Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte eine Analyse des Einflusses von Harnstoff-SCR-Technik auf die Partikelemission. Zudem wurde mit der Partikelkonfektionierung durch motorische Maßnahmen eine Möglichkeit zur Verbesserung der katalytischen Partikeloxidation aufgezeigt und untersucht. Untersuchungen mit einem Nfz-Dieselmotor zeigen, dass im Teillastbetrieb mit einem Harnstoff-SCR-System eine deutliche Partikelminderung möglich ist. Sie basiert im Wesentlichen auf der Oxidation organisch löslicher Bestandteile der Partikel im Katalysator. Reduktionsmitteldosierung drängt die Oxidation leicht zurück, die SCR erweist sich als zur Partikeloxidation konkurrierend. Die Charakteristik der Partikelgrößenverteilung wird durch das SCR-System nicht wesentlich verändert, jedoch kann analog zur emittierten Partikelmasse auch die Partikelanzahl deutlich abgesenkt werden. Eine Analyse hinsichtlich der Partikelbestandteile in unterschiedlichen Partikelgrößenklassen hat gezeigt, dass der Anteil organisch löslicher Substanzen mit zunehmender Partikelgröße absinkt. Durch Veränderung des Einspritzbeginns des Kraftstoffs ist die Konfektionierung der Partikelemission im Sinne besserer katalytischer Oxidation möglich. Dabei wird durch Frühverstellung der Anteil organisch löslicher Komponenten der Partikel deutlich erhöht, gleichzeitig ist eine intensive Nanopartikelbildung zu beobachten. Ein Katalysator auf V2O5/WO3/TiO2-Basis ist sehr gut zur Oxidation sowohl der Nanopartikel als auch des größten Teils der organisch löslichen Komponenten geeignet. Damit wird insgesamt eine deutliche Partikelminderung erzielt. Abgasrückführung behindert die Partikelkonfektionierung zunächst deutlich. Durch die dabei jedoch mögliche noch weitere Verlagerung des Einspritzzeitpunktes nach "früh" kann der negative Einfluss aber weitgehend kompensiert werden, so dass eine ähnlich gute Partikelminderung wie im Betrieb ohne AGR bei gleichzeitiger Minderung der Stickoxidemission möglich ist.

Aujourd’hui, les constructeurs automobiles continuent de chercher les technologies renouvelables face à la pénurie d’énergie et les problèmes d’émission de polluants. Un moyen important pour optimiser l’économie de carburant et réduire les émissions polluantes des moteurs à allumage commandés est le concept ‘downsizing’. Cependant, ce concept est limité par le phénomène de cliquetis dû aux conditions de haute température et haut pression. Dans cette étude, le contrôle de la concentration d’oxygène dans l’air est proposé. Car d’une part, la combustion enrichie en oxygène permet d’améliorer la densité de puissance de moteur avec le même niveau de pression d’admission. Cela permet soit de ‘booster’ la combustion pour augmenter la puissance du moteur ou de l’activer lorsque le moteur fonctionne à faible charge ou dans des conditions de démarrage à froid. D’autre part, une faible concentration en oxygène dans l’air (ou dilution de N2) par un système membranaire peut être considérée comme une alternative à la recirculation des gaz d’échappement. Les expériences ont été effectuées dans un moteur monocylindre ‘downsizing’ avec différents taux d’oxygène et richesse. L’étude de l’impact du contrôle de la concentration d’oxygène sur les caractéristiques de combustion et d’émissions a été effectuée pour plusieurs charges en fonctionnement optimum pour limiter la consommation spécifique de carburant. L’effet de la concentration en oxygène sur les caractéristiques de combustion du moteur a été simulé en utilisant le logiciel commercial AMESim avec le modèle de combustion développé par IFP-EN. En mettant en oeuvre des corrélations de la vitesse de combustion laminaire, déterminées au préalable durant ce travail, et délai d’auto-inflammation, les pressions dans les cylindres sont parfaitement calibrés avec une erreur maximale inférieure à 2% et l’intensité du cliquetis a pu être prédite. / Nowadays, car manufacturers continue to lead researches on new technologies facing to the energy shortage and pollutant emission problems. A major way to optimise fuel economy and reduce pollutant emissions for Spark-Ignition (SI) engines is the downsizing concept. However, this concept is unfortunately limited by ‘knock’ phenomena (abnormal combustion) due to high temperature and high