A masters thesis deals with the question of deisel engine boosting by rotary turbochargers. The objective of the thesis is to propose suitable turbocharger´s concept for defined diesel combustion engine with power of 430 [kW]. The air boosting pressure is controlled by exhaust gas flow through the turbine and different EGR regimes, which are considered in the basic and corrected calculations. The final turbocharger´s concept is proposed to satisfy the defined technical requirements. Next technical recommendations are briefly summarized in the thesis conclusion for following turbocharger´s concept application.

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.

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.

Combustion with a high surface area continuous solid immersed within the flame, referred to as combustion in porous media, is an innovative approach to combustion as the solid within the flame acts as an internal regenerator distributing heat from the combustion byproducts to the upstream reactants. By including the solid structure, radiative energy extraction becomes viable, while the solid enables a vast extension of flammability limits compared to conventional flames, while offering dramatically reduced emissions of NOx and CO, and dramatically increased burning velocities. Efforts documented within are used for the development of a streamlined set of design principles, and characterization of the flame's behavior when operating under such conditions, to aid in the development of future combustors for lean burn applications in open flow systems. Principles described herein were developed from a combination of experimental work and reactor network modeling using CHEMKIN-PRO. Experimental work consisted of a parametric analysis of operating conditions pertaining to reactant flow, combustion chamber geometric considerations and the viability of liquid fuel applications. Experimental behavior observed, when utilizing gaseous fuels, was then used to validate model outputs through comparing thermal outputs of both systems. Specific details pertaining to a streamlined chemical mechanism to be used in simulations, included within the appendix, and characterization of surface area of the porous solid are also discussed. Beyond modeling the experimental system, considerations are also undertaken to examine the applicability of exhaust gas recirculation and staged combustion as a means of controlling the thermal and environmental output of porous combustion systems. This work was supported by ACS PRF "51768-ND10 and NSF IIP 1343454.

[ES] Teniendo en cuenta la cantidad de motores de combustión interna que se encuentran en activo actualmente, y sus potenciales emisiones de contaminación si se realizaran de forma incontrolada por el parque automovilístico, las normativas internacionales son cada vez más estrictas en cuanto a la cantidad de gases perjudiciales para el medio ambiente que pueden emitir dichos motores de manera unitaria. Debido a ello, se han ido desarrollando e implantando técnicas de reducción de contaminantes como el downsizing en el cual se reduce el tamaño del motor para reducir el consumo, la implantación de motores híbridos y la Recirculación de Gases de Escape. Esta técnica de recirculación puede abordarse de dos maneras alternativas: la Recirculación de Gases de Escape de Ruta Larga inyecta dichos gases antes del compresor, mientras que la Recirculación de Gases de Escape de Ruta Corta (o alta presión) los reinyecta después del compresor, en el mismo colector de admisión del motor. Dado que en ambas configuraciones se produce una inyección directa del flujo recirculado en la corriente principal, en el presente trabajo se propone un estudio numérico de la mezcla entre las corrientes de aire y gases recirculados usando un software comercial de mecánica de fluidos computacional (STAR-CCM+). En la configuración de Ruta Larga se ha propuesto en primer lugar estudiar el efecto en los parámetros globales del compresor de una entrada heterogénea compuesta por aire y gases de escape. Para ello, se han analizado 9 puntos de funcionamiento distintos, tratando de abarcar el mapa completo del compresor centrífugo con una tasa de inyección constante. Se ha demostrado, por un lado, la necesidad de un esquema transitorio de cálculo para la obtención de resultados confiables en todo el dominio del compresor. Por otro lado, se ha demostrado que, con tasas de penetración de flujo estándar, la inyección de gases recirculados no tiene un impacto reseñable en las prestaciones del compresor, con excepción de la zona de bombeo. En segundo lugar, se ha desarrollado un diseño numérico de experimentos en configuración de Ruta Larga con el objetivo de encontrar correlaciones entre la condensación generada en dichas uniones (la cual puede aparecer bajo ciertas condiciones de operación del motor) y la mezcla entre las corrientes de aire y gases de escape. Se ha demostrado que la penetración de los gases en la corriente principal es un factor clave en la condensación generada, aumentando la cantidad de mezcla entre ambas corrientes. En la configuración de Ruta Corta se han realizado estudios de configuración numérica tratando de estudiar la influencia de factores como