Diesel engines are widely used in automotive sector due to their high fuel efficiency, distinguished durability and great reliability. However, NOx and particulate matters (PM) are main concerns of the Diesel engines due to their lean burn conditions. To reduce these emissions, Diesel engines are usually coupled with state-of-the-art Diesel aftertreatment systems including a Diesel Oxidation Catalyst (DOC), a Diesel Particulate Filter (DPF), and a Selective Catalytic Reduction system (SCR). With increasingly stringent regulations, the estimation and control strategies of Diesel after-treatment systems for NOx and PM reduction are becoming more and more critical and challenging, especially under transient conditions with unknown system dynamics including disturbances and model uncertainties. To address these problems, this thesis focuses on advanced strategies based on disturbance estimation and compensation for improving the performance of Diesel after-treatment systems. Urea injection and ammonia storage ratio are critical for the SCR system to achieve high NOx reduction efficiency and low NH3 slip. Nevertheless, unknown system dynamics including input (urea injection) disturbances and model uncertainties of SCR system make it challenging to achieve high NOx reduction efficiency and low NH3 slip. To deal with these obstacles, Paper 1, Paper 2 and Paper 3 (Chapter 2, 3, and 4 respectively) proposed active disturbance estimation and compensation methods for enhancing the SCR performance. Paper 1 (Chapter 2) introduces two different methods to accurately detect urea injection and correct for urea dosing control. Paper 2 (Chapter 3) depicts a robust Nonlinear Disturbance Observer (robust NDO) to effectively estimate the ammonia storage ratio in a cost-effective way. Paper 3 (Chapter 4) presents a compound control strategies based on active disturbance rejection control (ADRC) to precisely keep NH3 slip low and achieve high NOx reduction efficiency. DOC thermal management is critical to effectively burn the soot during DPF regeneration (PM reduction). But unknown system dynamics including DOC inlet emissions and model uncertainties make it difficult for DOC mean temperature estimation and DOC outlet temperature control during DPF regeneration. To deal with these challenges, Paper 4 and Paper 5 (Chapter 5 and 6 respectively) developed active disturbance estimation and compensation strategies for improving DOC thermal management during DPF regeneration. Paper 4 (Chapter 5) introduces a robust filter based on Smooth Variable Structure Filter (SVSF) with augmented disturbance states to estimate the mean temperature of DOC. Paper 5 (Chapter 6) presents a composite controller combining a feedforward controller and an modified Active Disturbance Rejection Controller (mADRC) with time delay compensation for the DOC outlet temperature control. The proposed methods in the 5 papers are either validated by the calibrated GT-power model or experiments with Diesel after-treatment systems. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

[ES] A pesar de la tendencia actual hacia la electrificación del transporte por carretera, los motores de combustión interna alternativos han sido esenciales en este sector y se espera que sigan siendo una tecnología con notable presencia durante las próximas décadas. Los vehículos de pasajeros actuales basados en motores de combustión interna son más ecológicos que los utilizados hace años, aunque todavía queda trabajo por hacer. Los sistemas de postratamiento están enfocados a minimizar tanto como sea posible el impacto de los motores de combustión interna en términos de emisiones contaminantes. En el caso de los motores de encendido provocado, los catalizadores de tres vías representan la tecnología más extendida en las últimas décadas, debido a su compacidad y buena relación precio-prestaciones. Estos convertidores son capaces de oxidar hidrocarburos y monóxido de carbono al mismo tiempo que reducen los óxidos de nitrógeno. No obstante, para lograr su mejor eficiencia, el dosado debe controlarse con precisión en torno a condiciones estequiométricas. En este sentido, los sistemas electrónicos de gestión del motor son esenciales para aprovechar las características de estos convertidores. En particular, las estrategias de control y diagnóstico desempeñan un papel clave para lograr una reducción efectiva de las emisiones en el amplio rango de condiciones de operación que se dan en condiciones de funcionamiento reales. El desarrollo de estas estrategias es fundamental, especialmente teniendo en cuenta el bajo nivel de emisiones permitido por las normativas de emisiones actuales y la tendencia hacia cero emisiones. El propósito de esta tesis doctoral es analizar el comportamiento del sistema de postratamiento en condiciones específicas pero a la vez muy comunes en conducción real, y desarrollar estrategias que proporcionen una reducción adicional de las emisiones en sistemas basados en catalizador de tres vías. Con la popularización de pequeños motores turboalimentados de encendido provocado, ha aumentado el uso de estrategias de barrido de la cámara de combustión para mitigar los típicos problemas de falta de par a bajo régimen. Esta tesis analiza el impacto de los pulsos