pressure in-cylinder conditions. In the present study, control the oxygen concentration in air is proposed. Indeed, on the one hand, oxygen-enriched combustion can improve engine power density with the same intake pressure level. Thus, oxygen-enriched combustion can be used either as a booster to increase engine output or as a combustion enhancer when the engine operates at low loads or in cold start conditions. On the other hand, low oxygen concentration in air (or N2 dilution) can be considered as an alternative to exhaust gas recirculation (EGR). The experiments were carried out in a downsized single-cylinder SI engine with different rates of oxygen and equivalence ratios. The study of the impact of controlling oxygen concentration on the combustion characteristics and emissions was performed at several loads by optimizing the spark advance and the intake pressure to maintain the load and obtain a minimum value of indicated Specific Fuel Consumption (SFC). The effect of oxygen concentration on the engine combustion characteristics was simulated by using the commercial software AMESim, with the combustion model developed by IFP-EN. By implementing correlations for the laminar burning velocity, determined previously during this study, and auto-ignition delay data base, the in-cylinder pressures were perfectly calibrated with a maximum pressure relative error less than 2%, and the knock intensity was predicted.

The scope of this dissertation work is a description of modern methods of reducing exhaust emission in diesel engines. The fundamental part is the application of these methods for diesel engines for off-road use that means for engines that are used in tractors and road machines. The mentioned evidence for the practical utility of the results of this dissertation thesis in practice and their verification on the actual engine are given in the conclusion.

The object of this thesis was Proposal and Examination of Supercharging Alternatives of CI-engine with Exhaust Gas Recirculation according required engine power parameters. This goal was meet by use of Turbocharger with Variable Nozzles and Air-Air intercooler.

Petroleum powered vehicles emit volatile organic compounds (VOCs) through combustion that contributes to the pollution of the environment. A technique in the 1970s was developed to decrease these emissions, especially for nitrogen oxides (NOx) and sulphuric oxides (SOx) which is called exhaust gas recirculation (EGR). The technique works by recirculating a portion of the combusted gas back into the engine, this limits the NOx and SOx emissions because of lower temperatures and less available oxygen. The problems that follow these effects is the formation and condensation of acids that corrode the material of the EGR system, which are created by many different reactions. It is of importance to understand how the compounds in the EGR system behaves through analysis of authentic and simulated condensates, which is why a quantitative method for these compounds are of interest. The aim of the project was to develop a simple quantitative analysis method for formic acid, acetic acid, and lactic acid in aqueous solution, which was done at Gränges Sweden AB. The technique used for detection and quantification was gas chromatography (GC) coupled to a flame ionization detector (FID) and a water compatible polyethylene glycol (PEG) column. Fractional factorial design (FFD) was used for determination of adequate operating parameters of the GC method and the sample preparation. Sample preparation only required filtration and pH adjustment prior to direct aqueous injection (DAI) to the chromatographic instrument. Detection of the analytes was very difficult because of non-compatibility with the FID, and quantification of asymmetric peak shapes made this problem worse, omitting lactic acid from further analysis. Limit of detection (LOD) and limit of quantification (LOQ) was 490 and 1640 ppm for formic acid and 120 and 400 ppm for acetic acid, with an injection volume of 0.3 μL and split ratio 10:1. Limits were too high for every EGR sample leaving no peaks detected for the sample preparation used. Further development should be done with complementary techniques and sample reprocessing in order to quantify the compounds.

Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte eine Analyse des Einflusses von Harnstoff-SCR-Technik auf die Partikelemission. Zudem wurde mit der Partikelkonfektionierung durch motorische Maßnahmen eine Möglichkeit zur Verbesserung der katalytischen Partikeloxidation aufgezeigt und untersucht. Untersuchungen mit einem Nfz-Dieselmotor zeigen, dass im Teillastbetrieb mit einem Harnstoff-SCR-System eine deutliche Partikelminderung möglich ist. Sie basiert im Wesentlichen auf der Oxidation organisch löslicher Bestandteile der Partikel im Katalysator. Reduktionsmitteldosierung drängt die Oxidation leicht zurück, die SCR erweist sich als zur Partikeloxidation konkurrierend. Die Charakteristik der Partikelgrößenverteilung wird durch das SCR-System nicht wesentlich verändert, jedoch kann analog zur emittierten Partikelmasse auch die Partikelanzahl deutlich abgesenkt werden. Eine Analyse hinsichtlich der Partikelbestandteile in unterschiedlichen Partikelgrößenklassen hat gezeigt, dass der Anteil organisch löslicher Substanzen mit zunehmender Partikelgröße absinkt. Durch Veränderung des Einspritzbeginns des Kraftstoffs ist die Konfektionierung der Partikelemission im Sinne besserer katalytischer Oxidation möglich. Dabei wird durch Frühverstellung der Anteil organisch löslicher Komponenten der Partikel deutlich erhöht, gleichzeitig ist eine intensive Nanopartikelbildung zu beobachten. Ein Katalysator auf V2O5/WO3/TiO2-Basis ist sehr gut zur Oxidation sowohl der Nanopartikel als auch des größten Teils der organisch löslichen Komponenten geeignet. Damit wird insgesamt eine deutliche Partikelminderung erzielt. Abgasrückführung behindert die Partikelkonfektionierung zunächst deutlich. Durch die dabei jedoch mögliche noch weitere Verlagerung des Einspritzzeitpunktes nach "früh" kann der negative Einfluss aber weitgehend kompensiert werden, so dass eine ähnlich gute Partikelminderung wie im Betrieb ohne AGR bei gleichzeitiger Minderung der Stickoxidemission möglich ist.

[ES] El creciente uso de la recirculación de gases de escape durante los últimos años debido a su impacto en la reducción de las emisiones NOx y a la alta demanda de soluciones por parte de los nuevos ciclos de homologación para reducir emisiones, ha provocado la necesidad de estudiar en profundidad el sistema de recirculación de gases de escape para su uso de forma continua y con independencia de las condiciones ambientales. Debido a esta necesidad y sabiendo que el principal problema de su uso en el ciclo de baja presión es la condensación generada que provoca el desgaste del rodete del compresor. Ha hecho necesaria la investigación en profundidad de esta técnica para conocer, entender y predecir la condensación durante el uso de la recirculación de gases de escape de baja presión. Este trabajo se ha centrado en generar, mejorar y validar los modelos de predicción de condensados, así como de desarrollar técnicas experimentales que validaran y sirivieran para entender mejor el fenómeno de la condensación, con la visión puesta en calcular la condensación en ciclos completos de homologación. Respecto al trabajo experimental de esta tesis, se han centrado los esfuerzos en medir la condensación generada en el intercambiador de calor de la línea de recirculación de gases de escape de baja presión para diferentes condiciones, simulando un arranque en frío de motor. Otro de los puntos que se ha estudiado, ha sido la condensación a la salida de la unión en la que se mezcla la recirculación de gases de escape de baja presión con el aire del ambiente proveniente de la entrada del motor. Desarrollando nuevas metodologías para la medida experimental mediante técnicas ópticas y medidas indirectas de la condensación por mezcla. En cuanto al trabajo de modelado de la condensación, se ha investigado sobre dos grandes líneas. La primera ha sido el desarrollo de modelos 0D para el cálculo de la condensación en el intercambiado de calor de la línea de recirculación de gases de escape y la verificación experimental del modelo de condensación 3D-CFD desarrollado previamente a esta tesis. El segundo punto ha consistido en el desarrollo y aproximación de nuevas metodologías mediante métodos estadísticos de la reducción de la complejidad en el cálculo de la condensación, reduciendo el número de dimensiones necesarias para calcular de forma realista la condensación en un tiempo reducido. Esto ha posibilitado el cálculo de la condensación producida en ciclos de homologación y su posterior estudio mediante análisis de