[EN] Current challenges in research and development of powertrains demand new computational tools capable of simulating vehicle operation under very diverse conditions. This is due, among other reasons, to new homologation standards in the automotive sector requiring compliance of exhaust emissions regulations under any possible driving condition on the road. Global engine or vehicle models provide many advantages to engineers because they allow to reproduce the entire system under study, considering the physical processes that take place in different components and the interactions among them. This thesis aims to enable the modeling of heat transfer processes in a complete engine simulation tool developed at CMT-Motores Térmicos research institute. This 0D/1D simulation tool is called Virtual Engine Model (VEMOD). The development of heat transfer models comprises the engine block and the ancillary systems. The model of heat transfer in the engine block deals with the central problem of in-cylinder convection by means of a combination of experimental research, CFD simulation and multizone 0D modeling. The other thermal processes present in the engine block are examined in order to implement suitable submodels. Once the model is complete, it undergoes a validation with experimental transient tests. Afterwards, the ancillary systems for engine thermal management are brought into focus. These systems are considered by means of two new models: a model of heat exchangers and a model of thermo-hydraulic circuits. The development of those models is reported in detail. Lastly, with the referred thermal models integrated in the global simulation tool, a validation study is undertaken. The goal is to validate the ability of the Virtual Engine Model to capture the thermal response of a real engine under various operating conditions. To achieve that, an experimental campaign combining tests under steady-state operation, under transient operation and at different temperatures is conducted in parallel to the corresponding simulation campaign. The capacity of the global engine simulations to replicate the measured thermal evolution is finally demonstrated. / [ES] Los retos actuales en la investigación y desarrollo de trenes de potencia demandan nuevas herramientas computacionales capaces de simular el funcionamento de un vehículo en condiciones muy diversas. Esto se debe, entre otras razones, a que los nuevos estándares de homologación en el sector de la automoción obligan al cumplimiento de las regulaciones de emisiones en cualquier condición posible de conducción en carretera. Los modelos globales de motor o de vehículo proporcionan muchas ventajas a los ingenieros porque permiten reproducir el sistema entero a estudiar, considerando los procesos físicos que tienen lugar en los distintos componentes y las interacciones entre ellos. Esta tesis pretende hacer posible el modelado de los procesos de transmisión de calor en una completa herramienta de simulación de motor desarrollada en el instituto de investigación CMT-Motores Térmicos. Esta herramienta de simulación 0D/1D se denomina Motor Virtual o Virtual Engine Model (VEMOD). El desarrollo de modelos de transmisión de calor comprende el bloque motor y los sistemas auxiliares. El modelo de transmisión de calor en el bloque motor aborda el problema central de la convección en el interior del cilindro mediante una combinación de investigación experimental, simulación CFD y modelado 0D multizona. El resto de procesos térmicos presentes en el bloque motor son examinados para poder implementar submodelos adecuados. Una vez el modelo está terminado, se realiza una validación con ensayos experimentales en régimen transitorio. A continuación, el foco de atención pasa a los sistemas auxiliares de gestión térmica. Estos sistemas se toman en consideración por medio de dos nuevos modelos: un modelo de intercambiadores de calor y un modelo de circuitos termohidráulicos. El desarrollo de los modelos se explica en detalle en esta tesis. Por último, con los citados modelos integrados en el Motor Virtual, se lleva a cabo un estudio de validación. El objectivo es validar la capacidad del Motor Virtual para reproducir la respuesta térmica de un motor real en varias condiciones de funcionamento. Para conseguirlo, se realiza una campaña experimental que combina ensayos en régimen estacionario, en régimen transitorio y a diferentes temperaturas, en paralelo a la campaña de simulación correspondiente. La capacidad de las simulaciones globales de motor para replicar la evolución térmica medida experimentalmente queda finalmente demostrada. / [CA] Els reptes