambient temperature and driving altitude are now extra requirements that must be considered in a way to shorten the gap between those tests and real driving. The understanding of the ambient conditions impact on the engine response becomes fundamental to overcome the drawbacks represented by them, being determinant for the engine response with an extended impact on engine-out emissions. As a consequence of altitude or ambient temperature variation, the exhaust aftertreatment systems (EATS) boundaries are modified, compromising their operation and impacting on tailpipe emissions. In the specific case of Diesel engines, the two most common EATS are the diesel oxidation catalyst (DOC) and the diesel particulate filter (DPF). In this context, this doctoral thesis proposes different approaches to understand the main factors that extreme ambient conditions impose to the engine and to the DOC and DPF operation. An important part of this work consisted of the set up of an experimental test bench equipped with an altitude simulator and of a one-dimensional (1D) thermo-fluid dynamic modelling tool for a wide-ranging analysis. Following low temperature steady state conditions experimental outcomes, CO and HC emission contour maps led to the evaluation of how extreme ambient conditions impact on the DOC light-off and pollutant emissions conversion efficiency. The modelling analysis helped to build guidelines that determine the contribution of the flow properties caused by such conditions. Besides, the effect of applying computational exhaust line thermal insulation solutions on the DOC and engine response is additionally addressed. On the other hand, the variable geometry turbine (VGT) actuation on the DPF regeneration process is performed experimentally. The impact that the boost pressure strategy has on the rate of soot depletion during active regeneration as a function of the driving altitude is considered with the guidance of the modelling tools. The reduction of the regeneration rate in altitude with standard boosting strategies is discussed, leading to the re-evaluation of the VGT actuation for high altitude practices. Finally, the sensitivity of the VGT position and low pressure exhaust gases recirculation (LP-EGR) rate at a vast array of ambient conditions is experimentally analysed for regular engine operation at partial loads. The results led to the engine calibration redefinition based on EATS inlet temperature increase and the reduction of the specific fuel consumption. / Diesel Costa, B. (2022). Advancement in Understanding the Extreme Altitude and Ambient Temperature Impact on Diesel Engine and Aftertreatment Performance [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181715 / TESIS