malla, tamaño del paso temporal y modelos de turbulencia en la distribución final de los gases de escape entre los diferentes cilindros del motor. Se ha demostrado que los submodelos RANS pueden predecir la mayor parte de puntos de operación tanto en variables medias como instantáneas comparando resultados numéricos con mediciones experimentales. Fijando una configuración numérica, posteriormente se han analizado diferentes mezcladores en colectores de motores de 4 y 6 cilindros, demostrando la aplicabilidad de los índices de mezclado desarrollados y cuantificando la influencia de los diferentes efectos físicos que influyen en la distribución y mezcla de los gases de escape en la corriente principal. / [CA] Tenint en compte la quantitat de motors de combustió interna que es troben en actiu actualment, i les seues potencials emissions de contaminació si es realitzaren de manera incontrolada pel parc automobilístic, les normatives internacionals són cada vegada més estrictes quant a la quantitat de gasos perjudicials per al medi ambient que poden emetre aquests motors de manera unitària. A causa d'això, s'han anat desenvolupant i implantant tècniques de reducció de contaminants com el downsizing en el qual es redueix la grandària del motor per a reduir el consum, la implantació de motors híbrids i la Recirculació de Gasos de Fuita. Aquesta tècnica de recirculació pot abordar-se de dues maneres alternatives: la Recirculació de Gasos de Fuita de Ruta Llarga injecta aquests gasos abans del compressor, mentre que la Recirculació de Gasos de Fuita de Ruta Curta (o alta pressió) els reinjecta després del compressor, en el mateix collector d'admissió del motor. Atés que en totes dues configuracions es produeix una injecció directa del flux recirculat en el corrent principal, en el present treball es proposa un estudi numèric de la mescla entre els corrents d'aire i gasos recirculats usant un programari comercial de mecànica de fluids computacional (STAR-CCM+). En la configuració de Ruta Llarga s'ha proposat en primer lloc estudiar l'efecte en els paràmetres globals del compressor d'una entrada heterogènia composta per aire i gasos de fuita. Per a això, s'han analitzat 9 punts de funcionament diferents, tractant d'abastar el mapa complet del compressor centrífug amb una taxa d'injecció constant. S'ha demostrat, d'una banda, la necessitat d'un esquema transitori de càlcul per a l'obtenció de resultats de confiança en tot el domini del compressor. D'altra banda, s'ha demostrat que, amb taxes de penetració de flux estàndard, la injecció de gasos recirculats no té un impacte ressenyable en les prestacions del compressor, amb excepció de la zona de bombament. En segon lloc, s'ha desenvolupat un disseny numèric d'experiments en configuració de Ruta Llarga amb l'objectiu de trobar correlacions entre la condensació generada en aquestes unions (la qual pot aparéixer sota unes certes condicions d'operació del motor) i la mescla entre els corrents d'aire i gasos de fuita. S'ha demostrat que la penetració dels gasos en el corrent principal és un factor clau en la condensació generada, augmentant la quantitat de mescla entre tots dos corrents. En la configuració de Ruta Curta s'han realitzat estudis de configuració numèrica tractant d'estudiar la influència de factors com a malla, grandària del pas temporal i models de turbulència en la distribució final dels gasos de fuita entre els diferents cilindres del motor. S'ha demostrat que els submodelos RANS poden predir la major part de punts d'operació tant en variables mitjanes com instantànies comparant resultats numèrics amb mesuraments experimentals. Fixant una configuració numèrica, posteriorment s'han analitzat diferents mescladors en col·lectors de motors de 4 i 6 cilindres, demostrant l'aplicabilitat dels índexs de barrejat desenvolupats i quantificant la influència dels diferents efectes físics que influeixen en la distribució i mescla dels gasos de fuita en el corrent principal. / [EN] Considering the amount of internal combustion engines (ICEs) existing nowadays, and the pollutants that they could potentially emit, it is no surprise that international standards are getting increasingly severe regarding the allowed limits of pollutants that can be released by such engines. For this reason, different techniques have been developed in order to diminish pollutants, as downsizing in which the engine size is reduced to decrease the consumption, the hybridation of engines and the exhaust gases recirculation (EGR). This recirculation technique can be addressed by 2 different paths: Low Pressure EGR (LP-EGR) which reintroduce the exhaust gases before the compressor, while High Pressure EGR (HP-EGR) injects exhaust gases after the compressor in the intake manifold. Since both configurations deal with a direct injection of the recirculated flow in the main stream, in the present work a numerical study of the mixing between air and EGR flows is proposed, using a commercial code of computational fluid dynamics (STAR-CCM+). In LP-EGR configuration has been proposed the study of the influence of a heterogeneous inlet (composed by air and exhaust gases) on the main performance of a centrifugal compressor. To do that, 9 different operating points have been