de cortocircuito en el catalizador y en las sondas ¿. El proceso de cortocircuito de aire fresco al escape tiene un impacto importante en la dinámica intraciclo de la composición de los gases de escape. En particular, los pulsos de monóxido de carbono e hidrógeno seguidos por los pulsos de aire fresco perturban el normal funcionamiento del sensor de oxígeno. Por lo tanto, se ha propuesto un nuevo método para estimar la tasa de cortocircuito abordo. Este método permite corregir la desviación sufrida por el sensor y, por lo tanto, ayuda a reducir la penalización en emisiones de este tipo de estrategias. Para mejorar la eficiencia del catalizador en condiciones transitorias, no solo se requiere un control preciso del dosado aguas arriba del catalizador, sino que también resulta imprescindible considerar el comportamiento dinámico del convertidor en sí mismo. Por ejemplo, el almacenamiento de oxígeno es un buen indicador del estado del catalizador, pero no se puede medir directamente mediante sensores. Por lo tanto, el desarrollo de modelos es clave en las estrategias de control actuales, para poder estimar abordo diferentes parámetros relacionados con el estado del catalizador. Varios modelos de catalizador se han desarrollado en esta tesis doctoral para lidiar con diferentes cuestiones, desde la predicción de los efectos de la condensación de agua en la evolución de la temperatura del catalizador justo después del arranque en frío, a la cuantificación del nivel de envejecimiento, pasando por el control óptimo de purga del catalizador. / [CAT] Malgrat la tendència actual cap a l'electrificació del transport per carretera, els motors de combustió interna alternatius han sigut essencials en aquest sector i s'espera que continuen sent una tecnologia amb notable presència durant les pròximes dècades. Els vehicles de passatgers actuals basats en motors de combustió interna són més ecològics que els utilitzats fa anys, encara que hi ha treball per fer. Els sistemes de post-tractament estan enfocats a minimitzar tant com siga possible l'impacte dels motors de combustió interna en termes d'emissions contaminants. En el cas dels motors d'encés provocat, els catalitzadors de tres vies representen la tecnologia més estesa en les últimes dècades, pel fet que són compactes i posseeixen bona relació preu-prestacions. Aquests convertidors són capaços d'oxidar hidrocarburs i monòxid de carboni al mateix temps que redueixen els òxids de nitrogen. No obstant això, per a aconseguir la seua millor eficiència, el dosatge ha de controlar-se amb precisió entorn de condicions estequiomètriques. En aquest sentit, els sistemes electrònics de gestió del motor són essencials per a aprofitar les característiques d'aquests convertidors. En particular, les estratègies de control i diagnòstic exerceixen un paper clau per aconseguir una reducció efectiva de les emissions en l'ampli rang de condicions d'operació que es donen en condicions de funcionament reals. El desenvolupament d'aquestes estratègies és fonamental, especialment tenint en compte el baix nivell d'emissions permès per les normatives actuals i la tendència cap a zero emissions. El propòsit d'aquesta tesi doctoral és analitzar el comportament del sistema de post-tractament en condicions específiques però alhora molt comunes en conducció real, i desenvolupar estratègies que proporcionen una reducció addicional de les emissions en sistemes basats en catalitzador de tres vies. Amb la popularització de xicotets motors amb sobrealimentació d'encés provocat, ha augmentat l'ús d'estratègies de curtcircuit per a mitigar els típics problemes de falta de parell a baix règim. Aquesta tesi analitza l'impacte dels polsos de curtcircuit en el catalitzador i en les sondes ¿. El procés de curtcircuit d'aire fresc té un impacte important en la dinàmica intra-cicle de la composició dels gasos. En particular, els polsos de monòxid de carboni i hidrogen seguits pels polsos d'aire fresc pertorben el normal funcionament del sensor d'oxigen. Per tant, s'ha proposat un nou mètode per a estimar la taxa de curtcircuit del motor. Aquest mètode permet corregir la desviació patida pel sensor i, per tant, ajuda a reduir la penalització en emissions d'aquest tipus d'estratègies. Per a millorar l'eficiència del catalitzador en condicions transitòries, no solament es requereix un control precís del dosatge aigües amunt del catalitzador, sinó que també resulta imprescindible considerar el comportament dinàmic del convertidor en si mateix. Per exemple, l'emmagatzematge d'oxigen és un bon indicador de l'estat del catalitzador, però no es pot mesurar directament mitjançant sensors. Per tant, el desenvolupament de models és clau en les estratègies de control actuals, per poder estimar els diferents paràmetres relacionats amb l'estat del catalitzador. Diversos models de catalitzador s'han desenvolupat en aquesta tesi doctoral per a tractar diferents qüestions, des de la predicció dels efectes de la condensació d'aigua en l'evolució de la temperatura del catalitzador just després de l'arrencada en fred, a la quantificació del nivell d'envelliment, passant pel control òptim de porga del catalitzador. / [EN] In spite of the current tendency towards the electrification of the road transport, internal combustion