Biomass is one of the main natural resources in Sweden.Increased utilisation of biomass for energy purposes incombined heat and power (CHP) plants can help the country meetits nuclear phase-out commitment. The present low-CO2 emissioncharacteristics of the Swedish electricity production system(governed by hydropower and nuclear power) can be retained onlyby expansion of biofuels in the CHP sector. Domestic Swedishbiomass resources are vast and renewable, but not infinite.They should be utilised as efficiently as possible in order tomeet the conditions for sustainability in the future.Application of efficient power generation cycles at low cost isessential for meeting this challenge. This applies also tomunicipal solid waste (MSW) incineration with energyextraction, which is to be preferred to landfilling. Modern gas turbines and internal combustion engines firedwith natural gas have comparatively low installation costs,good efficiency characteristics and show reliable performancein power applications. Environmental and source-of-supplyfactors place natural gas at a disadvantage as compared tobiofuels. However, from a rational perspective, the use ofnatural gas (being the least polluting fossil fuel) togetherwith biofuels contributes to a diverse and more secure resourcemix. The question then arises if both these fuels can beutilised more efficiently if they are employed at the samelocation, in one combined cycle unit. The work presented herein concentrates on the hybriddual-fuel combined cycle concept in cold-condensing and CHPmode, with a biofuel-fired bottoming steam cycle and naturalgas fired topping gas turbine or engine. Higher electricalefficiency attributable to both fuels is sought, while keepingthe impact on environment at a low level and incorporating onlyproven technology with standard components. The study attemptsto perform a generalized and systematic evaluation of thethermodynamic advantages of various hybrid configurations withthe help of computer simulations, comparing the efficiencyresults to clearly defined reference values. Results show that the electrical efficiency of hybridconfigurations rises with up to 3-5 %-points in cold-condensingmode (up to 3 %-points in CHP mode), compared to the sum of twosingle-fuel reference units at the relevant scales, dependingon type of arrangement and type of bottoming fuel. Electricalefficiency of utilisation of the bottoming fuel (biomass orMSW) within the overall hybrid configuration can increase withup to 8-10 %-points, if all benefits from the thermalintegration are assigned to the bottoming cycle and effects ofscale on the reference electrical efficiency are accounted for.All fully-fired (windbox) configurations show advantages of upto 4 %-points in total efficiency in CHP mode with districtheating output, when flue gas condensation is applied. Theadvantages of parallel-powered configurations in terms of totalefficiency in CHP mode are only marginal. Emissions offossil-based CO2 can be reduced with 20 to 40 kg CO2/MWhel incold-condensing mode and with 5-8 kg CO2 per MWh total outputin CHP mode at the optimum performance points. Keywords: Biomass, Municipal Solid Waste (MSW), Natural Gas,Simulation, Hybrid, Combined Cycle, Gas Turbine, InternalCombustion Engine, Utilization, Electrical Efficiency, TotalEfficiency, CHP. / NR 20140805

The need to minimize carbon dioxide (CO2) emissions is becoming increasingly important with the total number of vehicles throughout the world exceeding one billion. Carbon dioxide emissions can be reduced by improving vehicle fuel efficiency. While electric transportation is gaining popularity, most passenger vehicles are still powered by gasoline or diesel engines. The main objective of this work was to provide opportunities for studying and improving the fuel efficiency of internal combustion engines (ICE). This was achieved by 1) Designing, building and testing auxiliary systems necessary to run a Cummins 2.8 L engine in a an engine test cell; 2) Creating educational labs for the ICE class; and 3) Measuring the parasitic losses of the vacuum pump and water pump on the installed Cummins 2.8 L diesel engine. All auxiliary systems were completed at a hardware cost of $8100 and are rated to support an engine with the power output capacity of 233 kW (312 hp). The educational laboratories enable future engineers to measure and assess the efficiency of internal combustions engines. The parasitic losses of the vacuum pump and water pump were found to impact the relative brake fuel conversion efficiency by 1.3% and 1.5% respectively over the Federal Test Procedure (FTP) cycle.

Machine learning (ML) has experienced immense growth in the last decade; applications of ML are found in nearly every sphere of society. We gather a vast amount of data during our day-to-day operations, and the machines use this data to make intelligent decisions for us. Transport is an essential part of our life. Since early times it has been a critical requirement of human beings, and as we progressed, its need has risen tremendously. Nowadays, we cannot think of a life without any means of transportation. A vehicle is the primary means of transportation in the modern industrial world. Most of the world's population uses a vehicle for transportation needs. The internal combustion engine (ICE) has been the vehicle's primary power source since the early days. Approximately 99% of world transport uses internal combustion engine-based vehicles. As with every other device, Internal combustion technology has seen enormous improvement during the past half a century. These gradual improvements have made these ICEs better than ever before. But as we have progressed, we have also been exposed to the harms of combustion-based power sources like ICEs. Their effect on the environment has been damaging. The future way is to limit the use of hydrocarbon-based fuels for combustion. As it's nearly impossible to eradicate the use of these fuels instantly as most of the population is deeply dependent on them, the best way to proceed is to find alternate transportation sources like EVs. But as these technologies are developing, it's of great importance; we use our modern ML-based technologies to make the current ICE-based vehicles as fuel-efficient as possible so that this transition to electric-based vehicles becomes smooth and the effect of ICEs is minimized on the environment. The thesis presents a deep reinforcement learning (DRL) based technique, which can develop an optimal policy to effectively reduce vehicle fuel consumption by providing intelligent driving inputs to the vehicle. The study shows that it is possible to use (DRL) methods to improve fuel efficiency in a simulated vehicular environment. Moreover, the models seem to develop new types of operational vehicle policies that are very unconventional but result in improved fuel efficiency in simulated environments. Although these cannot be implemented in the current form in the actual environment, modified versions of these policies may be able to work in real-life scenarios.