sensibilidad a diferentes condiciones, estimando una duración del rodete del compresor antes de sufrir desgaste debido a la erosión con el agua. / [CA] El creixent ús de la recirculació de gasos d'escapament durant els últims anys a causa del seu impacte en la reducció de les emissions NOx i a l'alta demanda de solucions per part dels nous cicles d'homologació per a reduir emissions, ha provocat la necessitat d'estudiar en profunditat el sistema per al seu ús de manera contínua i amb independència de les condicions ambientals. A causa d'aquesta necessitat i sabent que el principal problema del seu ús és la condensació generada que provoca el desgast del rodet del compressor, ha fet necessària la seua investigació en profunditat per conéixer, entendre i predir la condensació per l'ús de la recirculació de gasos d'escapament de baixa pressió. Aquest treball s'ha centrat en generar i millorar els models de predicció de condensats així com de desenvolupar tècniques experimentals que validaren i serviren per entendre millor el fenomen de la condensació, amb l'objectiu d'estimar la condensació en cicles complets d'homologació. Respecte al treball experimental d'aquesta tesi, s'han centrat els esforços a mesurar la condensació generada a l'intercanviador de calor de la línia de recirculació de gasos d'escapament de baixa pressió per a diferents condicions simulant una arrancada en fred de motor. Un altre dels punts que s'ha estudiat ha sigut la condensació a l'eixida de la unió en la qual es mescla la recirculació de gasos d'escapament de baixa pressió amb l'aire fresc que prové de l'entrada del motor, desenvolupant noves metodologies per a la mesura experimental mitjançant tècniques òptiques i mesures indirectes de la condensació per mescla. Quant al treball de modelatge de la condensació, s'ha investigat sobre dues grans línies. La primera ha sigut el desenvolupament de models 0D per al càlcul de la condensació a l'intercanviat de calor de la línia de recirculació de gasos d'escapament i la verificació experimental del model de condensació 3D-CFD desenvolupat prèviament a aquesta tesi. El segon punt ha consistit en el desenvolupament i aproximació de noves metodologies mitjançant mètodes estadístics de la reducció de la complexitat en el càlcul de la condensació, reduint les dimensions necessàries per a calcular de manera realista la condensació en un temps reduït. Això ha possibilitat el càlcul de la condensació produïda en cicles d'homologació i el seu posterior estudi mitjançant anàlisi de sensibilitat a diferents condicions. / [EN] The increasing use of the exhaust gas recirculation during the last years due to the impact reduction on the NOx emissions and the high demand on solutions to fulfill the homologation restrictions has revealed the need of studying deeply the system to operate continuously and independently of the boundary conditions. As a consequence of this and knowing that the main drawback of employing the low pressure exhaust gas recirculation is the condensation generation that causes erosion on the compressor impeller, research is required to understand and to predict the condensation during the exhaust gas recirculation activation. This work has been focused on generating and improving the modelling condensation prediction; and also, the development of experimental techniques that validates the proposed models for calculating the condensation water at cold warm-up homologation cycles. Concerning the experimental work presented on the thesis, the eorts has been focused on the condensation measurements in two dierent locations. On one hand, on the low pressure exhaust gas recirculation cooler, changing inlet conditions while simulating warm-up conditions on an engine. On the other hand, the condensation has been measured at the three-way junction outlet where the exhaust gas recirculation is mixed with fresh air coming from the ambient. Also, novel methodologies has been developed for measuring with optical techniques and with indirect measurements the mixing condensation. In terms of the condensation modeling, this thesis has been based in two main topics. The first topic regarding modeling was a 0D condensation model for calculating the condensation on heat exchangers and in particular, on low pressure exhaust gas recirculation coolers. Following this topic, it has been a quantitative validation of a 3D-CFD condensation submodel by means of experimental measurements. The second topic has been centered on developing new statistical methodologies