One of the most commonly used mechanical systems is the internal combustion engine. Internal combustion engines dominate the automotive industry, and have numerous other applications in generation, transportation, etc. This thesis presents the development of a fault detection and diagnosis (FDD) system for use with an internal combustion engine valve train. A FDD system was developed with a focus on the valve impact amplitudes. Engine cycle averaging and band-pass filtering methods were tuned and utilized for improving the signal to noise ratio. A novel feature extraction method was developed that included a local RMS sliding window method and an adaptive threshold. Faults were seeded in the form of deformed valve springs, as well as abnormal valve clearances. The engine’s manufacturer specifies that a valve spring with 3 mm or more of deformation should be replaced. This thesis investigated the detection of a relatively small 0.5mm spring deformation. Valve clearance values were adjusted 0.1mm above and below the nominal clearance value (0.15mm) to test large clearance faults (0.25mm) and small clearance faults (0.05mm). The performance of the FDD system was tested using an instrumented diesel engine test bed. A comparison of numerous signal processing techniques and classification methods was performed. / Master of Applied Science (MASc)

[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 normativas cada vez más restrictivas sobre las emisiones contaminantes de los vehículos de motor impuestas por la Unión Europea han obligado a los fabricantes de equipos originales (OEM) a proporcionar a los centros de investigación herramientas e instalaciones que pueden reproducir de forma precisa y repetida diferentes condiciones atmosféricas durante las primeras etapas del desarrollo del motor. En la actualidad la legislación europea incluye pruebas de emisiones reales en conducción (RDE) en diferentes condiciones atmosféricas, con altitudes de hasta 1300 metros sobre el nivel del mar y temperaturas que alcanzan los -7 ºC. Esto se ha hecho típicamente utilizando cámaras climáticas y altimétricas que permiten la reproducción de las condiciones atmosféricas en toda la celda de prueba, y más recientemente conectando a motor simuladores de altitud acoplados con unidades de tratamiento de aire (AHU). En esta Tesis Doctoral, se presenta la mejora del simulador de altitud comercializado por la empresa HORIBA denominado MEDAS, utilizando procedimientos tanto inductivos como deductivos, con el objetivo de ampliar el rango de prestaciones de la instalación, así como mejorar la precisión del control de la presión del aire comburente y reducir el consumo energético global. Además, durante esta fase, se lleva a cabo el desarrollo de un modelo 1D del simulador de altitud, con el que es posible obtener resultados precisos sobre el desempeño de la instalación para diferentes condiciones de contorno, como puede ser el punto operativo del motor, la presión de la sala o la temperatura del agua de refrigeración. A continuación, se han desarrollado dos nuevos equipos: el Módulo de Temperatura del MEDAS (MTM) y el Módulo de Humedad del MEDAS (MHM); mejorando las estrategias de control y algunos componentes clave (por ejemplo, la columna de agua de burbujas) para controlar con precisión la temperatura y la humedad del aire de combustión. Estos dos junto con el MEDAS crean un simulador de atmósfera completo, que permite el control independiente de las tres variables psicrométricas del aire de combustión del motor: presión, temperatura y humedad. Por último, el simulador de atmósfera desarrollado se utiliza para estudiar el efecto que las tres variables psicométricas del aire ambiente tienen sobre el rendimiento y las emisiones contaminantes de un motor Diesel Euro 6 turboalimentado, demostrando el gran efecto que tiene la humedad ambiental sobre las emisiones contaminantes de los motores Diesel y la necesidad de considerar este parámetro en las estrategias de calibración. Algunos resultados obtenidos podrían ser la reducción de potencia que el motor sufre al operar en condiciones de altitud, los cambios que la temperatura ambiente causa en el punto de operación del turbo grupo o como las emisiones de NOx se reducen cuando la humedad ambiente aumenta. / [CA] Les normatives cada vegada més restrictives sobre les emissions contaminants dels vehicles de motor imposades per la Unió Europea han obligat als fabricants d'equips originals (OEM) a proporcionar als centres d'investigació eines i instal·lacions que poden reproduir de manera precisa i repetida diferents condicions atmosfèriques durant les primeres etapes del desenvolupament del motor. En l'actualitat la legislació europea inclou proves d'emissions reals en conducció (RDE) en diferents condicions atmosfèriques, amb altituds de fins a 1300 metres sobre el nivell de la mar i temperatures que aconsegueixen els -7 °C. Això s'ha fet típicament utilitzant cambres climàtiques i altimètriques que permeten la reproducció de les condicions atmosfèriques en tota la cel·la de prova, i més recentment connectant a motor simuladors d'altitud acoblats amb unitats de tractament d'aire (AHU). En aquesta Tesi Doctoral, es presenta la millora del simulador d'altitud comercialitzat per l'empresa