No description available.

The noise produced by any new vehicles is tightly regulated by the European Union which have developed a standardised method for measuring the emitted noise of new vehicles. The method involves a vehicle driving past carefully positioned microphones at a specific range of engine speeds. Doing actual tests is time consuming and cost inefficient, thus, it would be beneficial to minimise the number of tests performed during development. There are multiple different noise sources contributing to the total noise levels emitted by a truck such as, aerodynamic noise, road noise, exhaust noise etc. In this project solely the exhaust noise will be investigated. There are existing models that can simulate the exhaust noise by using the source characteristics of the engine. The accuracy of the models that can calculate the source data is uncertain and they are often computationally heavy. Therefore, the purpose of this project is to verify the accuracy of the source acoustics of the engine for one such model and try to minimise the calculation times. To verify the accuracy of existing models a test is constructed that will be performed both by measurements and simulations in GT-Power. The aim is to use both methods to predict the source pressure and impedance, then compare the results and analyse any similarities. The test setup works as the guide for how to design the simulation model. This is mainly due to the difficulty to procure the necessary equipment needed to perform the test. Thus, the simulation models had to be adapted to match the layout of the test to the extent it is possible. The data obtained through testing needs to be post processed by performing an averaging to reduce the noise and use the two microphone method to calculate the source pressure. The data from simulation is also processed through a Multi-Load method to estimate the source pressure. The sound pressure level is then cal- culated for each method and the total SPL for each method is compared over the entire rev range. However, the resulting total SPL from each of the two approaches are different to each other. This suggests that the simulations should be used with caution when analysing acoustics. To try and reduce the computational time, one method is to reduce the size of the input data. This can be done in two different ways, either by reducing the number of engine speeds investigated or by reducing the number of frequencies analysed for each engine speed. Reducing speeds might not always be possible, thus, reducing the number of frequencies for each speed will be investigated. Analysing the pressure signal in the frequency domain show that the frequencies linked to the engine orders contain significantly larger pressures than the rest of the frequencies. Thus, solely these frequencies could be used to reduce the computational time but still give a representative result. In order to analyse the affect of removing frequencies the total acoustic energy is calculated for each engine speed and is compared with the acoustic energy of the frequencies belonging to the five first engine orders for the same speeds. These calculations of the sound energy show that the five first engine orders contain above 95% of the total sound energy for each engine speed. This suggests that it might be viable to use solely the pressure produced by the engine orders and still produce representative simulations. Thus, reduce the calculation time without affecting the results substantially. / Det bullernivåer som nyproducerade fordon avger är något som är strikt reglerat av Europeiska unionen som har tagit fram en standardiserad metod för att mäta det buller som avges från nya fordon. Metoden innefattar att ett fordon kör förbi ett antal noga utplacerade mikrofoner under en specifik del av varvtalsområdet. Att utföra dessa tester är både tidkrävande och kostsamt. Därför skulle det vara förmånligt att minimera antalet tester som behöver utföras under utvecklingsprocessen. Det är flera olika ljudkällor som bidrar till det totala ljudet som avges från ett fordon, bland annat, vindljud, vägljud och avgasljud. I detta projekt kommer endast avgasljudet analyseras. Det finns modeller som kan simulera avgasljudet genom att beräkna källdata från motorn. Noggrannheten hos dessa tester är dock fortfarande en osäkerhet och de är ofta beräkningstunga. Syftet med detta projekt är att undersöka noggrannheten hos dessa modeller samt att försöka minska tiden simuleringarna tar utan att påverka resultatet märkbart. För att undersöka noggrannheten kommer ett fysiskt test att utföras som sedan kommer att imiteras i GT-Power. Målet är att använda båda metoderna för att beräkna källtryck samt källimpedans för att sedan jämföra dessa resultat och analysera eventuella likheter. Testets utformning får agera som riktmärke för hur modellerna ska utformas. Detta är främst på grund av begränsade valmöjligheter när det kommer till de komponenter som behövs för att utföra testet. Därför är det smidigast att anpassa modellerna efter de komponenter som finns att tillgå för testet i den utsträckning det är möjligt. Den rådata som insamlas under testets gång behöver efterbehandlas genom att utföra en medelvärdesbildning för att minska bruset på signalerna. Samt att två mikrofonsmetoden behöver användas för att beräkna källtrycket. Data från simuleringarna behöver också behandlas för att beräkna källtrycket, men genom Multi-Load metoden. För båda metoderna beräknas sedan den totala ljudtrycksnivån för varje utvalt varvtal. Dessa ljudtrycksnivåer jämförs sedan med varandra över hela varvtalsområdet. Dock finns det en väsentlig skillnad mellan dessa två resultat. Detta tyder på att simuleringarna skall användas med försiktighet när det gäller akustiska analyser. För att minimera modellernas beräkningstid kan en metod vara att reducera mängden indata som använda. Detta kan göras på två olika sätt, antingen minskas antalet varvtal som tas i beaktning eller så minskas antalet frekvenser som ingår i varje varvtal. Att minska antalet undersökta varvtal är inte alltid ett alternativ, därför passar det bättre att undersöka möjligheten att minska antalet frekvenser som ingår i varje varvtal. När trycksignalerna för varje varvtal analyseras i frekvensplanet visar det sig att de frekvenser som är knutna till motorordningarna innehåller betydligt högre tryck än de resterande. Därför borde beräkningar men endast frekvenser knutna till motorordningarna kunna reducera beräkningstiden och fortfarande bibehålla ett representativt resultat. För att analysera påverkan av att reducera antalet frekvenser beräknas den totala akustiska energin för varje varvtal med samtliga frekvenser och denna jämförs med energin beräknad med endast trycken från de fem första motorordningarna inkluderade. Dessa energiberäkningar visar att den akustiska energi som finns i de fem första motorordningarna motsvarar mer än 95% av den totala akustiska energin i signalen. Detta tyder på att det är möjligt att endast ta dessa frekvenser i beaktning och ändå bibehålla en representativ simulering. Således minska beräkningstiden utan att påverka resultatet väsentligt.

