Es werden Möglichkeiten untersucht, das Kaltstart- und Warmlaufverhalten von Ottomotoren mit Sekundärlufteinblasung zu optimieren. Das für die Untersuchungen eingesetzte, innovative Sekundärlufteinblasesystem mittels Sekundärluftlader weist aufgrund der Baugröße, des Gewichts, der Leistungsfähigkeit und insbesondere der einfachen, thermodynamischen Betätigung Potenziale auf, die bisher eingesetzte Sekundärluftpumpe zu ersetzen. Den experimentellen Untersuchungen wurde die Entwicklung der Abgasgesetzgebung sowie eine theoretische Betrachtung der Entstehungsmechanismen von Abgasemissionen vorangestellt. Mittels eines Simulationsmodells werden die Abhängigkeiten des Sekundärluftladers von den motorischen Randbedingungen abgebildet. Somit kann eine Vorauswahl für das Luftmassenförderverhalten des Sekundärluftladers bei unterschiedlichen Einsatzbereichen getroffen werden. Die im Start- und Warmlauf, ebenso im Lastwechsel, gemessenen Ergebnisse wurden zur Analyse der Emissionsverbesserungsmechanismen eingesetzt. Insbesondere der Einblasezeitpunkt der Sekundärluft und das Hochlaufverhalten des Sekundärluftsystems zeigen einen enormen Einfluss auf die Höhe der Rohemissionen. Eine Gegenüberstellung aller gemessenen Varianten mit Sekundärluftpumpe und Sekundärluftlader zeigt einen deutlichen Emissionsvorteil des Sekundärluftladersystems. Zusätzlich bewirkt der Sekundärluftlader, durch die Bordnetzentlastung eine Motorlastabsenkung bei verbessertem Ansprechverhalten und höherem Sekundärluftmassenstrom. Ergebnis ist eine Verringerung der HC-Rohemissionen zwischen 20% und 30%. Die Vorteile im Gewicht und Bauvolumen sowie der geringere Verkabelungsaufwand runden die deutlichen Vorteile des Sekundärluftladers gegenüber der Sekundärluftpumpe ab. Durchgeführte Untersuchungen bei Tieftemperatur (-7°C) und unter Höhenbedingungen haben ebenfalls Vorteile gegenüber der Sekundärluftpumpe ausgewiesen. Die theoretische Abschätzung des Einsatzfeldes für den Sekundärluftlader ist ab einem Hubraum von 1,2°l Hubraum durchgeführt und als positiv bewertet worden. / The paper investigates possible ways of optimizing the cold-start and warm-up performance of gasoline engines with secondary air injection. Due to its size, weight, performance capability, and especially its simple, thermodynamic operation the innovative secondary air injection system used for the investigations and featuring a secondary air charger has the potential to replace the secondary air pump used to date. The experimental investigations are preceded by the development of exhaust emission legislation and a theoretical analysis of the process leading to exhaust emissions. A simulation model is used to illustrate the dependencies of the secondary air charger on boundary engine conditions. Consequently it is possible to make a preselection for the air mass conducting properties of the secondary air charger in various fields of application. The results obtained by measurement in starting, warm-up, and in load changes, were used to analyze the emission improvement processes. The level of raw emissions is affected enormously by the time of injection of secondary air and the acceleration performance of the secondary air system. A comparison of all the measured variants with the secondary air pump and secondary air charger indicates that the secondary air charger system has a distinct emission advantage. In addition, by relieving the vehicle power supply the secondary air charger brings about a reduction in engine load, improved response, and higher secondary air mass flow. The result is a 20% to 30% reduction in raw HC emissions. The significant advantages over the secondary air pump are rounded off by benefits in terms of weight and bulk volume and a reduction in the amount of wiring. Tests conducted at low temperature (-7°C) and under high altitude conditions have also indicated advantages over the secondary air pump.