HORIBA denominat MEDAS, utilitzant procediments tant inductius com deductius, amb l'objectiu d'ampliar el rang de prestacions de la instal·lació així com millorar la precisió del control de pressió de l'aire de combustió i reduir el consum energètic global. A més, durant aquesta fase, es du a terme el desenvolupament d'un model 1D del simulador d'altitud, amb el qual és possible obtindre resultats precisos sobre l'acompliment de la instal·lació per a diferents condicions de contorn, com pot ser el punt d'operació del motor, l'altitud d'instal·lació o la temperatura de l'aigua de refrigeració. A continuació, s'han desenvolupat dos nous equips: el Mòdul de Temperatura del MEDAS (MTM) i el Mòdul d'Humitat del MEDAS (MHM); millorant les estratègies de control i alguns components clau (per exemple, la columna d'aigua de bambolles) per a controlar amb precisió la temperatura i la humitat de l'aire de combustió. Aquests dos juntament amb el MEDAS creen un simulador d'atmosfera complet, que permet el control independent de les tres variables psicromètriques de l'aire de combustió del motor: pressió, temperatura i humitat. Finalment, el simulador d'atmosfera desenvolupat s'utilitza per a estudiar l'efecte que les tres variables psicomètriques de l'aire ambient tenen sobre el rendiment i les emissions contaminants d'un motor Dièsel Euro 6 *turboalimentado, demostrant el gran efecte que té la humitat ambiental sobre les emissions contaminants dels motors Dièsel i la necessitat de considerar aquest paràmetre en les estratègies de calibratge. Alguns resultats obtinguts podrien ser la reducció de potència que el motor pateix en operar en condicions d'altitud, els canvis que la temperatura ambient causa en el punt d'operació del turbo grup o com les emissions de NOx es redueixen quan la humitat ambiente augmenta. / [EN] Increasingly restrictive regulations on pollutant emissions for motor vehicles imposed by the European Union have forced original equipment manufacturers (OEMs) to provide research centers with tools and facilities that can accurately and repeatedly reproduce different atmospheric conditions during the early stages of engine development. Nowadays, the European legislation includes real driving emissions (RDE) tests at different atmospheric conditions, with altitudes up to 1300 meters above sea level and temperatures reaching -7 ºC. This has been done typically using altimetric and climatic chambers, which allow the reproduction of the atmospheric conditions in the whole test cell. More recently, connecting to the engine altitude simulators coupled with air handling units (AHU). In this Ph.D. Thesis, the improvement of the altitude simulator commercialized by the company HORIBA called MEDAS, carried out by inductive and deductive procedures, is presented to extend the installation's performance range, improve the combustion air pressure control accuracy, and reduce the installation global energy consumption. Furthermore, during this phase, the development of a 1D model of the altitude simulator is carried out, with which it is possible to obtain accurate results about the performance of the installation for different boundary conditions such as the engine operation point, the room pressure, or the cooling water temperature. Following, two new pieces of equipment have been developed: MEDAS Temperature Module (MTM) and MEDAS Humidity Module (MHM), improving the control strategies and some key components (i.e., the bubbles water-column) to increase the accuracy of the combustion air temperature and humidity control. Together with the MEDAS, these two create a complete atmosphere simulator, which allows the independent control of the three psychrometric variables of the engine combustion air: pressure, temperature, and humidity. Lastly, the atmosphere simulator developed is used to study the effect that the three psychometric variables of the ambient air have on the performance and the pollutant emissions of a Euro 6 turbocharged diesel engine, proving the significant effect that the ambient humidity has on the diesel engines pollutant emissions and the necessity of considering this parameter in the calibration strategies. Some results could be the reduction in power that the engine suffers when operating in altitude conditions, the changes that the ambient temperature causes at the turbocharger operative point, or the decrease in NOx emissions that happen when the ambient humidity increases. / Tabet Aleixandre, R. (2022). Development of an Installation to Emulate Altitude, Ambient Temperature, and Ambient Humidity on Thermal Engines. Application to the Study of the Impact over E6 Engine Performance [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/183753