[ES] Está fuera de toda duda que la industria del automóvil está viviendo una profunda transformación que, durante los últimos años, ha progresado a un ritmo acelerado. Debido a la crecientemente estricta regulación sobre emisiones contaminantes y la necesidad de satisfacer la siempre creciente demanda de movilidad sostenible, es necesario que los motores de combustión modernos reduzcan su consumo y emisiones manteniendo el rendimiento del motor. Para enfrentarse a este desafío, los ingenieros de investigación y desarrollo han redoblado sus esfuerzos a la hora de diseñar y mejorar los modelos unidimensionales, hasta el punto en el que el desarrollo de modelos 1D así como la simulación juegan un papel fundamental en los primeras etapas de diseño de nuevos motores y tecnologías. Al mismo tiempo, la tecnología de turbosobrealimentación se ha consolidado como una de las más efectivas a la hora de construir motores de alta eficiencia, lo que ha hecho evidente la importancia de comprender y modelar correctamente los efectos asociados a los turbogrupos. Particularmente, los fenómenos que ocurren en la turbina en condiciones de flujo fuertemente pulsante han demostrado ser complicadas de modelar y sin embargo decisivas, ya que los códigos de simulación son especialmente útiles cuando son diseñados para trabajar en condiciones realistas. Este trabajo se centra en mejorar los modelos unidimensionales actuales así como en desarrollar nuevas soluciones con el objetivo de contribuir a una mejor predicción del comportamiento de la turbina sometida a condiciones de flujo pulsante. Tanto los esfuerzos realizados en los trabajos experimentales como en los de modelado se han producido para poder proporcionar métodos que sean fáciles de adaptar a las diferentes configuraciones de turbogrupo usadas en la industria, por ello, pueden ser aplicados por ejemplo en turbinas de entrada simple y también en las cada vez más usadas turbinas de entrada doble. En cuanto al trabajo de modelado en la parte de turbina de entrada simple, el foco se ha puesto en presentar una versión mejorada de un código quasi-2D. La validación del modelo se basa en los datos experimentales que están disponibles de trabajos enteriores de la literatura, proporcionando una comparación completa entre los modelos quasi-2D y el clásico modelo 1D. La presión a la entrada y salida de la turbina se ha descompuesto en ondas que viajan hacia delante y hacia atrás por medio de la descomposición de presiones, empleando la componente reflejada y transmitida para verificar la bondad del modelo. El trabajo experimental de esta tesis se centra en desarrollar un nuevo método para ensayar cualquier turbina de doble entrada sometida a condiciones de flujo fuertemente pulsante. La configuración del banco de gas se ha diseñado para ser suficientemente flexible como para realizar pulsos en las dos ramas de entrada por separado, así como para usar condiciones de flujo caliente o condiciones ambiente con mínimos cambios en la instalación. La campaña experimental se usa para validar un modelo integrado unidimensional de turbina tipo twin scroll con especial foco en las componentes reflejada y transmitida para analizar el desempeño del modelo su capacidad de predicción de la acústica no lineal. Finalmente, después de desarrollar el trabajo experimental y de modelado, se presenta un procedimiento para caracterizar el sonido y ruido de la turbina por medio de matrices de transferencia acústica que es comparado con el código unidimensional completo. En este sentido, el método proporciona una herramienta útil y fácil de implementar para simulaciones en tiempo real que aplica de una manera práctica el trabajo de modelado expuesto a lo largo de esta tesis. / [CA] Està fora de tot dubte que la indústria de l'automòbil està vivint una profunda transformació que, durant els últims anys, ha progressat a un ritme accelerat. A causa de la creixentment estricta regulació sobre emissions contaminants i la necessitat de satisfer la sempre creixent demanda de mobilitat sostenible, és necessari que els motors de combustió moderns reduïsquen el seu consum i emissions mantenint el rendiment del motor. Per a enfrontar-se a aquest desafiament, els enginyers de recerca i desenvolupament han redoblat els seus esforços a l'hora de dissenyar i millorar els models unidimensionals, fins al punt en el qual el desenvolupament de models 1D així com la simulació juguen un paper fonamental en les primeres etapes de disseny de nous motors i tecnologies. Al mateix temps, la tecnologia de turbosobrealimentación s'ha consolidat com una de les més efectives a l'hora de construir motors d'alta eficiència, la qual cosa ha fet evident la importància de comprendre i modelar correctament els efectes associats als turbogrupos. Particularment, els fenòmens que ocorren en la turbina en condicions de flux fortament polsant han demostrat ser complicades de modelar i no obstant això decisives, ja que els codis de simulació són especialment útils quan són dissenyats per a treballar en condicions realistes. Aquest treball se centra en millorar els models unidimensionals actuals així com a desenvolupar noves solucions amb l'objectiu de contribuir a una millor predicció del comportament de la turbina sotmesa a condicions de flux polsant. Tant els esforços realitzats en els treballs experimentals com en els de modelatge s'han produït per a poder proporcionar mètodes que siguen fàcils d'adaptar a les diferents configuracions de turbogrupo usades en l'indústria, per això, poden ser aplicats per exemple en turbines d'entrada simple i també en les cada vegada més usades turbines d'entrada doble. Pel que fa al treball de modelatge en la part de turbina d'entrada simple, el