engines have been essential in this sector and it is expected to continue being a technology with a noticeable presence during next decades. Current passenger cars based on internal combustion engines are greener than those used years ago, although it is still a developing process. Aftertreatment systems are aimed to minimize as much a possible the impact of internal combustion engines in terms of pollutant emissions. In case of spark-ignited engines, three-way catalytic converters represent the most widespread technology during last decades, due to their compactness and cost-performance. These converters are capable to oxidise hydrocarbons and carbon monoxide while simultaneously reducing nitrogen oxide. Nonetheless, to achieve their best efficiency, the air-to-fuel ratio must be accurately controlled close to stoichiometric conditions. In this sense, electronic engine management systems are essential to take advantage of the features of these converters. In particular, control and diagnosis strategies play a key role to achieve an effective emissions reduction under the wide range of operating conditions that arise in real driving conditions. The further development of this strategies is fundamental, especially taking into account the low emissions level allowed by current regulatory procedures and the trend towards zero emissions. The purpose of this dissertation is to analyse the behaviour of the aftertreatment system under very specific but at the same time very common conditions, and developing strategies that provide a further emissions reduction for systems based on three-way catalyst. With the popularization of small turbocharged spark-ignited engines, the use of scavenging strategies to solve the typical low-end torque issues has increased. This dissertation analyses the impact of the short-circuit pulses on both three-way catalyst and ¿ sensors. The short-circuit process has an important effect on the in-cycle dynamics of the exhaust gas composition. In particular, the carbon monoxide and hydrogen pulses followed by fresh air pulses cause a sensor bias. Thus a new method to on-line estimate the short-circuit rate has been proposed. This method allows to correct the sensor bias and, therefore, help to reduce the emissions penalty. To improve the TWC efficiency under transient conditions, not only an accurate air-to-fuel ratio control upstream of the converter is required, but also to consider the dynamic behaviour of the converter itself. For example, the oxygen storage is the main responsible for the converter dynamics, and thus, a good indicator of the catalyst state, but it cannot be directly measured. Hence the development of models is key in current control strategies, to on-line track different parameters related with the state of the converter. Several models have been derived in this dissertation in order to fulfil different requirements, from the prediction of water condensation effects on the temperature evolution inside the converter just after cold-start, to the quantification of the ageing level, through the optimal catalyst purge control, or the air-to-fuel ratio disturbances rejection. / Real Minuesa, M. (2020). Modelling, control and diagnosis of aftertreatment systems based on three-way catalyst in spark-ignited engines [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/137040 / TESIS

No description available.

No description available.

[ES] Las normativas sobre emisiones contaminantes y sonoras, cada vez más estrictas, han sido la principal motivación para la investigación, el desarrollo y la optimización de los motores de combustión y demás tecnologías relacionadas. Esta tendencia ha dado lugar a la introducción paulatina de sistemas de postratamiento para reducir las emisiones contaminantes provenientes de la automoción. Se emplearon diferentes enfoques experimentales y de modelado computacional para estudiar y caracterizar el comportamiento acústico y fluidodinámico de un conjunto diverso de sistemas de postratamiento, abarcando así una amplia gama de elementos y características representativos de las aplicaciones de postratamiento más avanzadas de uso comercial. La pérdida por transmisión y la caída de presión fueron seleccionadas como parámetros clave de estudio para cuantificar la atenuación acústica y la contrapresión generada por cada dispositivo. Para la caracterización experimental se utilizaron procedimientos de medición bien establecidos. Por su parte, para el modelado computacional se emplearon distintos enfoques de simulación, tales como el unidimensional, el CFD e incluso la co-simulación 1D-3D, siguiendo en la medida lo posible el concepto o principio "gemelos digitales", en programas comerciales con el objetivo de replicar los resultados experimentales, a fin de obtener información complementaria y ayudar a profundizar en la comprensión de los fenómenos internos, los efectos tridimensionales del flujo y los efectos acústicos. Previo a la caracterización minuciosa de los dispositivos, se verificó la validez y significancia de las medidas acústicas en condiciones frías como las que se iban a tomar, para representar los dispositivos respecto a sus condiciones reales de funcionamiento, es decir, expuestos a flujo caliente y pulsante como en