for reducing the condensation calculation complexity on multi-dimensional simulations and reducing multi-fidelity parameters with the reduction of the computational cost. These methodologies have allowed to calculate the condensation on homologation cycles and to perform sensitivity analysis with different conditions. / The respondent wishes to acknowledge the financial support received through contract FPI-GVA-ACIF-2019 grant of the Government of Generalitat Valenciana and the European Social Fund. The equipment used in this work and the inter- national stay has been partially supported through the following project: • Project grant number GV/2020/008 of the “Conselleria de Innovación, Uni- versidades, Ciencia y Sociedad Digital de la Generalitat Valenciana” • Grant for the international stay number BEFPI-2020 of the “Conselleria de Innovación, Universidades, Ciencia y Sociedad Digital de la Generalitat Valenciana” and the European Social Fund / Moya Torres, F. (2022). Experimental analysis and multidimensional modeling of water condensation due to low-pressure exhaust gas recirculation activation during engine cold starts [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/187990

[ES] Esta tesis doctoral se encuadra en el contexto de una creciente concienciación y preocupación en la sociedad por la contaminación y su efecto sobre la salud de las personas, así como la influencia de los gases de efecto invernadero en el cambio climático. En este sentido, el sector transporte no ha sido una excepción, y se ha legislado para regular tanto las emisiones contaminantes como las de efecto invernadero de manera cada vez más estricta, retando continuamente a las empresas del sector y fabricantes de motores a aumentar la eficiencia y limpieza de sus sistemas propulsivos. Este trabajo tiene por objetivo estudiar el impacto que tienen distintos sistemas de recirculación de gases de escape (exhaust gas recirculation o EGR) en un motor de encendido provocado, de inyección directa, sobrealimentado, con distribución variable y dentro de la tendencia del downsizing. Cabe resaltar que el motor bajo estudio es un modelo sin EGR empleado actualmente en aplicaciones de transporte por carretera de turismos utilitarios, por lo que el proyecto ha estado en todo momento ligado a la actualidad del sector, y los avances y descubrimientos de los estudios aquí presentados pueden resultar de una enorme utilidad y ser empleados en aplicaciones reales. Estos sistemas de recirculación de gases de escape pretenden aumentar la eficiencia de los motores de encendido provocado con el objetivo de reducir la desventaja que estos presentan con respecto a los motores de encendido por compresión, mientras que se mantienen los niveles de emisiones. Dicha desventaja en eficiencia radica principalmente en una menor relación de compresión del motor de encendido provocado para evitar la autoignición y en el uso del dosado estequiométrico para el correcto funcionamiento del postratamiento. / [CA] Aquesta tesi doctoral s'enquadra en el context d'una creixent conscienciació i preocupació en la societat per la contaminació i el seu efecte sobre la salut de les persones, així com la inuència dels gasos d'efecte d'hivernacle en el canvi climàtic. En aquest sentit, el transport no ha sigut una excepció, i s'ha legislat per a regular tant les emissions contaminants com les d'efecte d'hivernacle de manera cada vegada més estricta, reptant contínuament a les empreses del sector i fabricants de motors a augmentar l'eficiència dels seus sistemes propulsius. Aquest treball té per objectiu estudiar l'impacte que tenen diferents sistemes de recirculació de gasos d'escapament (exhaust gas *recirculation o EGR) en un motor d'encesa provocada, d'injecció directa, sobrealimentat, amb distribució variable i dins de la tendència del downsizing. Cal ressaltar que el motor sota estudi és un model sense EGR empleat actualment en aplicacions de transport per carretera de turismes utilitaris, per la qual cosa el projecte ha estat en tot moment lligat a l'actualitat del sector, i els avanços i descobriments dels estudis presentats poden resultar d'una enorme utilitat i ser emprats en aplicacions reals. Aquests sistemes de recirculació de gasos d'escapament pretenen augmentar l'eficiència dels motors d'encesa provocada amb l'objectiu de reduir el desavantatge que aquests presenten respecte als motors d'encesa per compressió, mantenint els nivells d'emissions. Aquest desavantatge en eficiència radica principalment en una menor