L’hybridation électrique de la chaîne de traction automobile est l’une des solutions adoptées pour respecter les règlementations futures sur ses émissions. La stratégie de supervision de la chaîne de traction hybride répartit la puissance produite par le moteur à combustion interne et la machine électrique. Elle répond habituellement à un problème d’optimisation où l’objectif est de réduire la consommation de carburant mais nécessite à présent d’y ajouter les émissions polluantes. La chaîne de dépollution, placée à l’échappement du moteur, permet de diminuer la quantité de polluants émise dans l’atmosphère. Cependant, elle n’est efficace qu’à partir d’un seuil de température, et dépend de la chaleur apportée par les gaz d’échappement du moteur thermique. La première partie de ce travail est donc consacrée à la modélisation de la consommation énergétique et des émissions polluantes de la chaine de traction hybride. La modélisation de l’efficacité de la chaîne de dépollution est réalisée selon deux contextes. Le modèle zéro-dimensionnel est adapté aux contraintes de calcul de la commande optimale. Le modèle unidimensionnel associé à un estimateur d’état permet d’être embarqué et calculé en temps réel. À partir de ces travaux, la seconde partie de cette thèse déduit des stratégies de supervision à l’aide de la théorie de la commande optimale. Dans un premier cas, le principe de Bellman permet de calculer la commande optimale d’un véhicule hybride Diesel selon des critères de supervision ayant plus ou moins connaissance de l’efficacité de la chaîne de dépollution des émissions de NOX. Dans un second cas, une stratégie issue du Principe du Minimum de Pontryagin, embarquée sur un véhicule hybride essence, fonctionnant en temps réel et calibrée selon deux paramètres est proposée. L’ensemble de ces travaux est validé expérimentalement au banc moteur et montre une réduction significative des émissions polluantes pour une faible pénalité de carburant. / Powertrain hybridization is a solution that has been adopted in order to conform to future standards for emissions regulations. The supervisory strategy of the hybrid powertrain divides the power emitted between the internal combustion engine and the electric machine. In past studies, this strategy has typically responded to an optimization problem with the objective of reducing consumption. However, in addition to this, it is now necessary to take pollutant emissions into account as well. The after-treatment system, placed in the exhaust of the engine, is able to reduce pollutants emitted into the atmosphere. It is efficient from a certain temperature threshold, and the temperature of the system is dependent on the heat brought by the exhaust gas of the engine. The first part of this dissertation is aimed at modelling the energy consumption and pollutant emissions of the hybrid powertrain. The efficiency model of the after-treatment system is adapted for use in two different contexts. The zero-dimensional model conforms to the constraints of the optimal control calculation. The one-dimensional model associated with a state estimator can be embedded in a vehicle and calculated in real time. From this work, the second part of this dissertation deduces supervisory strategies from the optimal control theory. On the one hand, Bellman’s principle is used to calculate the optimal control of a Diesel hybrid vehicle using different supervisory criteria, each having more or less information about the after-treatment system efficiency over NOX emissions. On the other hand, a strategy from Pontryagin’s minimum principle, embedded in a gasoline hybrid vehicle, running in real time and calibrated with two parameters, is proposed. The whole of this work is validated experimentally on an engine test bed and shows a significant reduction in pollutant emissions for a slight fuel consumption penalty.