[ES] Esta tesis doctoral abarca el desarrollo de algoritmos orientados a mejorar el sistema de control de emisiones en motores Diesel. Para este propósito, la inclusión en el vehículo de sensores embarcados como los de temperatura, los de NOx o el de NH3 permite realizar diagnóstico a bordo de los sistemas de post-tratamiento foco de este trabajo, los cuales son el DOC y el SCR. Así pues, el objetivo es el de satisfacer las normativas de diagnóstico a bordo para mantener las emisiones por debajo del umbral permitido por la normativa a lo largo del tiempo. Los tests experimentales, incluyendo las medidas con analizador de gases, permiten tener una visión más amplia de las especies en la línea de escape. Complementariamente, se utilizan unidades nuevas y envejecidas para tener el efecto experimental del envejecimiento en los catalizadores. De esta manera, se analiza el efecto de la temperatura, el gasto de escape, las concentraciones de las especies y el envejecimiento en el DOC y en el SCR, así como la evaluación de algunas de las medidas relevantes realizadas por los sensores. Las temperaturas tienen una influencia destacada en el funcionamiento de los catalizadores, por lo que se requiere la evaluación de las medidas de los sensores de temperatura, junto con el desarrollo de modelos de transmisión de calor, para alimentar las funciones a continuación desarrolladas. En este sentido, la medida lenta del sensor aguas arriba del DOC se mejora en condiciones transitorias mediante una técnica de fusión de la información basada en un filtro de Kalman. Luego, se presenta un modelo de transmisión de calor 1D y un modelo agrupado 0D, en los cuales se evalúan las entradas aguas arriba según el uso del modelo. Por otra parte, se presenta una técnica para estimar el incremento de temperatura debido a la oxidación de los pulsos de post-inyección en el DOC. Se proponen modelos para ambos DOC y SCR para estimar el efecto del envejecimiento en las emisiones, en los cuales el factor de envejecimiento es modelado como un parámetro sintonizable que permite variar desde estados nuevos a envejecidos. Por una parte, un modelo agrupado 0D es desarrollado para el DOC con el propósito de estimar el desliz de HC y CO, el cual es validado en un WLTC para después ser usado en simulación. Por otra parte, un modelo 1D y un modelo 0D se desarrollan para el SCR, los cuales se usan a continuación para alimentar la estrategia de diagnóstico y para simulación. Finalmente, las estrategias de diagnóstico se presentan para fallo total o retirada de DOC, así como para la estimación de la eficiencia en DOC y SCR. Por una parte, la primera estrategia se divide en pasiva y activa, en la que se usan post-inyecciones en la activa para excitar el sistema y confirmar el fallo total si es el caso. A continuación, la eficiencia del DOC se estima a través de una técnica indirecta en la que la temperatura de activación se detecta y se relaciona con el incremento de emisiones a través del modelo. Por otra parte, se desarrolla un observador para estimar el estado de envejecimiento del SCR, el cual está basado en un filtro de Kalman extendido. Sin embargo, para evitar asociar baja eficiencia del catalizador debido a pobre calidad de la urea inyectada, a envejecimiento del SCR, un indicador de la calidad de la urea se ejecuta en paralelo. / [CA] Esta tesi doctoral abasta el desenvolupament d'algoritmes orientats a millor el sistema de control d'emissions en motors Diesel. Per a este propòsit, la inclusió en el vehicle de sensor embarcats com els de temperatura, els de NOx o el d'NH3 permet realitzar el diagnòstic a bord dels sistemes de post-tractament focus d'este treball, els quals són el DOC i el SCR. Així doncs, l'objectiu és el de satisfer les normatives de diagnòstic a bord per a mantindre les emissions per baix de l'umbral permés per la normativa al llarg del temps. Els tests experimentals, incloent les mesures amb analitzador de gasos, permeten obtindre una visió més àmplia de les espècies en la línia d'escapament. Complementàriament, s'utilitzen unitats noves i envellides per tal de tindre l'efecte experimental de l'envelliment en els catalitzadors. D'aquesta manera, s'analitza l'efecte de la temperatura, la despesa d'escapament, les concentracions de les espècies i l'envelliment en el DOC i en el SCR, així com l'avaluació d'algunes mesures rellevants realitzades pels sensors. Les temperatures tenen una influència destacada en el funcionament dels catalitzadors, pel que es requerix l'avaluació de les mesures dels sensors de temperatura, junt amb el desenvolupament de models de transmissió de calor, per a alimentar les funcions a continuació desenvolupades. En este sentit, la mesura lenta del sensor a l'entrada del DOC es millora en condicions transitòries mitjançant una tècnica de fusió de la informació basada en un filtre de Kalman. Després, es presenta un model de transmissió de calor 1D i un model agrupat 0D, en els quals s'avaluen les entrades a l'entrada segons l'ús del model. Per altra banda, es presenta una tècnica per a estimar l'increment de temperatura degut a l'oxidació dels polsos de post-injecció en el DOC. Es proposen models per a DOC i SCR per a estimar l'efecte de l'envelliment en les emissions, en els quals es modela el factor d'envelliment com un paràmetre sintonitzable, que permet variar des d'estats nous a envellits. Per altra banda, un model agrupat 0D _es desenvolupat per al DOC amb el propòsit d'estimar la relliscada de HC i CO, el qual és validat en un WLTC per a després ser usat en simulació. Per altra banda, un model 1D i un model 0D es desenvolupen per al SCR, els quals s'usen a continuació per a alimentar l'estratègia de diagnòstic i per a simulació. Finalment, les estratègies de diagnòstic es presenten per a la fallada total o retirada del DOC, així com per