relació de compressió del motor d'encesa provocada per a evitar l'autoignició i en l'ús del dosatge estequiomètric per al correcte funcionament del postractament / [EN] This PhD-Thesis is framed in the context of a growing awareness and concern in society about pollution and its effect on people's health, as well as the influence of greenhouse gases on climate change. In this sense, transportation has not been an exception, and legislation has been reated to regulate both polluting emissions and greenhouse gases in an increasingly strict manner, continually challenging companies in the sector and engine manufacturers to increase efficiency and cleanliness of their propulsive systems. The objective of this work is to study the impact that different exhaust gas recirculation (EGR) systems have on a spark ignition, direct injection, turbocharged engine, with a variable timing and within the downsizing trend. It should be noted that the engine under study is mass-produced without EGR and is currently used in passenger utility cars, so the project has been always linked to current events in the sector, and the advances and discoveries of the studies presented here can be useful in real applications. These exhaust gas recirculation systems aim to increase the efficiency of spark ignition engines, reducing the disadvantage they present with respect to compression ignition engines, while maintaining emission levels. Said disadvantage in efficiency lies mainly in a lower compression ratio in order to avoid autoignition and in the use of stoichiometric operation for the optimal operation of the aftertreatment system. / Pitarch Berná, R. (2023). Study of different Exhaust Gas Recirculation Configurations and their Impact on Turbocharged Spark Ignition Engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/198094

[ES] El aumento global de las emisiones de gases de efecto invernadero desde el inicio de la Revolución Industrial se ha convertido en un grave peligro para la vida humana. Además de la generación de energía y la industria, el transporte, con el aumento del número total de vehículos en las últimas décadas, es uno de los principales responsables de este incremento exponencial de los gases causantes del calentamiento global. De hecho, ciudades como Barcelona o Madrid, entre muchas otras, están imponiendo restricciones al tráfico para mitigar esta situación. Sin embargo, la humanidad aún está a tiempo de invertir esta tendencia negativa y solucionar el problema medioambiental para las generaciones futuras. El objetivo principal de la presente Tesis se centra en el estudio, implementación y análisis del concepto de encendido por precámara pasiva para su aplicación en la próxima generación de vehículos automóviles. Más específicamente, esta investigación aborda los fenómenos físicos que intervienen en el proceso de combustión cuando se utiliza el sistema de encendido por precámara en un motor de encendido provocado. A continuación, se aplican algunas estrategias para mejorar el rendimiento térmico que se obtiene operando con este concepto. Finalmente, a partir del conocimiento generado, se presentan unas directrices básicas para el prediseño de este tipo de precámaras. La primera aproximación al concepto consiste en su implementación directa en el motor, obteniendo resultados experimentales en tres condiciones de funcionamiento diferentes en términos de carga y régimen de giro del motor. Además, también se evalúan diferentes geometrías de precámara. Aunque su implementación directa es relativamente sencilla mediante la sustitución de la bujía, la comprensión de ciertos fenómenos relevantes relacionados con la combustión, como el intercambio de gases o la penetración de los chorros, es extremadamente difícil sin el apoyo de herramientas computacionales. Esta es la principal razón que justifica el uso de herramientas numéricas 1D en la presente Tesis, ya que con un modelado adecuado basado en datos experimentales, se puede obtener información relevante en aquellas situaciones en las que no es factible generarla experimentalmente. Estas herramientas 1D tienen las ventajas de su bajo coste computacional y su capacidad de proporcionar resultados en poco tiempo. En cuanto al rendimiento térmico, se adoptan dos estrategias diferentes, como el aumento de lambda o el aumento de la tasa de recirculación de los gases de escape, para incrementar aún más las ventajas del sistema de encendido por precámara pasiva. Sin embargo, se alcanzan los límites físicos de aplicación de ambas estrategias y se proponen una serie de posibilidades para ampliar estos límites y aumentar el rendimiento térmico. Finalmente, a partir de los resultados experimentales y numéricos, se sugieren algunas pautas para diseñar una precámara que aproveche las ventajas observadas, aumentando el rendimiento térmico en comparación con los conceptos de encendido por bujía convencional y por precámara pasiva actuales. / [CA] L'augment global de les emissions de gasos d'efecte d'hivernacle des de l'inici de la Revolució Industrial s'ha convertit en un greu perill per a la vida humana. A més de la generació d'energia i la indústria, el transport, amb l'augment del nombre total de vehicles en les últimes dècades, és un dels principals responsables d'aquest increment exponencial dels gasos causants de l'escalfament global. De fet, ciutats com Barcelona o Madrid, entre moltes altres, estan imposant restriccions al trànsit per a mitigar aquesta situació. No obstant això, la humanitat encara és a temps d'invertir aquesta tendència negativa i solucionar el problema mediambiental per a les generacions futures. L'objectiu principal de la present Tesi se centra en l'estudi, implementació i anàlisi del concepte d'encesa per precàmera passiva per a la seua aplicació en la pròxima generació de vehicles automòbils. Més específicament, aquesta investigació aborda els fenòmens físics que intervenen en el procés de combustió quan s'utilitza el sistema d'encesa per precàmera en un motor d'encesa provocada. A continuació, s'apliquen algunes estratègies per a millorar el rendiment tèrmic que s'obté operant amb aquest concepte. Finalment, a partir del coneixement generat, es presenten unes directrius bàsiques per al predisseny d'aquesta mena de precàmeres. La primera aproximació al concepte consisteix en la seua implementació directa en el motor, obtenint resultats experimentals en tres condicions de funcionament diferents en termes de càrrega i règim de gir del motor. A més, també s'avaluen diferents geometries de precàmera. Encara que la seua implementació directa és relativament senzilla mitjançant la substitució de la bugia, la comprensió d'uns certs fenòmens rellevants relacionats amb la combustió, com l'intercanvi de gasos o la penetració dels dolls, és extremadament difícil sense el suport d'eines computacionals. Aquesta és la principal raó que justifica l'ús d'eines numèriques 1D en la present Tesi, ja que amb un modelatge adequat basat en dades experimentals es pot obtindre informació rellevant en aquelles situacions en les quals no és factible generar-la experimentalment. Aquestes eines 1D tenen com a principal avantatge el seu baix cost computacional i la seua capacitat de proporcionar resultats en poc temps. Quant al rendiment tèrmic, s'adopten dues estratègies diferents, com l'augment de lambda o l'augment de la taxa de recirculació dels gasos d'escapament, per a incrementar encara més els avantatges del sistema d'encesa per precàmera passiva. No obstant això, s'aconsegueixen els límits físics d'aplicació de totes dues estratègies i es proposen una sèrie de possibilitats per a ampliar aquests límits i augmentar el rendiment tèrmic. Finalment, a partir dels resultats experimentals i numèrics, se suggereixen algunes pautes per a dissenyar una precàmera que aprofite els avantatges observats, augmentant el rendiment tèrmic en comparació amb els conceptes d'encesa per bugia convencional i per precàmera passiva actuals. / [EN] The global greenhouse gas emissions increase since the start of the Industrial Revolution has become a serious hazard to human life. In addition to power generation and industry, transportation, with the rise in the total vehicle number in the last decades, is one of the main contributors to this exponential increase of global warming-causing gases. In fact, cities such as Barcelona or Madrid, among many others, are imposing traffic restrictions to mitigate this situation. However, mankind is still on time to reverse this negative tendency and fix the environmental issue for the upcoming generations. The main goal of the present Thesis focuses on the study, implementation and analysis of the passive pre-chamber ignition concept in a near-future light-duty passenger car application. To be more specific, the investigation addresses the physical phenomena involving the combustion process when pre-chamber ignition system is used in a spark-ignition engine. Then, some strategies to improve thermal efficiency while employing this concept are applied. Finally, with