focus s'ha posat a presentar una versió millorada d'un codi quasi-2D. La validació del model es basa en les dades experimentals que estan disponibles de treballs anteriors de la literatura, proporcionant una comparació completa entre els models quasi-2D i el clàssic model 1D. La pressió a l'entrada i eixida de la turbina s'ha descompost en ones que viatgen cap avant i cap enrere per mitjà de la descomposició de pressions, emprant la component reflectida i transmesa per a verificar la bondat del model. El treball experimental d'aquesta tesi se centra en desenvolupar un nou mètode per a assajar qualsevol turbina de doble entrada sotmesa a condicions de flux fortament pulsante. La configuració del banc de gas s'ha dissenyat per a ser prou flexible com per a realitzar polsos en les dues branques d'entrada per separat, així com per a usar condicions de flux calent o condicions ambient amb mínims canvis en la instal·lació. La campanya experimental s'usa per a validar un model integrat unidimensional de turbina tipus twin-scroll amb especial focus en les components reflectida i transmesa per a analitzar l'acompliment del model la seua capacitat de predicció de l'acústica no lineal. Finalment, després de desenvolupar el treball experimental i de modelatge, es presenta un procediment per a caracteritzar el so i soroll de la turbina per mitjà de matrius de transferència acústica que és comparat amb el codi unidimensional complet. En aquest sentit, el mètode proporciona una eina útil i fàcil d'implementar per a simulacions en temps real que aplica d'una manera pràctica el treball de modelatge exposat al llarg d'aquesta tesi. / [EN] It is beyond all doubt that the automotive industry is living a deep transformation that, during the last years, has progressed at an ever accelerating rate. Due to the increasingly stringent pollutant emission regulations and the necessity to fulfil an ever growing demand for sustainable mobility, the modern internal combustion engines are required to strongly reduce the fuel consumption and emissions, while keeping the engine performance. In order to confront this challenge, engine research and development engineers have redoubled their efforts in designing and improving one-dimensional codes, to the point that the development of 1D models and simulation campaigns play a major role in the early steps of designing new engines or technologies. At the same time as the turbocharging technology has arisen as one of the most effective and extended solutions for building high efficient engines, the importance of understanding and modelling correctly the turbocharger effects has become evident. In particular, the phenomena that occurs in the turbine under highly pulsating conditions have proven to be challenging to model and yet decisive, as simulation codes are especially useful when they are designed to work under realistic conditions. This work focusses on the improvement of current one-dimensional models as well as in the development of new solutions with the aim of contributing to a better prediction of the turbine performance under pulsating conditions. Both experimental and modelling efforts have been made in order to provide methods that are easily adaptable to different turbocharger configurations used in the industry, so they can be applied for example in single turbines and also in the increasingly used two-scroll turbine technology. Regarding the modelling work of the single entry turbine part, the work has been focused in presenting an improved version of a quasi-2D code. The validation of the model is based on the experimental data available from previous works of the literature, providing a complete comparison between the quasi-2D and a classic 1D model. By means of a pressure decomposition, the pressure at the turbine inlet and outlet has been split into forward and backward travelling waves, employing the reflected and transmitted components to verify the goodness of the model. The experimental work of the thesis is centred in developing a new method in order to test any two-scroll turbine under highly pulsating flow conditions. The gas stand setup has been designed to be flexible enough to perform pulses in both inlet branches separately as well as to use hot or ambient conditions with minimal changes in the installation. The experimental campaign is used to fully validate an integrated 1D twin-scroll turbine model with special focus in the reflected and transmitted components for analysing the performance of the model and its non-linear acoustics prediction capabilities. Finally, after the experiment and modelling work is developed, a procedure to characterise the turbine sound and noise by means of acoustic transfer matrices is presented and tested against the fully one-dimensional code. In this sense, this method provides a useful and easily-implementable tool for fast and real time simulations that applies in a practical way the modelling work exposed along this thesis. / Soler Blanco, P. (2020). Simulation and modelling of the performance of radial turbochargers under unsteady flow [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/141609