[EN] This research work presents the study of a low pressure EGR loop influence on a SI gasoline turbocharged direct injection engine in steady and transient testing conditions, with an optimization process of the original engine calibration in order to minimize the engine fuel consumption when cooled EGR is introduced in steady testing conditions. The cooled EGR strategy was also evaluated operating in synergy with other fuel consumption reduction strategies, such as: lean burn, multi-injection, higher coolant temperature and in-cylinder induced swirl motion. To fulfill the main objectives of this research work, firstly, a methodical process was followed, where a global methodology was first developed in order to obtain high accuracy engine tests, based on the experimental tools chosen that could comply with the requirements of the testing conditions, and the appropriate theoretical tools and procedure to post-process the tests performed. Secondly, a specific methodology was developed for each stage of the study and testing conditions, taking into account optimization processes or parametric tests in order to study the effect of a single parameter on engine's outputs or optimize an engine parameter in order to minimize the engine fuel consumption. As a first stage of the study, a basic analysis of the impact of cooled EGR on the engine combustion, performance, air management and exhaust emissions is presented. Afterwards, an optimization of the combustion phasing in order to minimize the fuel consumption was performed, and therefore the potential of cooled EGR in order to reduce the engine fuel consumption was observed for low load, part load and full load engine conditions, for two different engine speeds. In addition, a study in transient conditions of the engine operating with cooled EGR was performed. NEDC cycles were performed with different EGR valve openings and therefore a comparison of different cooled EGR rates influence on the engine performance, air management and accumulated exhaust emissions was presented. The second stage, consisted in a methodology developed to optimize the VVT setting and injection timing, for part load engine conditions, in order to maximize the cooled EGR potential to reduce engine fuel consumption. After this optimization, a synergy analysis of the optimum engine condition operating with cooled EGR and three other engine fuel consumption reduction strategies was performed. These strategies were tested to investigate and evaluate the potential of increasing the cooled EGR operational range to further decrease the engine fuel consumption. Furthermore, a basic study of the potential to reduce the engine fuel consumption and impact on combustion, air management and exhaust emissions of a lean burn strategy, in part load engine conditions, was presented as introduction of the final study of the cooled EGR strategy operating in synergy with the lean burn strategy in order to investigate the potential to control the exhaust emissions and reduce the engine fuel consumption. / [ES] El objetivo de este trabajo de investigación es estudiar la influencia de un lazo de baja presión de EGR en las prestaciones de un motor de gasolina de encendido provocado turbosobrealimentado e inyección directa, en condiciones de ensayos estacionarios y transitorios, con un proceso de optimización de la calibración original del motor para minimizar el consumo de combustible del motor. La estrategia de "cooled EGR" fue también evaluada operando en sinergia con otras estrategias usadas para reducir el consumo de combustible del motor, entre ellas: mezcla pobre, múltiples inyecciones, operación a alta temperatura del fluido refrigerante del motor y movimiento de "swirl" inducido en el cilindro. Para cumplir con los objetivos mencionados, se siguió un proceso metódico donde previamente se desarrolló una metodología global para obtener resultados de indudable calidad, basados en el uso de herramientas experimentales que cumplieran con los requerimientos de las condiciones de ensayo, y las apropiadas herramientas teóricas y procedimiento para post-procesar los ensayos realizados. En segundo lugar, se desarrolló una metodología específica para cada etapa del estudio, teniendo en cuenta los procesos de optimización o estudios paramétricos que se pudieran realizar. Como primera etapa, se presenta un estudio básico del impacto del "cooled EGR" en la combustión, prestaciones, renovación de la carga y emisiones contaminantes del motor. Seguidamente, se procedió a la optimización del centrado de la combustión con la finalidad de minimizar el consumo de combustible del motor y poder analizar el potencial del "cooled EGR" como estrategia de reducción de consumo de combustible. El estudio presentado se realizó para baja, media y alta carga del motor con dos diferentes regímenes de giro del motor. Adicionalmente, se llevó a cabo un estudio del motor operando en condiciones transitorias con "cooled EGR". Se realizaron una serie de ensayos usando el ciclo NEDC como base y se probaron diferentes estrategias sencillas de control de la apertura de la válvula de EGR para analizar la influencia del "cooled EGR" en condiciones transitorias. La segunda etapa consiste en el desarrollo