a l'estimació de l'eficiència en DOC i SCR. Per altra banda, la primera estratègia es divideix en passiva i activa, en la que s'utilitzen post-injeccions en la activa per a excitar el sistema i confirmar la fallada total si es dona el cas. A continuació, l'eficiència del DOC s'estima a través d'una tècnica indirecta en la que la temperatura d'activació es detecta i es relaciona amb l'increment d'emissions a través del model. Per altra banda, es desenvolupa un observador per a estimar l'estat d'envelliment del SCR, el qual està basat en un filtre de Kalman extés. No obstant això, per a evitar associar baixa eficiència degut a pobre qualitat de l'urea injectada a l'envelliment del SCR, un indicador de la qualitat de l'urea s'executa en paral·lel. / [EN] This dissertation covers the development of algorithms oriented to improve the emission control system of Diesel engines. For this purpose, the inclusion of on-board sensors like temperature, NOx and NH3 sensors allows performing on-board diagnostics to the after-treatment systems focus of this work, which are the DOC and the SCR system. Then, the target is to meet on-board diagnostics regulations in order to keep emissions below a regulation threshold over time. Experimental tests, including gas analyzer measurements, allow having a wider view of the species in the exhaust line. Complementary, new and aged units are used in order to have the experimental effect of ageing on the catalysts. Then, the effect of temperature, exhaust mass flow, species concentrations and ageing is analyzed for DOC and SCR, in combination with the assessment of some relevant sensors measurements. As a result, the characteristics, opportunities and limitations extracted from experimental data are used as the basis for the development of models and diagnostics techniques. The assessment of temperature sensors measurements, along with the development of heat transfer models is required to feed temperature dependent functions. In this sense, the slow measurement of the DOC upstream temperature sensor is improved in transient conditions by means of a data fusion technique, based on a fast model and a Kalman filter. Then, a 1D and a 0D lumped heat transfer models are presented, in which the upstream inputs are assessed in relation to its use. On the other hand, a technique to estimate the temperature increase due to post-injection pulses oxidation is also presented. Both DOC and SCR models are proposed in order to estimate the effect of ageing on emissions, in which an ageing factor is modelled as a tunable parameter that allows varying from new to aged states. On the one hand, a 0D lumped model is developed for DOC in order to estimate the HC and CO species slip, which is validated in a WLTC and is then used for simulation. On the other hand, a 1D and a 0D models are developed for SCR, which are then used to feed the diagnostics strategy and for simulation. Finally, diagnostics strategies are presented for total failure or removal of DOC, as well as for efficiency estimation of DOC and SCR. On the one hand, the former strategy is separated into passive and active diagnostics, in which post-injections are used in active diagnostics in order to excite the system and confirm a total failure, in case. Then, the DOC efficiency estimation is done by means of an indirect technique in which the light-off temperature is detected and an emissions increase is related by means of the DOC ageing model. On the other hand, an observer to estimate the SCR ageing state is developed, which is based on an extended Kalman filter. However, in order to avoid associating low SCR efficiency to ageing, an indicator of the injected urea quality is developed to run in parallel. / Mora Pérez, J. (2018). Control-oriented modelling and diagnostics of diesel after-treatment catalysts [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/115937

[ES] Las actuales y futuras normativas, en términos de emisiones contaminantes y movilidad sostenible, continuarán fijando una difícil etapa para el desarrollo y mejoramiento de los motores de combustión interna alternativos (MCIA). Los nuevos parámetros conocidos como, emisiones reales de conducción, los cambios de altitud y las condiciones extremas de operación a bajas temperaturas, son los mayores desafíos para cumplir bajo estas nuevas normativas. Por esta razón, la academia y los fabricantes de la industria de la automoción continúan trabajando en colaboración, tratando de desarrollar más eficientes y menos contaminantes sistemas de propulsión. En este trabajo experimental de investigación, los principales resultados de un proyecto de colaboración llevado a cabo entre la empresa Valeo Systèmes Thermiques y la Universitat Poltècnica de València son presentados. La recirculación de gases de escape, en sus dos configuraciones, de alta y de baja presión, y la desactivación de cilindros, son las principales estrategias que se estudiarán en este trabajo, debido a su alto potencial y su bajo costo de implementación. Estas estrategias son evaluadas en un motor Diesel, instalado en una cámara de ensayos climática y operando a bajas temperaturas ambiente (-7°C). La primera estrategia, es la activación de la EGR de alta presión desde el inicio de un arranque de motor y el