el extremo caliente de las líneas de escape donde habitualmente se sitúan los sistemas de postratamiento. Una vez realizada esta validación. Comenzó se dio paso a la caracterización experimental, para cada sistema o dispositivo se registraron mediciones de caída de presión para un rango de caudales násicos, normalmente entre 0 y 800 kg/h. Del mismo modo, se efectuaron mediciones de pérdida de transmisión en condiciones de ausencia de flujo y con tres caudales masicos diferentes superpuestos, por lo general 100, 200 y 300 kg/h. La información producida, tras cierto post-procesamiento, análisis por descomposición y comparativo, sumado al uso del razonamiento inductivo fueron empleados para cuantificar y relacionar cada elemento con sus efectos. Adicionalmente otros temas fueron evaluados, como el cumplimiento de la propiedad aditiva en los resultados de caída de presión y pérdida por transmisión cuando varios dispositivos de postratamiento se disponen juntos formando un sistema, la importancia real de los dispositivos auxiliares que a menudo son pasados por alto , los cambios en los inicios de la vida útil de un dispositivo con filtro de partículas tipo GPF, las ventajas de realizar análisis por descomposición en los resultados de pérdida por transmisión, las capacidades de 1D y 3D CFD para producir información útil y los beneficios eventuales de la co-simulación 1D-3D. En conjunto, se elaboró una base de datos exhaustiva sobre la caída de presión y la pérdida de transmisión de los dispositivos y sistemas de postratamiento más avanzados. Las metodologías experimentales utilizadas, con su correspondiente posprocesado, demostraron ser adecuadas y producir información significativa. Especialmente tras la validación realizada con las mediciones acústicas en condiciones ambientales relativas a condiciones similares a las reales en el motor. / [CA] Les normatives sobre emissions contaminants i sonores, cada vegada més estrictes, han sigut la principal motivació per a la investigació, el desenvolupament i l'optimització dels motors de combustió i altres tecnologies relacionades. Aquesta tendència ha donat lloc a la introducció gradual de sistemes de post-tractament per a reduir les emissions contaminants provinents de l'automoció. Es van emprar diferents enfocaments experimentals i de modelatge computacional per a estudiar i caracteritzar el comportament acústic i fluidodinàmic d'un conjunt variat de sistemes i dispositius de post-tractament, abastant així una àmplia gamma d'elements i característiques representatius de les aplicacions de post-tractament més avançades d'ús comercial. La pèrdua per transmissió i la caiguda de pressió van ser seleccionades com a paràmetres clau d'estudi per a quantificar l'atenuació acústica i la contrapressió generada per cada dispositiu. Per a la caracterització experimental es van utilitzar instal·lacions i procediments de mesura ben establits. Per part seua, per al modelatge computacional es van emprar diferents enfocaments de simulació, com ara l'unidimensional, el CFD (tridimensional) i fins i tot la co-simulació 1D-3D, seguint en la mesura del possible el concepte o principi ``bessons digitals'' (virtual twinning), en programes comercials amb l'objectiu de replicar els resultats experimentals, a fi d'obtindre informació complementària i ajudar a aprofundir en la comprensió dels fenòmens interns, els efectes tridimensionals del flux i els efectes acústics. Previ a la caracterització minuciosa dels dispositius, es va verificar la validesa i significança de les mesures acústiques en condicions fredes (ambient), com les que s'anaven a prendre, per a representar els dispositius respecte a les seues condicions reals de funcionament, és a dir, exposats a flux calent i periòdic com en l'extrem calent de les línies de escapament on habitualment se situen els sistemes de post-tractament. Una vegada realitzada aquesta validació, per a cada sistema o dispositiu es van registrar mesures de caiguda de pressió per a un rang de cabals màssics, normalment entre 0 i 800 kg/h. De la mateixa manera, es van efectuar mesures de pèrdua de transmissió en condicions d'absència de flux i amb tres cabals màssics diferents superposats, en general 100, 200 i 300 kg/h. La informació produïda, després d'un cert post-processament, anàlisi per descomposició i comparatiu, sumat a l'ús del raonament inductiu van ser emprats per a quantificar i relacionar cada element amb els seus efectes. Addicionalment altres temes van ser avaluats, com el compliment de la propietat additiva en els resultats de caiguda de pressió i pèrdua per transmissió quan diversos dispositius de post-tractament es disposen junts formant un sistema, la importància real dels dispositius auxiliars que sovint són passats per alt, els canvis en els inicis de la vida útil d'un dispositiu amb filtre de partícules tipus GPF, els avantatges de realitzar anàlisis per descomposició en els resultats de pèrdua per transmissió, les capacitats dels models 1D i 3D CFD per a produir informació útil, i els beneficis eventuals de la co-simulació 1D-3D. En conjunt, es va elaborar una base de dades exhaustiva sobre la caiguda de pressió i la pèrdua de transmissió dels dispositius i sistemes de post-tractament més avançats. Les metodologies experimentals