all the knowledge gathered, basic guidelines for a pre-chamber pre-design are presented. The first approach to the concept consists of its direct implementation in the engine, obtaining experimental results in three different operating conditions in terms of engine load and speed. Furthermore, different prechamber geometries are also evaluated. Although its direct implementation is relatively straightforward by exchanging the spark plug, understanding some of the relevant phenomena related to the combustion process, such as gas exchange or jet-tip penetration, is extremely difficult without the support of computational tools. This is the main reason supporting the use of 1D numerical tools in the present Thesis, since with proper modeling based on experimental data, further knowledge can be obtained in those situations where experimental evaluations are not feasible. These 1D tools have the benefits of their low computational cost and their ability to provide reasonably good results in a short period of time. In terms of thermal efficiency, two different strategies, such as the increase of lambda or the increase of the exhaust gas re-circulation rate, are adopted to extend further the benefits of the passive pre-chamber ignition system. However, the physical application limits of both strategies are reached, and a series of possibilities are proposed to expand these limits and increase thermal efficiency. Finally, with all the experimental and numerical results, some guidelines are suggested to design a pre-chamber that takes advantage of the benefits, increasing thermal efficiency compared with the conventional spark ignition and the current passive pre-chamber concepts. / The respondent wishes to acknowledge the financial support received through contract FPI-S2-19-21993 of the Programa de Apoyo para la Investigación y Desarrollo (PAID) of Universitat Politècnica de València. Parts of the work presented in this thesis have been supported by different collaborations with the research partner Sandia National Laboratories LLC, 7011 East Ave, Livermore, California, US. / Martínez Hernándiz, PJ. (2023). Implementation and Analysis of the Pre-Chamber Ignition Concept in a SI Engine for Passenger Car Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202063

Im Rahmen dieser Arbeit werden die Potenziale zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrads von stöchiometrisch homogen betriebenen Ottomotoren in der Teillast untersucht. Im Gegensatz zur konventionellen Laststeuerung über die Drosselklappe bezeichnet die betrachtete, drosselfreie Laststeuerung die Quantitätsregelung einzig über den Hubverlauf der Gaswechselventile. Nach einer Zusammenfassung bisheriger Untersuchungen zur drosselfreien Laststeuerung werden konkurrierende Bilanzierungsverfahren von Ladungswechsel- und Hochdruckteil von 4-Takt Verbrennungsverfahren vorgestellt. Anhand theoretischer Betrachtungen folgt für eine belastbare Bewertung der Prozessgüte allein die Bilanzierung in den Grenzen der Unteren Totpunkte (UT-UT). Im ersten Teil der motorischen Untersuchungen am Vollmotor wird das effektive Potenzial mechanisch variabler Ventiltriebe ermittelt. Dabei bleibt die Verbrauchsverbesserung gegenüber einem gedrosselten Referenzmotor aufgrund sinkender Restgasverträglichkeit als Folge einer nachteiligen Abnahme der Ladungsbewegung hinter den Erwartungen zurück. Im Widerspruch zu mechanisch gekoppelten Systemen wird zur bedarfsgerechten Anpassung der Ladungsbewegung die Forderung nach maximaler Flexibilität der Ventilhubgestaltung abgeleitet. Im zweiten Teil der motorischen Untersuchungen am Einzylinder-Forschungsmotor werden die maximalen Freiheitsgrade eines nockenwellenlosen Ventiltriebs basierend auf dem Prinzip eines elektromotorischen Linearantriebs systematisch eingesetzt. Neben konstruktiven Maßnahmen zur Beeinflussung des Einströmvorgangs in den Brennraum wird die Reduzierung der Drosselverluste durch Hubverlaufsformung sowie gezielte Restgasverdünnung im Vergleich von interner zu externer Rückführung betrachtet. Der Einfluss der Gemischbildung wird über die konkurrierende Darstellung von innerer und äußerer Kraftsteinspritzung aufgezeigt. Neben den maximalen Potenzialen werden ebenso die Grenzen der Entdrosselung dargestellt. Im Gegensatz zu mechanischen Systemen gelingt zwar die Realisierung einer bedarfsgerechten Ladungsbewegung mit Hilfe vollvariabler Ventilhübe, jedoch wird eine fortgesetzte Verbrauchsverbesserung durch die Gewährleistung einer sicheren Entflammung limitiert.