desarrollo de un modelo de condensación simple capaz de predecir si hay o no condensación dentro de la línea de EGR bajo estas condiciones. En particular, el ratio de humedad y las condiciones internas del motor que caracterizan la aparición de este fenómeno son calculadas por el modelo. Este modelo es validado por medio de cámaras instaladas en el rail de EGR con el objetivo de visualizar la evolución de la condensación dentro de los componentes. El ratio de humedad calculado y el comportamiento de la condensación observado a través de las cámaras, muestran que durante un arranque de motor en frío, las condiciones de condensación en los gases están presentes hasta que se alcanzan aproximadamente 50°C, mientras que en las paredes sólidas y en los componentes, las condiciones se mantienen hasta que se alcanzan aproximadamente 30°C. En la segunda estrategia, una nueva línea de EGR compacta, equipada con un sistema de bypass para el intercambiador de calor es usada con el objetivo de acelerar el proceso de calentamiento del motor en comparación a la línea de EGR de baja presión original del motor. El objeto de esta estrategia es evaluar el impacto en el comportamiento del motor de realizar EGR de baja presión a bajas temperaturas con la activación del sistema de bypass para deshabilitar el intercambiador de calor. Siguiendo esta estrategia, una notable reducción en emisiones de NOx de aproximadamente 60% con respecto a un caso de referencia sin activación de la EGR de baja presión es lograda. Además, el proceso de calentamiento del motor ha sido reducido en aproximadamente 60 segundos y la temperatura de admisión del motor ha sido aumentada en 30°C, liderando una reducción en las emisiones de CO de aproximadamente 12%. En la tercera estrategia, el impacto de usar una nueva configuración de la desactivación de cilindros con el propósito de acelerar el proceso de calentamiento del motor es evaluada. Los resultados muestran un incremento en la temperatura de escape de alrededor de 100°C, el cual permite reducir la activación del catalizador en 250 segundos además de reducir el proceso de calentamiento del motor en aproximadamente 120 segundos. Esto permite reducir las emisiones de CO y HC en un 70% y 50%, respectivamente. Y finalmente, la última estrategia experimental realizada, evalúa el impacto de usar la EGR de alta presión mientras el filtro de partículas está en el modo activo de regeneración. Siguiendo esta posible condición de calibración de motor, una reducción en emisiones de NOx de aproximadamente 50% con respecto a un caso de referencia ha sido alcanzada. / [CA] Les actuals i futures normatives, en termes d'emissions contaminants i mobilitat sostenible, continuaran fixant una difícil etapa per al desenvolupament i millorament dels motors de combustió interna alternatius (MCIA). Els nous paràmetres coneguts com, emissions reals de conducció, els canvis d'altitud i les condicions extremes d'operació a baixes temperatures, són els majors desafiaments per a complir les noves normatives. Per aquesta raó, l'acadèmia i els fabricants de la indústria de l'automoció continuen treballant en col·laboració, tractant de desenvolupar més eficients i menys contaminants sistemes de propulsió. En aquest treball experimental d'investigació, es presenten els principals resultats d'un projecte de col·laboració dut a terme entre l'empresa Valeo Systèmes Thermiques i la Universitat Politècnica de València. La recirculació de gasos del motor, en les seues dues configuracions, d'alta i de baixa pressió, i la desactivació de cilindres, són les principals estratègies que s'estudiaran en aquest treball, a causa del seu alt potencial i el seu baix cost d'implementació. Aquestes estratègies són avaluades en un motor Dièsel, instal·lat en una cambra d'assajos climàtica i operant a baixes temperatures ambient (-7 °C). La primera estratègia, és l'activació de la EGR d'alta pressió des de l'inici d'una arrancada de motor i el desenvolupament d'un model de condensació simple capaç de predir si hi ha o no condensació dins de la línia de EGR. En particular, el ràtio d'humitat i les condicions internes del motor que caracteritzen l'aparició d'aquest fenomen són calculades pel model. Aquest model és validat per mitjà de càmeres instal·lades a el rail de EGR amb l'objectiu de visualitzar l'evolució de la condensació dins dels components. El ràtio d'humitat calculat i el comportament de la condensació observat a través de les càmeres, mostren que durant una arrancada de motor en fred, les condicions de condensació en els gasos són presents fins que s'aconsegueixen aproximadament 50 °C, mentre que a les parets i als components, les condicions es mantenen fins que s'aconsegueixen aproximadament 30 °C. En la segona estratègia, una nova línia de EGR compacta, equipada amb un sistema de bypass per a l'intercanviador de calor és usada amb l'objectiu d'accelerar el procés de calfament del motor en comparació a la línia de EGR de baixa pressió original del motor. L'objecte d'aquesta estratègia és avaluar l'impacte en el comportament del motor de realitzar EGR de baixa pressió a baixes temperatures amb l'activació del sistema de bypass per a evitar l'intercanviador de calor. Seguint aquesta estratègia, s'aconsegueix una notable reducció en