utilitzades, amb el seu corresponent post-processament, van demostrar ser adequades i produir informació significativa. Especialment després de la validació realitzada amb les mesures acústiques en condicions ambientals relatives a condicions similars a les reals en el motor. / [EN] Continuously tightening pollutant and noise emission regulations have been the key motivation for engine -and engine related technology- research, development and optimization. Such trend gave rise to the gradual introduction of after-treatment systems to reduce pollutant emissions in automotive applications. Experimental and modelling approaches were used to study and characterize the acoustic and fluid-dynamic behavior of a diverse set of state-of-the-art after-treatment systems and devices, covering a wide range of elements and characteristics representative of after-treatment applications of commercial use. Transmission loss and pressure drop were selected as the key parameters to account for the sound attenuation and back-pressure generated by each device. Well established measurement facilities and procedures were used for the experimental characterization. In parallel, 1D, 3D CFD and even coupled 1D-3D simulation approaches on the basis of the "virtual twinning" concept were implemented on commercial software, aiming to replicate the experimental results in order to provide additional information and help deepen the understanding of internal phenomena, three-dimensional flow and acoustic effects. Prior to the thorough characterization of the devices, the validity and significance of acoustic cold (ambient) condition measurements, as those to be taken, to represent the devices in their actual operating condition, i.e. hot and pulsating-flow as in the hot-end of exhaust lines were after-treatment systems are usually placed, was verified. Once such validation was done, for each system or device pressure drop measurements were performed for a range of mass flow rates, usually between 0 to 800 kg/h. Similarly, transmission loss measurements were performed at no-flow condition and with three different superimposed mean mas flow rates, commonly 100, 200 and 300 kg/h. The information produced, with some post-processing, decomposition and comparative analysis, and the use of inductive reasoning were used to account and relate each element with their effects. Additionally, some other topics were assessed, such as the compliance of the additivity property of pressure drop and the transmission loss when several after-treatment devices are arranged together as an after-treatment system, the actual importance of auxiliary devices often overlooked, the changes in the early service life of a device with a GPF monolith, the benefits of performing decomposition analysis to the transmission loss, the capabilities of 1D and 3D CFD to produce useful information and the eventual benefits of 1D-3D co-simulation. Overall, a comprehensive database on the pressure drop and transmission loss of state-of-the-art after-treatment devices and systems was produced. The experimental methodologies used, with their corresponding post processing, proved to be adequate and to produce significant information, especially after the validation of ambient condition acoustic measurements regarding engine-like conditions. / This research has been funded by the Programa de Ayudas de Investigación y Desarrollo PAID-01-19, from Universitat Politècnica de València (UPV), which granted my pre-doctoral contract. / Redondo Navarro, ÁR. (2023). Acoustic and Fluid-Dynamic Characterization of State-of-the-Art Exhaust After-Treatment Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/194539

<p>The NOx conversion efficiency of a combined Selective Catalytic Reduction and</p> <p>Ammonia Slip Catalyst (SCR-ASC) in a Diesel Aftertreatment (AT) system degrades with</p> <p>time. A novel model-informed data-driven On-Board Diagnostic (OBD) binary classification</p> <p>strategy is proposed in this paper to distinguish an End of Useful Life (EUL) SCR-ASC catalyst</p> <p>from Degreened (DG) ones. An optimized supervised machine learning model was used for the</p> <p>classification with a calibrated single-cell 3-state Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR)</p> <p>observer used for state estimation. The method resulted in 87.5% classification accuracy when</p> <p>tested on 8 day-files from 4 trucks (2 day-files per truck; 1 DG and 1 EUL) operating in realworld on-road conditions.</p>

Le secteur du transport joue un rôle majeur dans le changement climatique et la pollution atmosphérique. Parmi les secteurs d'origine anthropique, le transport routier est considéré comme le premier contributeur au réchauffement climatique, due notamment aux émissions de CO2, de précurseurs d'ozone, et d'aérosols carbonés (carbone noir). De plus, les émissions liées au transport routier telles que les oxydes d'azote (NOx), l'ammoniac (NH3), les carbonyles volatiles, les hydrocarbures gazeux, et les aérosols, contribuent à la dégradation de la qualité de l'air.Le but de cette étude était d'approfondir l'état des connaissances en termes de facteurs d'émissions associés au transport, pour les polluants en phases gazeuse et solide. Un intérêt particulier a été apporté sur l'influence des systèmes de post-traitement des gaz d'échappement, et de la qualité du carburant, sur les émissions d'espèces réglementées et non-réglementées. Des campagnes de mesure ont été menées sur différentes catégories de véhicules dans le laboratoire d'étude des émissions (VELA) du centre commun de recherche de la commission Européenne (JRC-EC) à Ispra, en Italie. La flotte de véhicules choisie comprenait des camions (moyens et poids lourds), des voitures et des deux-roues formant un ensemble représentatif des véhicules circulant en Europe. En plus des carburants classiques, essence et diesel, les véhicules ont été alimentés avec des carburants alternatifs tels que le bioéthanol, et le gaz de pétrole liquéfié. Les émissions en phase gazeuse ont été mesurées par spectroscopie infra-rouge à transformé de Fourier (FT-IR; pour les composés azotés, les carbonyles volatiles et les petits hydrocarbures), par spectrométrie de masse à temps de vol après ionisation multi-photonique résonnante (REMPI-ToF-MS; pour les hydrocarbures aromatiques mono et polycycliques), par spectromètrie de masse haute résolution à temps de vol dédié à l'analyse des aérosols atmosphériques (HR-TOF-AMS; pour les aérosols organiques), et par photométrie d'absorption multi-angle (MAAP; pour le carbone élémentaire).Parmi les véhicules étudiés, les scooters ont été les plus gros émetteurs d'aérosols organiques primaires et d'hydrocarbures mono et polycycliques. De plus, le système de post-traitement des gaz d'échappement étudié pour le scooter le plus récent (conforme à la réglementation Euro 2) pourrait être responsable d'émissions importantes d'aérosols organiques. Concernant les voitures, et en particulier celles équipées de moteurs à allumage par étincelle, la plupart de leurs émissions intervenaient en début de cycle, avant que la température d'amorçage du pot catalytique soit atteinte. Ces émissions liées au démarrage à froid du véhicule pouvaient masquer les effets bénéfiques des carburants alternatifs en terme d'émissions de précurseurs d'ozone. Finalement, les camions étaient les plus gros émetteurs de suie (carbone élémentaire) et de NOx. Malgré le fait que plusieurs systèmes de retrofit se sont montrés particulièrement efficaces pour réduire les émissions des polluants réglementés (particules et NOx) de ces véhicules, certains d'entre eux produisaient des quantités significatives de NH3. Ce projet a permis de collecter des informations précieuses pour l'élaboration de la législation relative au développement d'un transport durable en Europe. / Transport sector plays a key role in global warming and air pollution. Among the anthropogenic sectors, on-road transport is recognized as the first contributor to global warming, mainly due to its emission of carbon dioxide, ozone precursors and carbonaceous aerosols. In addition, on-road transport contributes to the deterioration of air quality by releasing nitrogen oxides, ammonia, carbonyls, hydrocarbons and aerosols. However, the current European legislation of vehicles emissions focusses on a limited number of pollutants, namely hydrocarbons, carbon monoxide, nitrogen oxides, and particulate matter.The aim of this work was to improve the knowledge about the emission factors of gas phase and particle-associated emissions from vehicle exhaust. The impacts of aftertreatment devices and fuel quality on regulated and unregulated species were studied. Several sampling campaigns with different types of vehicles were conducted in the vehicle emission laboratory (VELA) at the European Commission Joint Research Centre (EC-JRC) Ispra, Italy. The vehicles chosen were representative of some categories circulating in Europe (heavy duty vehicles, light duty vehicles, two-stroke mopeds), and either standard fuel or some alternative fuels (ethanol and liquefied petroleum gas) were used. The gas phase was monitored by a Fourier transform infrared spectrometer (carbonyls, nitrogen-containing species, small hydrocarbons), and a resonance-enhanced multiphoton ionization time-of-flight mass spectrometer (mono and polycyclic aromatic hydrocarbons). The particulate phase was analyzed by a high-resolution time-of-flight aerosol mass spectrometer (organic aerosol, chloride, nitrate), and a multiangle absorption photometer (black carbon). The mopeds were found to have the higher emission factors of primary organic aerosol and polycyclic aromatic hydrocarbons. While efficient to reduce the regulated emissions, the after-treatment used to comply with the moped Euro 2 emission standard might be responsible of large emission of unregulated organic aerosols. Most of the emission linked to the gasoline light duty vehicles were released before the light-off of the catalyst. Whereas alternative fuels studied helped to reduce ozone precursor emissions, the emissions associated to the cold start of the vehicle reduced this beneficial effect. Finally, the heavy duty diesel vehicle featured the highest NOx and black carbon emissions. Despite efficient retrofit and after-treatment systems (for particles and NOx), these vehicles could release significant amount of NH3. These results provided valuable insights for the drafting of legislation related to the achievement of sustainable transport in Europe.