Lately, car manufacturers have been put to a big challenge to reduce the CO2 emission of their entire fleets. Norms of pollutant emissions limit the ways to achieve the desired CO2 emission goals, as some of the solutions that would lead to lower CO2 emission also lead to higher pollutant emission. Waste Heat Recovery (WHR) could be a good solution to lower the CO2 emission of the Internal Combustion Engine (ICE) without increasing the pollutant emission. In the present thesis different WHR strategies are analysed and the results suggested it would be interesting to further study the Brayton cycle machine. Air Brayton Cycle (ABC) represents a way to recover a part of the heat energy of the ICE exhaust gases and transform it into mechanical energy. Recovered mechanical energy would then be returned to the crankshaft of the ICE, thereby reducing the amount of energy that has to be liberated by combustion of fuel which lowers the fuel consumption and CO2 emission. The study of ABC started with an analysis of the ideal cycle in order to obtain the theoretical maximum of the system. The study continued with an analysis of the semi ideal cycle where all losses are taken into account only by two efficiency coefficients. This analysis showed that for the diesel engine efficiency of the ABC is very low because of the low exhaust gas temperature. For the gasoline engine the cycle could be viable when the ICE is working under steady condition and higher load. These conditions could be fulfilled when the vehicle is driven on the highway. Detailed analysis was aimed at determining the cycle main losses. They were determined to be: pumping losses, losses caused by heat transfer and mechanical losses. Taking into account these main losses along with other direct and indirect losses it was concluded that the cycle is not viable for the types of the WHR machines that were considered in this study. In order for the cycle to be viable some other either existing or new machine type should be tested, that would lower the main losses and offer good isentropic and mechanical efficiency for desired conditions. / Últimamente los fabricantes de automóviles se han puesto el gran reto de reducir la emisión de CO2 en la totalidad de sus flotas. Las nuevas normativas para la reducción de las emisiones contaminantes limitan los medios para lograr los objetivos deseados en la emisión de CO2 porque algunas de las soluciones que llevan a la reducción en la emisión de CO2 también dan lugar a un incremento en la emisión de otros contaminantes. La recuperación de calor residual (WHR) podría ser una buena solución para reducir las emisiones de CO2 del motor de combustión interna (ICE) sin poner en peligro la emisión de contaminantes. En la presente Tesis se analizaron diferentes estrategias de WHR y se concluyó que sería interesante estudiar más a fondo la máquina de ciclo Brayton. El Ciclo Brayton de Aire (ABC) permite recuperar una parte del calor de los gases de escape del ICE y transformar este calor en energía mecánica. La energía mecánica recuperada se devuelve al cigüeñal del ICE, reduciendo de ese modo la cantidad de energía que tiene que ser liberada por la combustión del combustible, lo cual permite reducir el consumo de combustible y las emisiones de CO2. En esta Tesis se estudia el ABC mediante un análisis del ciclo ideal con el fin de obtener el máximo teórico del sistema. El modelo se mejora con un análisis del ciclo semi-ideal donde se tienen en cuenta todas las pérdidas mediante el uso de dos coeficientes generales. Este análisis muestra que para el motor diesel la eficiencia del ciclo ABC es muy baja debido a la baja temperatura del gas de escape. Para el motor de gasolina el ciclo podría ser viable cuando el ICE está trabajando bajo condiciones estacionarias y una carga mayor. Estas condiciones se podrían cumplir cuando el vehículo está circulando en autopista. El análisis detallado de este ciclo tiene como objetivo determinar las pérdidas principales de ciclo. Las pérdidas principales se identificaron como: las pérdidas de bombeo, las pérdidas causadas por la transferencia de calor y las pérdidas mecánicas. Teniendo en cuenta estas pérdidas principales junto con otras pérdidas directas e indirectas, se concluyó que el ciclo no es viable para los tipos de máquinas WHR que fueron considerados en este estudio. Para que el ciclo sea viable se tiene que buscar alguna otra máquina existente o un nuevo tipo de máquina que reduzca las principales pérdidas y ofrezca un buen rendimiento isentrópico y mecánico para las condiciones deseadas. / Últimament els fabricants d'automòbils s'han posat el gran repte de reduir l'emissió de CO2 de la totalitat de les seues flotes. Les noves normatives de reducció de les emissions contaminants limiten els mitjans per assolir els objectius desitjats d'emissió de CO2 perquè algunes de les solucions que porten a la reducció en l'emissió de CO2 també donen lloc a un increment a l'emissió de altres contaminants. La recuperació de calor residual (WHR) podria ser una bona solució per reduir les emissions de CO2 del motor de combustió interna (ICE) sense posar en perill l'emissió de contaminants. En la present Tesi s'han analitzat diferents estratègies WHR i es va concloure que seria interessant estudiar més a fons el cicle Brayton. El Cicle Brayton d'Aire (ABC) representa una manera de recuperar una part de la calor dels gasos d'escapament de l'ICE i transformar calor a l'energia mecànica. L'energia mecànica recuperada es retorna al cigonyal de l'ICE reduint d'aquesta manera la quantitat d'energia que ha de ser alliberada per la combustió del combustible permitint la reducció del consum de combustible i les emissions de CO2. En aquesta Tesi s'ha començat estudiant un ABC amb una anàlisi del cicle ideal per tal d'obtenir el màxim teòric del sistema. Este model es millora amb una anàlisi del cicle semiideal on es tenen en compte totes les pèrdues amb tan sols dos coeficients d'eficiència. Aquesta anàlisi va mostrar que per al motor dièsel l'eficiència del cicle ABC és molt baixa a causa de la baixa temperatura del gas d'escapament. Per al motor de gasolina el cicle podria ser viable quan l'ICE està treballant sota condicions estacionàries i una càrrega més gran. Aquestes condicions es podrien