emissions de NOx d'aproximadament 60% respecte a un cas de referència sense activació de la EGR de baixa pressió. A més, el procés de calfament del motor ha sigut reduït en aproximadament 60 segons i la temperatura d'admissió del motor ha sigut augmentada en 30 °C, produint una reducció en les emissions de CO d'aproximadament 12%. Per a la tercera estratègia, és avaluat l'impacte d'usar una nova configuració de la desactivació de cilindres amb el propòsit d'accelerar el procés de calfament del motor. Els resultats mostren un increment a la temperatura dels gasos de al voltant de 100 °C, el qual permet reduir l'activació del catalitzador en 250 segons a més de reduir el procés de calfament del motor en aproximadament 120 segons. Això permet reduir les emissions de CO i HC en un 70% i 50%, respectivament. Finalment, l'última estratègia experimental realitzada, avalua l'impacte d'usar la EGR d'alta pressió mentre el filtre de partícules està en la manera activa de regeneració. Seguint aquesta possible condició de calibratge de motor, ha sigut aconseguida una reducció en emissions de NOx d'aproximadament 50% respecte a un cas de referència sense activar la EGR d'alta pressió. / [EN] Current and future legislations, regarding pollutant emissions reduction and green mobility, will continue fixing a difficult stage for the development and improvement of internal combustions engines (ICEs). The Real Driving Emissions (RDE) parameters, the changes of altitude, and the extreme ambient temperature conditions in operation, are the major challenges to fulfill under these new legislations. By these reason, academy and automotive manufacturers continue working in collaboration, trying to develop more efficient and less polluting powertrains. In this experimental research work, the main results of a collaboration project between the private company Valeo Systèmes Thermiques and the Universitat Poltècnica de València are presented. Exhaust gas recirculation (EGR), in both configurations, high-pressure and low-pressure, and Cylinder Deactivation (CDA), are the main strategies studied in this work due to its high potential and low-cost implementation. These strategies are evaluated in a Light-duty Diesel engine, fitted in a climatic test bench and operating under low ambient temperature (-7ºC). The first strategy is the High-pressure EGR activation from the beginning of the engine start and the development of a simple condensation model able to predict whether or not there is condensation inside the EGR line under these conditions. In particular, the humidity ratio and the internal engine conditions that characterize the appearance of this phenomenon are estimated by the model. This model is validated by means of cameras fitted on the EGR rail in order to visualize the condensation evolution. The humidity ratio estimate and the condensation behavior observed through the cameras, shows that during an engine cold start, condensation conditions in the gases are present until reach approximately 50ºC, while in solid walls and components, the conditions remains until reach approximately 30ºC. In the second strategy, a new compact line fitted with a bypass system for the cooler is used with the aim of accelerating the engine warm-up process as compared to the original low-pressure EGR line. The aim of this strategy is to evaluate the impact on the engine behavior of performing Low-pressure EGR at cold conditions and to activate the bypass system in order to disable the cooler. Following this strategy, a noticeable NOx emissions reduction of approximately 60% with respect to a reference case without low-pressure EGR has been achieved. In addition, the engine warm-up process has been reduced in approximately 60 seconds and the engine intake temperature has been increased 30ºC, leading a CO emissions reduction of approximately 12%. In the third strategy, the impact of using a new cylinder deactivation configuration with the aim of improving the engine warm-up process is evaluated. The results show an increase of the exhaust temperatures of around 100ºC, which allows to reduce the diesel oxidation catalyst light-off by 250 seconds besides of reducing the engine warm-up process in approximately 120 seconds. This allows to reduce the CO and HC emissions by 70% and 50%, respectively. And finally, the last experimental strategy evaluates the impact of using the high-pressure exhaust gas recirculation while the diesel particulate filter is under active regeneration mode. Following these possible engine calibration conditions, a NOx emissions reduction of approximately 50% with respect to a reference case without high-pressure EGR during a DPF regeneration process has been achieved. / Miguel Ángel Bernal Maldonado has been partially supported through contract FPI-S1-2017-2377 of "Programa de Ayudas de Investigación y Desarrollo (PAID-01-17) de la Universitat Politècnica de València". The support of Valeo Systèmes Thermiques through projects CN-2016-99 and CN-2018-08 is also greatly acknowledged. / Bernal Maldonado, MÁ. (2023). Study of Different Strategies to Improve the Internal Combustion Engine (ICE) Operating at Cold Conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192652

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.