<p>Diesel engines emit toxic gases like NOx and hydrocarbons. These gases need to be treated before they are released out the tailpipe. Thus, an aftertreatment system is installed which comprises of DOC, DPF and SCR. The DOC oxidizes the hydrocarbons and NO, the DPF traps the particulate matter and SCR reduces the NOx by reacting with NH3 at high temperatures. However, since NH3 is also a toxic gas, it cannot be released out the tailpipe in excess. It is important to inject an appropriate amount of NH3 so that it does not slip out the tailpipe. With increasingly stringent regulations on the emission limits of these toxic gases, control of SCR has become more necessary than before.</p> <p>In this thesis, the work done by previous members of the lab research group was improved upon. The objective remained the same, namely, keeping the NH3 slip under 50 ppm while maximizing NOx reduction. On initial inspection, it was realized that the entire controller had been designed and implemented in continuous time. Since the controller would be implemented digitally, with limited hardware sampling time, a discrete-time implementation as done via a DCU was created. The controller switched between two controllers – slip-based and storage-based. The slip-based controller was modified to include a feedforward term in the system so that the response time could be improved along with a feedback controller to eliminate any disturbances and steady-state error, using ammonia slip feedback as measured by an NH3 sensor. It aims at keeping the maximum ammonia slip under 50 ppm. The storage controller is a feedback controller which tries to limit the ammonia storage based on the values fed by a lookup table. This lookup table is a simplified table that determines the maximum ammonia storage at any given instant based on the catalyst bed temperature. The feedback controller gains for both controllers were determined based on a linearized plant model since the initial gains were ineffective with the discretized model. The initial switching mode controller that switches between slip control and storage control switched too frequently between the controllers, thereby affecting controller performance. A switching logic was implemented to limit the number of switches. A switch will be permitted only if the previous switch occurred over a certain time. By implementing all the subparts together in the controller, incremental improvements were prominent. In the end, the performance by implementing the proposed idea was distinctly better. The metrics considered for performance comparison are the number of switches and the ability to maximize slip up to 50 ppm. Parameter error was also studied as well and its effect on the controller performance was analyzed. The data when tested against sets of underestimated, overestimated and mixed estimates for the plant parameters resulted in the underestimated parameters to work within the scope of the objective. The controller was able to compensate for the underdosing. Overestimation caused overdosing in the system which led to spikes in the NH3 slip. Thus, it is better to underestimate the plant parameters than overestimate them.</p>

[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

[ES] La preocupación mundial por el cambio climático y la calidad del aire se refleja en normativas para la regulación de emisiones en el sector del transporte cada vez más estrictas, situando el desarrollo de sistemas propulsivos sostenibles como el objetivo fundamental. En el caso de los motores de combustión interna, el uso de sistemas de postratamiento de gases de escape, necesario para cumplir con los límites impuestos a las emisiones contaminantes, ha añadido mayor complejidad a la línea de escape. Una correcta comprensión de la respuesta de estos sistemas y su interacción con el motor requiere un profundo conocimiento de los procesos termo-fluidodinámicos y químicos que tienen lugar en los mismos. Su estudio indica que las mayores contribuciones a la reducción de las emisiones consisten en conseguir una activación más rápida de los catalizadores. Sin embargo, por lo general, las estrategias empleadas para alcanzar este fin se traducen en una penalización del consumo de combustible y, por consiguiente, de las emisiones de CO2. En este contexto, el objetivo de esta tesis doctoral es contribuir a la comprensión de los fenómenos presentes en los reactores monolíticos de flujo continuo utilizados en los motores de combustión pobre. En primer lugar, se presenta el desarrollo de una herramienta computacional para el modelado de los reactores estándar, es decir, los monolitos con recubrimiento catalítico monocapa, con un coste computacional bajo que permite responder de manera oportuna a las nuevas condiciones de contorno. El modelo se construyó dentro del entorno de modelo de motor virtual VEMOD, un software de dinámica de gases desarrollado por el I.U.I. CMT-Motores Térmicos para la simulación termo-fluidodinámica de motores de combustión interna y sus componentes. Apoyada sobre experimentos específicos para su calibración y validación en catalizadores de oxidación y de reducción de NOx, la herramienta computacional permite la identificación y el estudio de los parámetros que determinan la eficiencia de conversión de los sistemas de postratamiento. De esta forma, se aplica, con un enfoque de cálculo de valor medio, al análisis, en primer lugar, del impacto de la meso-geometría y el material de catalizadores de oxidación en condiciones dinámicas en función de la forma del canal. También se aborda el estudio de la sensibilidad a la composición de los gases de escape considerando diversas estrategias de combustión comparadas con el diésel convencional, así como el empleo de combustibles alternativos. Por último, se explora experimentalmente la importancia de la ubicación en la línea de escape de un catalizador de oxidación para discutir el efecto sobre las emisiones y el rendimiento del motor de la ubicación