complir quan el vehicle està circulant en autopista. L'anàlisi detallada del cicle va tenir com a objectiu determinar les pèrdues principals de cicle. Les pèrdues principals es van identificar com: les pèrdues de bombament, les pèrdues causades per la transferència de calor i les pèrdues mecàniques. Tenint en compte aquestes pèrdues principals juntament amb altres pèrdues directes i indirectes, es va concloure que el cicle no és viable per als tipus de màquines WHR que van ser considerats en aquest estudi. Perquè el cicle puga ser viable s'ha de buscar alguna altra màquina existent o un nou tipus de màquina que puga reduir les principals pèrdues i puga oferir un bon rendiment isentròpic i mecànic per a les condicions desitjades. / Kleut, P. (2016). Recuperation of the exhaust gases energy using a Brayton cycle machine [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/76807

Low fuel consumption is one of the main requirement for current internal combustion engines for passenger car applications. One of the most used strategies to achieve this goal is to use downsized engines (smaller engines while maintaining power) what implies the usage of turbochargers. The coupling between both machines (the turbocharger and the internal combustion engines) presents many difficulties due to the different nature between turbomachines and reciprocating machines. These difficulties make the optimal design of the turbocharged internal combustion engines a complicated issue. In these thesis a strong effort has been made to improve the global understanding of different physical phenomena occurring in turbochargers and in turbocharged engines. The work has been focused on the 1D modelling of the phenomena since 1D tools currently play a major role in the engine design process. Both experimental and modelling efforts have been made to understand the heat transfer and gas flow processes in turbochargers. Previously to the experimental analysis a literature review has been made in which the state of the art of heat transfer and gas flow modelling in turbochargers have been analysed. The experimental effort of the thesis has been focused on measuring different turbochargers in the gas stand and the engine test bench. In the first case, the gas stand, a more controlled environment, has been used to perform tests at different conditions. Hot tests with insulated and not insulated turbocharger have been made to characterise the external heat transfer. Moreover, adiabatic tests have been made to compare the effect of the heat transfer on different turbocharger variables and for the validation of the turbine gas flow models. In the engine test bench full and partial load tests have been made for model validation purposes. For the models development task, the work has been divided in heat flow models and gas flow models. In the first case, a general heat transfer model for turbochargers has been proposed based on the measured turbochargers and data available from previous works of the literature. This model includes a procedure of conductive conductances estimation, internal and external convection correlations and radiation estimation procedure. In the case of the gas flow modelling, an extended model for VGT performance maps extrapolation for both the efficiency and the mass flow has been developed as well as a model for discharge coefficient prediction in valves for two stage turbochargers. Finally, the models have been fully validated coupling them with a 1D modelling software simulating both the gas stand and the whole engine. On the one hand, the results of the validation show that compressor and turbine outlet temperature prediction is highly improved using the developed models. This results prove that the turbocharger heat transfer phenomena are important not only for partial load and transient simulation but also in full loads. On the other hand, the VGT extrapolation model accuracy is high even at off-design conditions. / El bajo consumo de combustible es uno de los principales requerimientos de los motores de combustión interna actuales para aplicaciones de coches de pasajeros. Una de las estrategias más usadas para conseguir ese fin es el uso de motores "downsized" (motores más pequeños con la misma potencia) lo que implica el uso de turbocompresores. El acoplamiento entre ambas máquinas (el turbocompresor y el motor de combustión alternativo) presenta muchas dificultades debido a la diferente naturaleza entre las turbomáquinas y las máquinas alternativas. Estas dificultades convierten el diseño óptimo de los motores de combustión interna sobrealimentados en un asunto complicado. En esta tesis se ha realizado un importante esfuerzo para mejorar el entendimiento global de los diferentes fenómenos físicos que ocurren en los turbocompresores y en los motores sobrealimentados. El trabajo se ha centrado en el modelado 1D de los fenómenos puesto que las herramientas 1D juegan actualmente un papel principal en el proceso de diseño del motor. Se han realizado tanto esfuerzos experimentales como de modelado para el entendimiento de los procesos de transmisión de calor y de flujo de gases en turbocompresores. Previamente al análisis experimental se ha realizado una revisión de la literatura disponible en la que se ha analizado el estado del arte del modelado de transmisión de calor y flujo de gases en turbocompresores. El esfuerzo experimental de la tesis se ha centrado en la medida de diferentes turbocompresores en el banco de gas y en el banco motor. En el primer caso, se ha utilizado el banco de gas, un ambiente más controlado, para realizar ensayos en diferentes condiciones. Se han realizado ensayos calientes con y sin aislamiento del turbocompresor para