Följande studie är gjord på uppdrag av Sjöfartsverket. I studien undersöktes hur en installation av ett Common Rail-system ombord på isbrytaren Ymer påverkat bränsleförbrukningen samt utsläppen av kväveoxider. Rådata som loggats ombord på Ymer har analyserat och bearbetat. Material och information från tillverkare, besättning samt teknisk chef på Sjöfartsverket, Albert Hagander har använts under studien. Tillsammans med uppmätta mätdata och tidigare gjord litteraturstudie stöds resultaten i studien. Det är ingen slump att system av Common Rail-typ redan är tillämpat inom de flesta branscher så som transport, personbilsindustri och jordbruk. Huvudsyftet med Common Rail är att minska bränsleåtgången samt minska utsläppen genom en renare och mer effektiv förbränning av bränslet.  Huvudsakligen undersöktes hur det nyinstallerade systemet påverkat bränsleförbrukningen och hur bränslebesparingen varierar med belastningen av maskinen. Vidare granskades hur utsläppen av kvävedioxider påverkats efter installationen. Problematiken med ökad NOx-produktion till följd av en högre förbränningstemperatur som Common Railsystemet medför diskuteras i rapporten. De resultat vi kommit fram till att en bränslebesparing kan göras ombord på Ymer genom att ersätta det gamla bränslesystemet med ett bränslesystem av Common Rail-typ. Vidare har installationen medfört andra förbättringar så som fartygsmaskinens reaktion på de många lastväxlingar som förekommer under isbrytning. / The following study has been carried out on behalf of Sjöfartsverket. The study examines how the installation of a common rail system on board the icebreaker Ymer affected fuel consumption and emissions of nitrogen oxides. The raw data logged on board Ymer was analyzed and processed. Materials and information from manufacturers, crew and the technical manager at the Swedish Maritime Administration, Albert Hagander have been used during the study. Together with measured data and previously made research study the findings of the study are supported. It is no coincidence that the system of the common rail type is already applied in most industries such as transport, car industry and agriculture. The main purpose of the Common Rail is to reduce fuel consumption and reduce emissions through cleaner and more efficient combustion of the fuel. We primarily examined how the newly installed system affected fuel consumption and the fuel savings will vary with the load of the machine. Furthermore, we examined how emissions of nitrogen oxides were affected after installation. The problem of increased NOx production due to a higher combustion temperature as the common rail system entails are discussed in the report. The result that was concluded was that fuel savings can be made on board Ymer by replacing the old fuel system with a common rail fuel type. Furthermore, the installation has brought other improvements such as ship machine's reaction to the many load changes that occur during icebreaking.

Este trabalho apresenta uma estratégia de controle coordenado para potência reativa e tensão terminal de um grupo moto gerador (GMG) para uso em um sistema de geração distribuída (GD). A partir da construção de uma superfície fuzzy, baseada no comportamento do erro e da derivada do erro de uma malha de controle, foi realizada a sintonia de controladores fuzzy PD+I para potências ativa e reativa e tensão terminal. O controlador coordenado fuzzy PD+I ajusta automaticamente a tensão nos terminais da máquina e a potência reativa fornecidas à rede de distribuição. A estratégia coordenada é dada através de um parâmetro que regula a malha de potência reativa a partir do erro de tensão terminal, priorizando o ajuste da tensão e ponderando a malha de controle de potência reativa. Para avaliar o desempenho do sistema de controle, a GD é conectada a uma rede de distribuição e submetida a eventos como entrada e saída de cargas locais. O conjunto de cargas locais é composto por um motor de indução, uma carga RLC e um retificador trifásico não controlado. Sete cenários foram simulados para avaliar a estratégia de controle em diferentes regimes de operação do GMG. Resultados para tensão terminal, fator de potência e fluxo de potências entre o sistema, as cargas e a rede, ilustram a eficiência da estratégia de controle apresentada. A estratégia de controle coordenado para potência reativa e tensão terminal se mostrou capaz de melhorar os índices de fator de potência controlando o fluxo de potência do barramento em que a GD estava conectada, sem prejudicar a tensão terminal do gerador, mantendo a GD em limites seguros de operação. / This work presents a coordinated control strategy to terminal voltage and reactive power for a diesel generation set used as a distributed gerenation system (DG). From desired control actions, a fuzzy surface was designed for fuzzy PD+I controllers. Fuzzy PD+I controllers automatically adjust the terminal voltage and the reactive power delivered to the grid. The coordinated control strategy weighs the control action for the reactive power through a variable parameter, prioritizing the terminal voltage adjustment. To illustrate the system control performance, the DG is connected to a grid dynamic model and the system is subjected to connection and disconnection of loads at the local bus. The local loads set was composed of an induction machine, a RLC load and an uncontrolled three-phase rectifier. Seven scenarios were simulated to evaluate the control strategy in different DG regime of operation. Results for terminal voltage, power factor and reactive power among the DG, the local loads and the grid, illustrates the control strategy efficiency improved the power factor by regulating the reactive power injected at the bus, maintaining the DG terminal voltage in safe operation limits.