pre-turbina, por los beneficios que a nivel térmico tiene esta localización para el postratamiento. Todo ello sirve como fuente de desarrollos tecnológicos y científicos en el área de control de emisiones para el uso y comprensión de la nueva generación de sistemas de postratamiento. / [CA] La preocupació mundial pel canvi climàtic i la qualitat de l'aire es reflecteix en normatives per a la regulació d'emissions en el sector del transport cada vegada més estrictes, situant el desenvolupament de sistemes propulsius sostenibles com l'objectiu fonamental. En el cas dels motors de combustió interna, l'ús de sistemes de posttractament de gasos de fuita, necessari per a complir amb els límits imposats a les emissions contaminants, ha afegit major complexitat a la línia de fuita. Una correcta comprensió de la resposta d'aquests sistemes i la seua interacció amb el motor requereix un profund coneixement dels processos termo-fluidodinámicos i químics que tenen lloc en aquests. El seu estudi indica que les majors contribucions a la reducció de les emissions consisteix a aconseguir una activació més ràpida dels catalitzadors. No obstant això, en general, les estratègies emprades per a aconseguir aquest objectiu es tradueixen en una penalització del consum de combustible i, per consegüent, de les emissions de CO2. En aquest context, l'objectiu d'aquesta tesi doctoral és contribuir a la comprensió dels fenòmens presents en els reactors monolítics de flux continu utilitzats en els motors de combustió pobra. En primer lloc, es presenta el desenvolupament d'una eina computacional per al modelatge dels reactors estàndard, és a dir, els monòlits amb recobriment catalític monocapa, amb un cost computacional baix que permet respondre de manera oportuna a les noves condicions de contorn. El model es va construir dins de l'entorn de model de motor virtual VEMOD, un programari de dinàmica de gasos desenvolupat per l'I.U.I. CMT-Motors Tèrmics per a la simulació termo-fluidodinámica de motors de combustió interna i els seus components. Recolzada sobre experiments específics per al seu calibratge i validació en catalitzadors d'oxidació i de reducció de NOx, l'eina computacional permet la identificació l'estudi dels paràmetres que determinen l'eficiència de conversió dels sistemes de posttractament. D'aquesta manera, s'aplica, amb un enfocament de càlcul de valor mitjà, a l'anàlisi, en primer lloc, de l'impacte de la meso-geometria i el material de catalitzadors d'oxidació en condicions dinàmiques en funció de la forma del canal. També s'aborda l'estudi de la sensibilitat a la composició dels gasos de fuita considerant diverses estratègies de combustió comparades amb el dièsel convencional, així com l'ús de combustibles alternatius. Finalment, s'explora experimentalment la importància de la ubicació en la línia de fuita d'un catalitzador d'oxidació per a discutir l'efecte sobre les emissions i el rendiment del motor de la ubicació pre-turbina, pels beneficis que a nivell tèrmic té aquesta localització per al posttractament. Tot això serveix com a font de desenvolupaments tecnològics i científics en l'àrea de control d'emissions per a l'ús i comprensió de la nova generació de sistemes de posttractament. / [EN] The global concern on climate change and air quality is reflected over increasingly strict emission regulations in the transportation sector, making the development of sustainable propulsion systems the key objective. In the case of internal combustion engines, the use of aftertreatment systems (ATS), necessary to comply with the limits imposed on pollutant emissions, has added further complexity to the exhaust line. A correct comprehension of the response of these systems and their interaction with the engine requires an in-depth knowledge of the thermo-fluid-dynamic and chemical processes taking place inside them. Their study indicates that the major contributions to emission reduction rely on driving the catalysts to a faster light-off. However, in general, the strategies employed to achieve this goal involve a fuel consumption penalty and, consequently, CO2 emissions increase. In this context, the aim of this Ph.D. thesis is to contribute to the understanding of the phenomena present in flow-through catalysts used in lean burn combustion engines. First, the development of a computational tool for modelling the standard devices, i.e. mono-layers washcoat catalysts, is presented, with flexible and low computational cost, enabling timely response to the new boundary conditions. The model was built inside the Virtual Engine Model VEMOD, an open-source gas dynamics software developed by I.U.I. CMT-Motores Térmicos for thermo-fluid-dynamic simulation of internal combustion engines and their components. Supported by specific experiments for its calibration and validation on oxidation and NOx reduction catalysts, the computational tool allows the identification and study of the parameters that determine the conversion efficiency of the ATS. In the first instance it is used to analyze the impact of meso-geometry and oxidation catalyst material under dynamic conditions as a function of the channel shape. The study of the sensitivity to exhaust gas composition is also addressed considering various combustion strategies compared to conventional diesel, as well as the use of alternative fuels. Finally, the importance of the position in the exhaust line of an oxidation catalyst is explored experimentally to discuss the effect on emissions and engine performance of the pre-turbine location, because of the thermal benefits of this location for the aftertreatment. All of this serves as a source of technological and scientific developments in the area of emissions control for the use and comprehension of the new generation of aftertreatment systems. / Ruiz Lucas, MJ. (2023). Modelling and analysis of conversion efficiency in flow-through catalysts for lean-burn combustion engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/194012