analyzed, trying to cover the whole map of the compressor with a constant injection rate. It has been demonstrated the necessity of a transient scheme for obtaining reliable results in the complete domain of the compressor. On the other hand, it has been proved that, with standard penetration rates of the flow, EGR do not have a remarkable impact in the performance of the compressor, besides the surge zone. In LP-EGR scheme, a numerical design of experiments has been developed with the aim to find correlations between the generated volume condensation (which can appear under some operating points of the engine) and the mixing between air and exhaust gases. It has been proved that the penetration of the EGR in the main stream is a key factor in volume condensation, increasing the amount of mixing between the streams. In HP-EGR configuration, different studies of numerical configuration have been conducted trying to find the influence of factors like mesh, time-step size, and turbulence models in the final distribution of exhaust gases between the cylinders of the engine. RANS submodels have demonstrated that can predict most of the operating points both average and instantaneous variables in comparison with experimental measurements. After that, fixing a numerical setup, different mixers in 4 and 6 cylinder manifolds have been calculated, showing the applicability of the developed mixing indexes, and quantifying the influence of the different physical effects that can influence in the mixing and distribution between air and exhaust gases streams. / García Olivas, G. (2021). Numerical study of EGR mixing and distribution in a piston engine intake line [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/179406

[ES] El transporte por carretera es uno de los sectores que más contribuyen al cambio climático. Por ello, muchos gobernantes a nivel mundial están promoviendo una transición hacia medios de transporte sostenibles que no dependan de combustibles fósiles. Sin embargo, debido a la falta de competitividad de las alternativas actuales, no parece factible, en el corto plazo, reducir significativamente el uso de los motores de combustión. Así pues, es probable que los motores de gasolina (MEP) mantengan su papel dominante en el sector automotriz durante los próximos años. De ahí que sea crucial seguir mejorando estos motores a fin de reducir su huella de carbono. Actualmente, es habitual fabricar motores MEP de pequeña cilindrada ("downsizing") con sistemas de sobrealimentación e inyección directa, a fin de reducir el consumo de combustible y las emisiones de CO2. Además, en la última década, se ha demostrado que la recirculación de gases de escape (EGR) puede mejorar la eficiencia de los motores MEP entre un 3 % y un 6 %, dependiendo del grado de carga. Como desventaja, para poder extraer todo el potencial de la estrategia EGR, es necesario trabajar con altas tasas de EGR, lo que puede causar ciertos problemas en condiciones transitorias. En esta tesis, se ha demostrado que el uso de altas tasas de EGR a través de sistemas de baja presión en motores MEP turboalimentados puede ralentizar la respuesta del motor y provocar fallos de encendido durante maniobras de aceleración y desaceleración, respectivamente. Con la entrada en vigor de nuevos procedimientos de homologación de vehículos, como el WLTP (Worldwide harmonized Light vehicle Test Procedure), donde las operaciones transitorias tienen un peso importante, los fabricantes buscan que sus motores consuman y emitan menos en un amplio rango de condiciones de operación, tanto estacionarias como transitorias. Por ello, el objetivo principal de esta tesis es analizar y optimizar el funcionamiento, en condiciones transitorias, de los motores MEP que operan con altas tasas de EGR. Para ello, se ha empleado un motor de gasolina (Euro 6) de 1.3l turboalimentado con inyección directa, distribución variable y turbina de geometría variable. Se ha desarrollado un modelo unidimensional (1D) del motor para el estudio de la fluidodinámica y los fenómenos de transporte en su interior. Por otro lado, se ha ensayado el motor para calibrar el modelo 1D y evaluar aspectos difícilmente predecibles con dicho modelo, como las emisiones contaminantes y la estabilidad de la combustión. Previo al estudio en condiciones transitorias, el motor fue calibrado con EGR, y se realizaron simulaciones para determinar el consumo de un vehículo convencional y otro híbrido, ambos con EGR, durante un ciclo WLTP. Finalmente, se concluyó que ciertas estrategias orientadas a mejorar el proceso de renovación de la carga pueden resolver la problemática del uso del EGR en condiciones transitorias. Eso sí, implementar dichas estrategias conllevaría un aumento en complejidad y costes. / [CA] El transport per carretera és un dels sectors que més contribueixen al canvi climàtic. Per això, molts governants a nivell mundial estan promovent una transició cap a mitjans de transport sostenibles que no depenguen de combustibles fòssils. No obstant això, a causa de la falta de competitivitat de les alternatives actuals, no sembla factible, en el curt termini, reduir significativament l'ús dels motors de combustió. Així doncs, és probable que els motors de gasolina (MEP) mantinguen el seu paper dominant en el sector automotriu durant els pròxims anys. D'ací ve que siga crucial continuar millorant aquests motors a fi de reduir la seua petjada de carboni. Actualment, és habitual fabricar motors MEP de xicoteta cilindrada ("downsizing") amb sistemes de sobrealimentació i injecció directa, a fi de reduir el consum de combustible i les emissions de CO2. A més, en l'última dècada, s'ha demostrat que la recirculació de gasos d'escapament (EGR) pot millorar l'eficiència dels motors MEP entre un 3% i un 6%, depenent del grau de càrrega. Com a desavantatge, per a poder extraure tot el potencial de l'estratègia EGR, és necessari treballar amb altes taxes de EGR, la qual cosa pot causar uns certs problemes en condicions transitòries. En aquesta tesi, s'ha demostrat que l'ús d'altes taxes de EGR a través de sistemes de baixa pressió en motors MEP turboalimentats pot alentir la resposta del motor i provocar fallades d'encesa durant maniobres d'acceleració i desacceleració, respectivament. Amb l'entrada en vigor de nous procediments d'homologació de vehicles, com el WLTP (Worldwide harmonized Light vehicle Test Procedure), on les operacions transitòries tenen un pes important, els fabricants busquen que els seus motors consumisquen i emeten menys en un ampli rang de condicions d'operació, tant estacionàries com transitòries. Per això, l'objectiu principal d'aquesta tesi és analitzar i optimitzar el funcionament, en condicions transitòries, dels motors MEP que operen amb altes taxes de EGR. Per a això, s'ha emprat un motor de gasolina (Euro 6) de 1.3l turboalimentat amb injecció directa, distribució variable i turbina de geometria variable. S'ha desenvolupat un model unidimensional (1D) del motor per a l'estudi de la fluidodinàmica i els fenòmens de transport en el seu interior. D'altra banda, s'ha assajat el motor per a calibrar el model 1D i avaluar aspectes difícilment predictibles amb aquest model, com les emissions contaminants i l'estabilitat de la combustió. Previ a l'estudi en condicions transitòries, el motor va ser calibrat amb EGR, i es van realitzar simulacions per a determinar el consum d'un vehicle convencional i un altre híbrid, tots dos amb EGR, durant un cicle WLTP. Finalment, es va concloure que unes certes estratègies orientades a millorar el procés de renovació de la càrrega poden resoldre la problemàtica de l'ús del EGR en condicions transitòries. Això sí, implementar aquestes estratègies comportaria un augment en complexitat i costos. / [EN] Road transport is a major contributor to climate change. However, given the lack of competitiveness of fossil fuel-free alternatives, it does not seem possible to reduce the dependence on the internal combustion engine (ICE) as rapidly as planned by the authorities. Advanced gasoline engines will therefore hold a high market share in the automobile industry in the following years, at least during the next decade, either working in conventional or hybrid powertrains. Hence it is essential to keep improving these engines to reduce the negative impact of light-duty vehicles on the environment. The most used strategy to reduce fuel consumption and CO2 emissions in current spark-ignition (SI) gasoline engines is downsizing combined with direct injection (DI). Besides, downsizing must go hand in hand with turbocharging to maintain peak power. It is also proven that exhaust gas recirculation (EGR) can improve fuel economy in SI engines by 3-6% at medium and high loads. As a disadvantage, extracting the full benefit from EGR requires operating with high recirculation rates (close to the EGR dilution limit), leading to some issues under transient conditions. In this thesis, it is demonstrated that high EGR operation through long-route systems in turbocharged engines can potentially originate combustion instabilities and poor engine response during load-decrease (tip-out) and load-increase (tip-in) maneuvers, respectively. Transient operations are especially important for manufacturers since the implementation of the Worldwide harmonized Light vehicle Test Procedure (WLTP). The present thesis is therefore devoted to analyzing and optimizing the gasoline engine performance under high EGR conditions during relevant transient maneuvers. To this end, a Euro-6 1.3L turbocharged DI SI gasoline engine with a variable geometry turbine was employed. A 1D model of this ICE was developed to assess fluid dynamics and transport phenomena. Engine tests were also performed to validate the 1D model and evaluate torque response, combustion stability, and raw exhaust emissions. Before addressing the study of transient maneuvers, the engine calibration with EGR was carried out, and 0D conventional and hybrid vehicle simulations were done to determine the EGR benefit in fuel economy under WLTP driving conditions. Finally, tip-in and tip-out results revealed that some air management strategies are effective in meeting the transient EGR challenges in SI engines, but at the expense of increased complexity and costs. / González Domínguez, D. (2023). Analysis and Optimization of the Transient Operation of Gasoline Turbocharged Direct Injection Engines Under High EGR Conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/193852