In India, the expansion of industries and two-fold increase in motor vehicles over the last decade are posing a serious environmental crisis in the form of urban air pollution. Common pollutants include carbon monoxide, sulfur dioxide, chlorofluorocarbons (CFCs), and nitrogen oxides produced by industry and motor vehicles. Air pollution results from a variety of sources. The natural sources include volcanoes, forest fire, scattering soil, biological decay, lightning strikes, dust storms etc. and man-made sources include thermal power plants, vehicular exhausts, incinerators and various other industrial emissions. More than 60% of the air pollution is contributed by these man-made sources. Amongst the gaseous pollutants, the major concern and a challenging task is to control oxides of nitrogen, commonly referred to as NOx. In case of diesel engines, despite the modification in engine design and improvement in after treatment technologies, large amount of NOx continues is get emitted and attempts to develop new catalyst to reduce NOx have so far been less successful. Further, with the emission standards becoming more stringent, estimates are that NOx and particulate matter emission must be reduced by as much as 90%. In this context, the emergence of electrical discharge plasma technique in combination with the few existing technologies is providing to be economically viable and efficient technology. In this thesis emphasis has been laid on the discharge based non-thermal plasma for NOx removal. NOx from simulated gas mixture and actual diesel engine exhaust has been treated. The thesis mainly addresses the following issues. . • Performance evaluation of pipe-cylinder and wire-cylinder reactor for NOx removal . • Study of effect of plasma assisted adsorbent reactor on NOx removal . • Study of effect of adsorption and plasma based desorption using different adsorbent material and electrode configuration The first chapter provides introduction about the air pollutants and the existing NOx control technologies, a brief history of electric discharge plasma, a detailed literature survey and scope of the work. A detailed experimental setup consisting of voltage sources, gas system (simulated flue gas and diesel exhaust), gas analyzers, adsorbent materials are discussed in the second chapter. In the third chapter, NOx is treated by three different methods and are described in separate parts. In first part we have done a comparative study of NO/NOx removal using two different types of dielectric barrier discharge electrodes: a) wire-cylinder reactor, b) pipe-cylinder reactor. Investigations were first carried out with synthetic gases to obtain the baseline information on the NO/NOx removal with respect to the two geometries studied. Further, experiments were carried out with raw diesel exhaust under loaded condition. A high NOx removal efficiency 90% was observed for pipe-cylinder reactor when compared to that with wire-cylinder reactor, where it was 53.4%. In second part an analysis has been made on discharge plasma coupled with an adsorbent system. The cascaded plasma-adsorbent system may be perceived as a better alternative for the existing adsorbent based abatement system in the industry. During this study the exhaust is sourced from a diesel generator set. It was observed that better NO removal in a plasma reactor can be made possible by achieving higher average fields and subsequent NO2 removal can be improved using an adsorbent system connected in cascade with the plasma system. This part describes the various findings pertaining to these comparative analyses. The third and last part of chapter 3 consists of gas desorption from an adsorbent by non-thermal plasma, which is an alternative to conventional thermal desorption, has been studied in relation to diesel engine exhaust. In this process saturated adsorbent material is regenerated using high energetic electrons and excited molecules produced by non thermal plasma. The last Chapter lists out the major inferences drawn from this study.

Today's globally competitive market and its associated environmental and social issues of sustainable development are major challenges for the automobile industry. To meet them, the industry needs to invest in high performance development tools. For improving engine performance in terms of consumption and emission, the interactions between the subsystems of the engine air-path need to be understood. This thesis followed two major axes of research in this context. First, the problems related to the modeling of the global air-path system were studied, which include the airflow characteristics between the different subsystems of the air-path, high frequency combustion modeling and pulsating airflow, and estimation of the exhaust aerodynamic force on the vanes of variable geometry turbochargers (VGT). The detailed modeling study was used for developing an engine air-path simulator, which takes into account these interactions and predicts the influence of subsystems on the global air-path. The second axis of research was focused on modeling of mechatronic actuators of the air-path, taking into account their nonlinear behavior due to friction and changes in operating conditions. A generic nonlinear dynamic model was developed and included in the simulator. This model can be adapted to most commercial actuators. The complete simulator has been implemented using AMESim for engine and air-path modeling, and Simulink for control. It has been parameterized according to the specifications of a commercial diesel engine and validated against experimental data. Finally, robust local controllers were studied for actuator position control, aimed at guaranteeing the performance of the actuators under parametric uncertainty and external disturbances. An advanced controller was developed, which adapts to changes in friction characteristics of the actuator and external load changes. The performance of all controllers has been demonstrated experimentally.