caracterizar el flujo de calor externo. Además, se han realizado ensayos adiabáticos para comparar el efecto de la transmisión de calor sobre diferentes variables del turbocompresor y para la validación de los modelos de flujo de gases de la turbina. En el banco motor se han realizado ensayos a plena carga y a cargas parciales para usarlos en la validación. Para la tarea del desarrollo de los modelos, el trabajo se dividió en modelos de flujo de calor y modelos de flujo de gases. En el primer caso, se ha propuesto un modelo general de transmisión de calor para turbocompresores basado en los turbocompresores medidos y en datos disponibles de trabajos previos de la literatura. Este modelo incluye un procedimiento para la estimación de las conductancias conductivas, correlaciones de convección interna y externa y un procedimiento de estimación de la radiación. En el caso del modelado de flujo de gases, se ha desarrollado un modelo extendido para la extrapolación de mapas de funcionamiento de TGV tanto para el rendimiento como para el gasto másico además del modelo de predicción de coeficientes de descarga en válvulas de turbocompresores de doble etapa. Finalmente, los modelos han sido completamente validados con su acoplamiento a un software de modelado 1D simulando tanto el banco de turbos como el motor completo. Por un lado, los resultados de la validación señalan que la predicción de las temperaturas de salida de compresor y turbina mejora notablemente usando los modelos desarrollados. Este resultado demuestra que los fenómenos de transmisión de calor son importantes no sólo en simulaciones de cargas parciales y de transitorios sino también en plenas cargas. Por otro lado, la precisión del modelo de extrapolación de TGV es alta incluso en condiciones fuera de diseño. / El baix consum de combustible és un dels principals requeriments dels motors de combustió interna actuals per a aplicacions de cotxes de passatgers. Una de les estratègies més usades per a aconseguir eixe fi és l'ús de motors "downsized" (motors més xicotets amb la mateixa potència) el que implica l'ús de turbocompressors. L'adaptament entre ambdues màquines (el turbocompressor i el motor de combustió alternatiu) presenta moltes dificultats degut a la diferent naturalesa entre les turbomàquines i les màquines alternatives. Estes dificultats convertixen el disseny òptim dels motors de combustió interna sobrealimentats en un assumpte complicat. En esta tesi s'ha realitzat un important esforç per a millorar l'enteniment global dels diferents fenòmens físics que ocorren en els turbocompressors i en els motors sobrealimentats. El treball s'ha centrat en el modelatge 1D dels fenòmens ja que les ferramentes 1D juguen actualment un paper principal en el procés de disseny del motor. S'han realitzat tant esforços experimentals com de modelatge per a l'enteniment dels processos de transmissió de calor i de flux de gasos en turbocompressors. Prèviament a l'anàlisi experimental s'ha realitzat una revisió de la literatura disponible en què s'ha analitzat l'estat de l'art del modelatge de transmissió de calor i flux de gasos en turbocompressors. L'esforç experimental de la tesi s'ha centrat en la mesura de diferents turbocompressors en el banc de gas i en el banc motor. En el primer cas, s'ha utilitzat el banc de gas, un ambient més controlat, per a realitzar assajos en diferents condicions. S'han realitzat assajos calents amb i sense aïllament del turbocompressor per a caracteritzar el flux de calor extern. A més, s'han realitzat assajos adiabàtics per a comparar l'efecte de la transmissió de calor sobre diferents variables del turbocompressor i per a la validació dels models de flux de gasos de la turbina. En el banc motor s'han realitzat assajos a plena càrrega i a càrregues parcials per a usar-los en la validació. Per a la tasca del desenvolupament dels models, el treball es va dividir en models de flux de calor i models de flux de gasos. En el primer cas, s'ha proposat un model general de transmissió de calor per a turbocompressors basat en els turbocompressors mesurats i en dades disponibles de treballs previs de la literatura. Este model inclou un procediment per a l'estimació de les conductàncies conductivas, correlacions de convecció interna i externa i un procediment d'estimació de la radiació. En el cas del modelatge de flux de gasos, s'ha desenvolupat un model estés per a l'extrapolació de mapes de funcionament de TGV tant per al rendiment com per al gasto màssic a més del model de predicció de coeficients de descàrrega en vàlvules de turbocompressors de doble etapa. Finalment, els models han sigut completament validats amb el seu adaptament a un software de modelatge 1D simulant tant el banc de turbos com el motor complet. D'una banda, els resultats de la validació assenyalen que la predicció de les temperatures d'eixida de compressor i turbina millora notablement usant els models desenrotllats. Este resultat demostra que els fenòmens de transmissió de calor són importants no sols en simulacions de càrregues parcials i de transitoris sinó també en plenes càrregues. D'altra banda, la precisió del model d'extrapolació de TGV és alta inclús en condicions fora de disseny. / Dombrovsky, A. (2017). Synthesis of the 1D modelling of turbochargers and its effects on engine performance prediction [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/82307