de una metodología para optimizar los parámetros del diagrama de distribución (VVT) y el inicio de inyección, para cargas medias del motor, con la finalidad de maximizar el potencial de reducción de consumo de combustible de la estrategia "cooled EGR". Una vez realizada la optimización, se llevó a cabo un estudio usando la configuración óptima encontrada, operando en sinergia con otras tres estrategias usadas para reducir el consumo de combustible del motor. Estas estrategias fueron evaluadas con la finalidad de incrementar el rango de operación de la estrategia "cooled EGR" para lograr reducir aún más el consumo de combustible del motor. Adicionalmente, se llevó a cabo un estudio básico sobre la influencia de operar con mezcla pobre en la combustión, prestaciones, renovación de la carga y emisiones contaminantes del motor, como introducción al último estudio llevado a cabo sobre la posibilidad de usar la estrategia de mezcla pobre en conjunto con la estrategia de "cooled EGR", con la finalidad de analizar el potencial de controlar las emisiones contaminantes y reducir el consumo de combustible del motor al mismo tiempo. / [CAT] L'objectiu d'este treball d'investigació és estudiar la influència d'un llaç de baixa pressió d'EGR en les prestacions d'un motor de gasolina d'encesa provocat turbosobrealimentat i injecció directa, en condicions d'assajos estacionaris i transitoris, amb un procés d'optimització del calibratge original del motor per a minimitzar el consum de combustible del motor. L'estratègia de "cooled EGR" va ser també avaluada operand en sinergia amb altres estratègies usades per a reduir el consum de combustible del motor, entre elles: mescla pobra, múltiples injeccions, operació a alta temperatura del fluid refrigerant del motor i moviment de `"swirl" induït en el cilindre. Per a complir amb els objectius mencionats, es va seguir un procés metòdic on prèviament es va desenrotllar una metodologia global per a obtindre resultats d'indubtable qualitat, basats en l'ús de ferramentes experimentals que compliren amb els requeriments de les condicions d'assaig, i les apropiades ferramentes teòriques i procediment per a post- processar els assajos realitzats. En segon lloc, es va desenrotllar una metodologia específica per a cada etapa de l'estudi, tenint en compte els processos d'optimització o estudis paramètrics que es pogueren realitzar. Com a primera etapa, es presenta un estudi bàsic de l'impacte del "cooled EGR" en la combustió, prestacions, renovació de la càrrega i emissions contaminants del motor. A continuació, es va procedir a l'optimització del centrat de la combustió amb la finalitat de minimitzar el consum de combustible del motor i poder analitzar el potencial del "cooled EGR" com a estratègia de reducció de consum de combustible. L'estudi presentat es va realitzar per a baixa, mitja i alta càrrega del motor amb dos diferents règims de gir del motor. Addicionalment, es va dur a terme un estudi del motor operand en condicions transitòries amb "cooled EGR". Es van realitzar una sèrie d'assajos usant el cicle NEDC com a base i es van provar diferents estratègies senzilles de control de l'obertura de la vàlvula d'EGR per a analitzar la influència del "cooled EGR" en condicions transitòries. La segona etapa consistix en el desenrotllament d'una metodologia per a optimitzar els paràmetres del diagrama de distribució (VVT) i l'inici d'injecció, per a càrregues mitges del motor, amb la finalitat de maximitzar el potencial de reducció de consum de combustible de l'estratègia "cooled EGR". Una vegada realitzada l'optimització, es va dur a terme un estudi usant la configuració òptima trobada, operant en sinergia amb altres tres estratègies usades per a reduir el consum de combustible del motor. Estes estratègies van ser avaluades amb la finalitat d'incrementar el rang d'operació de l'estratègia "cooled EGR" per a aconseguir reduir encara més el consum de combustible del motor. Addicionalment, es va dur a terme un estudi bàsic sobre la influència d'operar amb mescla pobra en la combustió, prestacions, renovació de la càrrega i emissions contaminants del motor, com a introducció a l'últim estudi dut a terme sobre la possibilitat d'usar l'estratègia de mescla pobra en conjunt amb l'estratègia de "cooled EGR", amb la finalitat d'analitzar el potencial de controlar les emissions contaminants i reduir el consum de combustible del motor al mateix temps. / Rivas Perea, ME. (2016). Assessment of fuel consumption reduction strategies on a gasoline turbocharged direct injection engine with a cooled EGR system [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/68497 / TESIS

Táto diplomová práca je zameraná na preukazovanie vplyvov rôznych architektúr spätnej recirkulácie spalín na preplňované benzínové motory. Simulácie boli vytvorené v termodynamickom simulačnom programme GT-Power. Práca začína porovnávaním vplyvov spätnej recirkulácie na ustálené stavy motora, najmä z hľadiska spotreby, ktoré sú následne implementované do tranzientných modelov, simulujúc emisné testovacie cykly. Na konci práce sa venujem vplyvom spätnej recirkulácie na funkciu oxidačno-redukčného katalyzátora a na funkciu turbodúchadla.

[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