actuals en la recerca i el desenvolupament de trens de potència demanden noves eines computacionals capaces de simular el funcionament d'un vehicle en condicions molt diverses. Açò es deu, entre altres raons, a que els nous estàndards d'homologació al sector de l'automoció obliguen al compliment de les regulacions d'emissions en qualsevol condició possible de conducció en carretera. Els models globals de motor o de vehicle proporcionen molts avantatges als enginyers perquè permeten reproduir el sistema sencer a estudiar, considerant els processos físics que tenen lloc als distints components i les interaccions entre ells. Aquesta tesi pretén fer possible el modelat dels processos de transmissió de calor en una completa eina de simulació de motor desenvolupada a l'institut de recerca CMT-Motores Térmicos. Aquesta eina de simulació 0D/1D s'anomena Motor Virtual o Virtual Engine Model (VEMOD). El desenvolupament de models de transmissió de calor comprén el bloc motor i els sistemes auxiliars. El model de transmissió de calor al bloc motor aborda el problema central de la convecció a l'interior del cilindre mitjançant una combinació de recerca experimental, simulació CFD i modelat 0D multizona. La resta de processos tèrmics presents al bloc motor són examinats per a poder implementar submodels adequats. Una vegada el model està acabat, es fa una validació amb assajos experimentals en règim transitori. A continuació, el focus d'atenció passa als sistemes auxiliars de gestió tèrmica. Aquests sistemes es prenen en consideració per mitjà de dos nous models: un model d'intercanviadors de calor i un model de circuits termohidràulics. El desenvolupament dels models s'explica en detall en aquesta tesi. Per últim, amb els referits models integrats al Motor Virtual, es porta a terme un estudi de validació. L'objectiu és validar la capacitat del Motor Virtual per a reproduir la resposta tèrmica d'un motor real en diverses condicions de funcionament. Per a assolir-ho, es realitza una campanya experimental que combina assajos en règim estacionari, en règim transitori i a diferents temperatures, en paral·lel a la campanya de simulació corresponent. La capacitat de les simulacions globals de motor per a replicar l'evolució tèrmica observada experimentalment queda finalment demostrada. / European funds received in the framework of Horizon 2020’s DiePeR project have contributed to the validation and improvement of the Virtual Engine Model. My own dedication has been funded by Universitat Politècnica de València through the predoctoral contract FPI-S2-2016-1357 of “Programa de Apoyo para la Investigaci´on y Desarrollo (PAID-01-16)”. / Salvador Iborra, J. (2020). A contribution to the global modeling of heat transfer processes in Diesel engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/149575

[ES] Las nuevas regulaciones en materia de emisiones de efecto invernadero y calidad del aire han conducido la evolución tecnológica de los motores de combustión interna durante los últimos años. Las mejoras en el proceso de la combustión, la sobrealimentación, la gestión térmica, los sistemas de post tratamiento y técnicas como la recirculación de gases de escape, han permitido que los motores de combustión interna de hoy en día sean cada vez más limpios. La adopción en Europa del nuevo ciclo de homologación WLTP, que considera un ciclo de conducción más realista que su predecesor el NEDC, así como la necesidad de evaluar las emisiones contaminantes en diferentes escenarios de temperatura ambiente y de altitud, suponen un desafío para los fabricantes a la hora de diseñar y optimizar sus motores. En este contexto, el modelado unidimensional del motor ofrece la posibilidad de desarrollar y probar diferentes soluciones con la suficiente precisión,a la vez que permite agilizar el proceso de diseño del motor y reducir los costes de éste. El objetivo de esta tesis es el de desarrollar un modelo completo de motor virtual que permita simular condiciones transitorias de régimen de giro y grado de carga, así como diferentes condiciones ambientales de presión y temperatura. Con este modelo de motor se pretende predecir las principales variables termo-fluidodinámicas en diferentes puntos del motor y las emisiones contaminantes liberadas en el escape. Por otra parte, el arranque en frío y el funcionamiento a bajas temperaturas están asociados a un mayor consumo, mayores emisiones de hidrocarburos (HC) y monóxido de carbono (CO), así como mayores emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) debido a la desactivación de los sistemas de recirculación de gases de escape. Para paliar estos efectos adversos, una opción es lograr que el sistema de postratamiento alcance su temperatura de activación lo más pronto posible. En este trabajo se aborda este objetivo mediante dos soluciones. Por un lado, se ha explorado la posibilidad de elevar la temperatura de los gases en el escape mediante un sistema de distribución variable. Con este método se pueden reducir las emisiones de CO y HC en torno a un 40-50 % y las emisiones de NOx hasta un 15 % durante la primera fase del ciclo WLTC, a costa de una penalización en el consumo de combustible. Por otro lado, también se ha estudiado la posibilidad de aislar térmicamente el sistema de escape. En este caso, es posible reducir las emisiones de CO y HC en torno a un 30 % sin mejorar las de NOx. / [CA] Les noves regulacions en matèria d'emissions d'efecte d'hivernacle i qualitat de l'aire han conduït la evolució tecnològica dels motors de combustió interna durant els darrers anys. Les millores en el procés de la combustió, la sobrealimentació, la gestió tèrmica, els sistemes de postractament i tècniques com la recirculació de gasos d'escapament, han permès que els motors de combustió interna d'avui dia siguen cada vegada més nets. L'adopció a Europa del nou cicle d'homologació WLTP, que considera un cicle de conducció més realista que el seu predecessor el NEDC, així com la necessitat d'avaluar les emissions de gasos contaminants en diferents escenaris de temperatura ambient i humitat, suposen un repte per als fabricants a l'hora de dissenyar i optimitzar els seus motors. En aquest context, el modelatge unidimensional del motor ofereix la possibilitat de desenvolupar i provar diferents solucions amb la suficient precisió, al mateix temps que agilitza el procés de disseny del motor i reduïx els costos derivats d'aquest. L'objectiu d'aquesta tesi és el de desenvolupar un model complete de motor virtual que permeta simular condicions transitòries de règim de gir i grau de càrrega, així com diferents condicions ambientals de pressió i temperatura. Amb aquest model de motor es pretén predir les principals variables termo-fluidodinàmiques en diferents punts del motor i les emissions contaminants alliberades en l'escapament. Per altra banda, l'arrancada en fred i el funcionament a baixes temperatures están associats a un major consum, majors emissions d'hidrocarburs (HC) i monòxid de carboni (CO), així com majors emissions d'òxids de nitrògen (NOx) degudes a la desactivació dels sistemes de recirculació de gasos d'escapament. Per a pal·liar aquestos efectes indesitjats, una opció és aconseguir que el sistema de postractament arribe a la seua temperatura d'activació el més prompte possible. En aquest treball, aquest objectiu s'aborda mitjançant dues solucions. Per una banda, s'ha investigat la possibilitat d'augmentar la temperatura dels gasos en l'escapament per mitjà d'un sistema de distribució variable. Amb aquest mètode s'ha aconseguit reduïr les emissions de CO i HC al voltant d'un 40-50 % i les emissions de NOx fins a un 15 % durant la primera fase del cicle WLTC, acosta d'una penalització en el consum de combustible. Per altra banda, també s'ha estudiat la possibilitat d'aïllar tèrmicament el sistema d'escapament. En aquest cas, és possible reduir les emissions de CO i HC vora un 30 % sense millorar les de NOx . / [EN] The new regulations regarding greenhouse emissions and air quality have led the technological progress of the internal combustion engines during the recent years. Improvements in the combustion process, turbocharging, thermal management, after-treatment systems and techniques such as the exhaust gases recirculation, have resulted in cleaner internal combustion engines. The adoption of the new type approval test in Europe, so-called WLTP, which represents a more realistic driving cycle than its forerunner the NEDC, as well as the need to evaluate pollutant emissions at different conditions of ambient temperature and altitude, represent a challenge for manufacturers when it comes to design and optimise their engines. In this context, one-dimensional engine models offer the possibility to develop and test different solutions with enough accuracy, while hastening the engine design process and reducing its costs. The main objective of this thesis is to develop a complete virtual engine model able to simulate transient conditions of engine speed and load, as well as different ambient conditions of pressure and temperature. The engine model is used to predict the main thermo-and fluid dynamic variables at different engine locations and the tailpipe pollutant emissions. Furthermore, engine cold start and its operation at low temperature is associated to a greater fuel consumption, hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) emissions; as well as more nitrogen oxide (NOx) emissions due to the deactivation of the exhaust gases recirculation systems. A solution to mitigate these negative effects is to heat up the after-treatment system so as to achieve its activation temperature as soon as possible. In the work presented, this goal is addressed through two different standpoints. On the one hand, variable valve timing systems have been studied as a way to increase the exhaust gases temperature. With this option it is possible to reduce CO and HC emissions by 40-50 % and NOx emissions by 15 % during the first stage of the WLTC cycle, at the expense of a penalty in the fuel consumption. On the other hand, the thermal insulation of the exhaust system has also been studied with the same objective. In this case, it is possible to reduce CO and HC emissions by 30 %, while not improving NOx ones. / The author wishes to acknowledge the financial support received through the FPI S2 2018 1048 grant of Programa de Apoyo para la Investigación y Desarrollo (PAID) of Universitat Politècnica de València. / Auñón García, Á. (2021). Development and validation of a virtual engine model for simulating standard testing cycles [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/168906

Tesis por compendio / [ES] El objetivo principal de esta tesis es establecer una metodología para predecir el consumo de combustible y las emisiones de un motor de encendido por compresión en condiciones transitorias. Además, su objetivo es explorar cómo las diferentes configuraciones del motor y los factores ambientales impactan el comportamiento del motor utilizando un enfoque de modelado 0D/1D. Además, el estudio pretende extender esta metodología a los motores duales, analizando específicamente las características de combustión de metano-diésel e hidrógeno-diésel. Para lograrlo, la herramienta de modelado 0D/1D se ajustó y validó meticulosamente utilizando un motor diésel de cuatro cilindros. Esta alineación entre la simulación y datos experimentales se centró especialmente en factores cruciales como la presión, la liberación de calor, las temperaturas en los fluidos del motor y el par. Se realizó un análisis exhaustivo del Balance Energético Global (GEB) utilizando VEMOD (Virtual Engine Model). Este análisis proporcionó información detallada sobre el consumo del motor y su reacción en diversas condiciones de funcionamiento, particularmente durante el Ciclo de ensayo mundial armonizado de vehículos ligeros (WLTC). La comparación de términos energéticos entre diferentes condiciones ambientales y de motor destacó aspectos como la fricción, la transferencia de calor y la acumulación de calor. Además, el análisis GEB permitió explorar cómo se distribuía la energía con diferentes temperaturas y altitudes ambientes. El estudio también evaluó las emisiones de NOx, revelando patrones influenciados por factores como las tasas de recirculación de gases de escape (EGR) y la temperatura de admisión. En el ámbito de los motores de combustible dual, se elaboró y validó un modelo de combustión utilizando la herramienta de simulación 0D/1D. La atención inicial se centró en la combustión de metano-Diesel, validada con datos experimentales. Posteriormente, el alcance de este modelo se amplió para simular la combustión de hidrógeno-Diesel. Esta tesis ha introducido con éxito una metodología que utiliza VEMOD para predecir el consumo y las emisiones del motor en distintos escenarios. El análisis exhaustivo arrojó luz sobre cómo funcionan los mecanismos de distribución de energía y cómo diferentes factores influyen en el comportamiento del motor. La aplicación de esta metodología a motores de encendido por compresión ha demostrado su versatilidad y capacidad de predicción, lo que la convierte en una herramienta valiosa para investigar escenarios futuros, también con combustiones duales. / [CA] L'objectiu principal d'aquesta tesi és establir una metodologia per predir el consum de combustible i les emissions d'un motor d'encesa per compressió en condicions transitòries. A més, pretén explorar com diferents configuracions de motors i factors ambientals afecten el comportament del motor mitjançant un enfocament de modelització 0D/1D. A més, l'estudi s'esforça a estendre aquesta metodologia als motors de doble combustible (duals), analitzant específicament les característiques de combustió de metà-dièsel i hidrogendièsel. Per aconseguir-ho, l'eina de modelització 0D/1D es va ajustar minuciosament i es va validar mitjançant un motor dièsel de quatre cilindres. Aquesta alineació entre dades de simulació i món real es va centrar especialment en factors crucials com la pressió, l'alliberament de calor, les temperatures dels fluids del motor i el parell. Es va realitzar una anàlisi completa del Balanç Global d'Energia (GEB) mitjançant VEMOD (Virtual Engine Model). Aquesta anàlisi va proporcionar una visió profunda sobre el consum del motor i la seua reacció en diverses condicions de funcionament, especialment durant el Cicle mundial d'assaig de vehicles lleugers harmonitzats (WLTC). La comparació de termes energètics entre diferents condicions ambientals i del motor van posar de manifest aspectes com la fricció, la transferència de calor i l'acumulació de calor. A més, l'anàlisi GEB va explorar com es va distribuir l'energia amb diferents temperatures i altituds ambientals. L'estudi també va valorar les emissions de NOx, revelant patrons influenciats per factors com la recirculació de gasos d'escapament (EGR) i la temperatura d'admissió. En l'àmbit dels motors duals, es va elaborar i validar un model de combustió mitjançant l'eina de simulació 0D/1D. El focus inicial es va centrar en la combustió metà-Diesel, validada amb dades experimentals. Posteriorment, l'abast d'aquest model es va ampliar per simular la combustió hidrogen-Diesel. Aquesta tesi ha introduït amb èxit una metodologia que utilitza VEMOD per predir el consum i les emissions del motor en diferents escenaris. L'anàlisi completa va donar llum a com funcionen els mecanismes de distribució d'energia i com diferents factors influeixen en el comportament del motor. L'aplicació d'aquesta metodologia als motors d'encesa per compressió va demostrar la seva versatilitat i capacitats de predicció, convertint-la en una valuosa eina per investigar els futurs escenaris, fins i tot amb combustions duals. / [EN] The main aim of this thesis is to establish a methodology for predicting fuel consumption and emissions of a compression ignition engine in transient conditions. Additionally, it aims to explore how different engine setups and environmental factors impact the engine's performance using a 0D/1D modelling approach. Moreover, the study strives to extend this methodology to dual fuel engines, specifically analysing methane-Diesel and hydrogen- Diesel combustion characteristics. The 0D/1D modelling tool was meticulously fine-tuned and validated using a four-cylinder Diesel engine to achieve this. This alignment between simulation and experimental data focused on crucial factors such as pressure, heat release, engine fluid temperatures and torque. A comprehensive Global Energy Balance (GEB) analysis was conducted using VEMOD (Virtual Engine Model). This analysis provided insights into the engine consumption and performance under diverse operating conditions, particularly during the Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle (WLTC). The comparison of energy terms across different engine and boundary conditions highlighted aspects such as friction, heat rejection, and heat accumulation. Additionally, the GEB analysis allowed exploration of how energy was split across varying ambient temperatures and altitudes. The study also assessed NOx emissions, revealing patterns influenced by factors such as Exhaust Gas Recirculation (EGR) rates and intake temperature. A combustion model was developed and validated using the 0D/1D simulation tool in the scope of dual fuel engines. The initial focus was on methane-Diesel combustion, validated against experimental data. Subsequently, this model scope was expanded to simulate hydrogen-Diesel combustion. This thesis has successfully introduced a methodology based on VEMOD to predict engine consumption and emissions across varying scenarios. The comprehensive analysis illuminated how energy distribution mechanisms operate and how factors influence engine performances. The application of this methodology to compression ignition engines demonstrated its versatility and prediction capabilities, making it a valuable tool for investigating future combustion scenarios, including dual fuel operation. / This research has been partially funded by the European Union’s Horizon 2020 Framework Programme for research, technological development and demonstration under grant agreement 723976 (“DiePeR”) and by the Spanish government under the grant agreement TRA2017-89894-R (”MECOEM”) and I was supported by FPI grant with reference PRE2018-084411. / Artham, S. (2023). Contribution to the simulation of new standard testing cycles by means of a 0D/1D tool [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/201238 / Compendio