Orientador: José Antônio Perrella Balestieri / Abstract: Direct injection spark ignition (DISI) engines aim at reducing specific fuel consumption and achieving the strict emission standards in state of the art internal combustion engines. Therefore, in this work the goal is to develop code for simulations of the internal flow in DISI engines, as well as the phenomenon of fuel spray injection into the combustion chamber using a Lagrangian-Eulerian approach for representing the multiphase flow, and Large-eddy Simulations (LES) for modeling the turbulence of the continuum medium by means of the open-source CFD library OpenFOAM. In order to validate the obtained results and the developed models, experimental data from the Darmstadt optical engine, and the non-reactive “Spray G” gasoline injection case, along with the reactive “Spray A” case from the Engine Combustion Network (ECN) will be employed. Finally, a novel open-source solver will be proposed to simulate the Darmstadt optical engine in motored and fired operation under stratified mixture condition, using data compiled by the Darmstadt Engine Workshop (DEW) for validation. Moreover, a deep learning framework is presented to train an artificial neural network (ANN) with the engine LES data generated in this work, in order to make predictions of the small scale turbulence behavior. / Resumo: Motores de ignição a centelha com injeção direta (direct injection spark ignition engines, DISI engines) visam reduzir o consumo específico de combustível e respeitar os restritos níveis de emissão em motores de combustão interna de última geração. Assim, pretende-se com este trabalho desenvolver código para simulação do escoamento interno em motores DISI, assim como os fenômenos de injeção de combustível no interior da câmara de combustão utilizando uma abordagem Lagrangeana-Euleriana para representação do escoamento multifásico e Simulação de Grandes Escalas (Large-eddy simulation, LES) para a modelagem da turbulência no meio contínuo, por intermédio da biblioteca CFD de código aberto OpenFOAM. De modo a validar os resultados e os modelos desenvolvidos, dados experimentais serão utilizados, obtidos do motor óptico de Darmstadt, e do caso de teste de injeção de gasolina não-reativo “Spray G”, juntamente com o caso reativo “Spray A” da Rede de Combustão em Motores (Engine Combustion Network, ECN). Enfim, um novo código aberto será proposto para simular o motor óptico de Darmstadt em condições de escoamento a frio (sem combustão) e com combustão em condição de mistura estratificada, usando dados compilados pelo Workshop do Motor de Darmstadt (Darmstadt Engine Workshop, DEW) para validação. Além disso, uma abordagem de aprendizado profundo (deep learning) será apresentada para treinar uma rede neural artificial (artificial neural network, ANN) com dados de simulação LES de moto... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor

Orientador: Pedro Magalhães Sobrinho / Resumo: O Brasil tem uma grande capacidade para produzir biocombustíveis devido a sua extensa área territorial com grande produtividade de matéria-prima para este setor. O Governo Federal vem investindo bastante neste setor, pois além de ser estratégico economicamente, também tem grandes vantagens na luta contra o aquecimento global. Desde 2005, ano em que se iniciou a comercialização do biodiesel em caráter voluntário, até 2017 a produção cresceu de 736 m3/ano para 4291294 m3/ano. Isto se deu devido a política de aumento obrigatório da porcentagem de biodiesel misturado ao diesel de petróleo de forma gradativa até o nível de 10% (B10) em 2018. Neste trabalho propõe-se um sistema de cogeração utilizando um motor de combustão interna (queimando gás natural), um queimador suplementar e uma caldeira de recuperação para gerar energia elétrica e vapor superaquecido necessário para o processo de reforma a vapor do glicerol; comparando-o com outro sistema proposto por Galarza (2017) que utiliza microturbina à gás. Este sistema será estudado para uma planta capaz de produzir 17820 m3/ano de biodiesel operando 7920 h/ano. Foi escolhido um motor de combustão interna com potência de 200 kW e consumo de 42,9 kg/h, pois foi o motor com menor consumo, mas que mantêm o nível de temperatura dos gases de exaustão (471,8 ºC). Energeticamente o sistema se demonstrou viável, mas possui grande perda de calor na chaminé que poderia ser aproveitada, como na produção de água quente por exemplo. A análise ex... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Brazil has a large capacity to produce biofuels due to its extensive land area with high productivity of raw material for this sector. The Federal Government has been investing a lot in this sector, since besides being economically strategic, it also has great advantages in the fight against global warming. Since 2005, when the commercialization of biodiesel began on a voluntary basis, by 2017 production increased from 736 m3/year to 4291294 m3/year. This was due to the policy of mandatory increase of the percentage of biodiesel mixed with petroleum diesel gradually until the level of 10% (B10) in 2018. In this work, a cogeneration system is proposed using an internal combustion engine (burning natural gas), an additional burner and a recovery boiler to generate electrical energy and superheated steam necessary for the steam reforming process of glycerol; comparing it with another system proposed by Galarza (2017) that uses microturbine to gas. This system will be studied for a plant capable of producing 17820 m3/year of biodiesel operating at 7920 hours per year. An internal combustion engine with a power of 200 kW and a consumption of 42.9 kg/h was chosen, because it was the engine with the lowest consumption, but it maintains the level of temperature of exit (471.8 ºC). Energetically the system has proven viable, but it has great heat loss in the chimney that could be better used, as in the production of hot water for example. Exergetic analysis helps to understand the sys... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre