[EN] The overall objective of this doctoral thesis is to deepen in combustion diagnosis from in-cylinder pressure in direct injection Diesel engines. This work stems from the knowledge of pressure signal acquisition and combustion diagnosis by means of thermodynamic modelling, existing in the research group where it has been developed. Starting from a general scheme of the combustion diagnosis process, that includes a reference diagnosis model, the most important uncertainties related with the experimental measurements, engine and calculation sub-models, have been identified. At this point, the work was oriented, on one hand, to the development of a trustworthy procedure to adjust the engine uncertainties, and on the other hand, to the improvement of the reference diagnosis model, priorizing the most critical aspects. This has led to the implementation of a procedure for the engine characterization, based on motoring tests, and has produced some contributions related to the pressure signal processing, the estimation of the conditions at the intake valve closing, the heat transfer to the chamber walls and the rate of fuel injection-evaporation. The most suitable experimental, theoretical or calculation tools have been used in each case, such as wall temperature measurements, CFD calculation or one-dimensional unsteady gas-dynamic modelling (1D). This thesis allows to increase the accuracy and robustness of the calculation of the thermodynamic gas conditions in the cylinder as well as the heat transfer to the chamber wall, and thus a better heat release law and combustion characterization is obtained. / [ES] El trabajo desarrollado en la presente tesis doctoral está encaminado a profundizar en el diagnóstico de la combustión a partir de la señal de presión en el cilindro en los motores Diesel de inyección directa. Para ello, se dispone del conocimiento previo sobre adquisición de señal de presión y diagnóstico de la combustión mediante el modelado termodinámico existente en el grupo de trabajo en que se ha desarrollado. Partiendo de un esquema general del proceso de diagnóstico de la combustión, que incluye un modelo de diagnóstico de referencia, se han identificado cuales son las incertidumbres experimentales, del motor y de los diferentes submodelos de cálculo, más importantes para los resultados. En este punto, el trabajo se ha orientado, por un lado, al desarrollo de un procedimiento fiable de ajuste de incertidumbres del motor y por otro, a la mejora del modelo de diagnóstico de referencia, priorizando los aspectos más críticos. Esto ha llevado a implementar un procedimiento de caracterización del motor basado en ensayos sin combustión y a la realización de aportaciones relativas al tratamiento de la señal de presión instantánea, la estimación de las condiciones al cierre de la válvula de admisión, la transmisión de calor a las paredes de la cámara y la tasa de inyección-evaporación del combustible. Para ello se ha hecho uso de las herramientas experimentales, teóricas y de cálculo más apropiadas en cada caso, entre las que cabe destacar la medida de la temperatura de paredes de la cámara, el cálculo CFD o el modelado unidimensional de la dinámica de gases no estacionaria (1D). El trabajo realizado aporta precisión y robustez al cálculo de las condiciones termodinámicas en la cámara y la transmisión de calor a las paredes, lo que mejora el cálculo de la ley de liberación de calor y permite una mejor caracterización de la combustión. / [CA] El treball dut a terme en la present Tesi doctoral està encaminat a aprofundir en el diagnòstic de la combustió a partir del senyal de pressió en el cilindre en els motors Dièsel d’injecció directa. Per a això, es disposa del coneixement previ sobre adquisició de senyal de pressió i diagnòstic de la combustió per mitjà del modelatge termodinàmic existent en el grup de treball en què s’ha desenvolupat. Partint d’un esquema general del procés de diagnòstic de la combustió, que inclou un model de diagnòstic de referència, s’han identificat quines són les incerteses experimentals, del motor i dels diferents submodels de càlcul, m´es importants per als resultats. En aquest punt, el treball s’ha orientat, d’una banda, al desenvolupament d’un procediment fiable d’ajust d’incerteses del motor i d’un altre, a la millora del model de diagnòstic de referència, prioritzant els aspectes més crítics. Açò ha portat a implementar un procediment de caracterització del motor basat en assajos sense combustió i a la realització d’aportacions relatives al tractament del senyal de pressió instantània, l’estimació de les condicions al tancament de la vàlvula d’admissió, la transmissió de calor a les parets de la cambra i la taxa d’injecció-evaporació del combustible. Per a això s’ha fet ús de les ferramentes experimentals, teòriques i de càlcul més apropiades en cada cas, entre les que cal destacar la mesura de la temperatura de parets de la cambra, el càlcul CFD o el modelatge unidimensional de la dinàmica de gasos no estacionària (1D). El treball realitzat aporta precisió i robustesa al càlcul de les condicions termodinàmiques en la cambra així com a la transmissió de calor a les parets, la qual cosa millora el càlcul de la llei d’alliberament de calor i permet una millor caracterització de la combustió. / Martín Díaz, J. (2007). Aportación al diagnóstico de la combustión en motores Diesel de inyección directa [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/135955

[ES] A pesar de la tendencia actual hacia la electrificación del transporte por carretera, los motores de combustión interna alternativos han sido esenciales en este sector y se espera que sigan siendo una tecnología con notable presencia durante las próximas décadas. Los vehículos de pasajeros actuales basados en motores de combustión interna son más ecológicos que los utilizados hace años, aunque todavía queda trabajo por hacer. Los sistemas de postratamiento están enfocados a minimizar tanto como sea posible el impacto de los motores de combustión interna en términos de emisiones contaminantes. En el caso de los motores de encendido provocado, los catalizadores de tres vías representan la tecnología más extendida en las últimas décadas, debido a su compacidad y buena relación precio-prestaciones. Estos convertidores son capaces de oxidar hidrocarburos y monóxido de carbono al mismo tiempo que reducen los óxidos de nitrógeno. No obstante, para lograr su mejor eficiencia, el dosado debe controlarse con precisión en torno a condiciones estequiométricas. En este sentido, los sistemas electrónicos de gestión del motor son esenciales para aprovechar las características de estos convertidores. En particular, las estrategias de control y diagnóstico desempeñan un papel clave para lograr una reducción efectiva de las emisiones en el amplio rango de condiciones de operación que se dan en condiciones de funcionamiento reales. El desarrollo de estas estrategias es fundamental, especialmente teniendo en cuenta el bajo nivel de emisiones permitido por las normativas de emisiones actuales y la tendencia hacia cero emisiones. El propósito de esta tesis doctoral es analizar el comportamiento del sistema de postratamiento en condiciones específicas pero a la vez muy comunes en conducción real, y desarrollar estrategias que proporcionen una reducción adicional de las emisiones en sistemas basados en catalizador de tres vías. Con la popularización de pequeños motores turboalimentados de encendido provocado, ha aumentado el uso de estrategias de barrido de la cámara de combustión para mitigar los típicos problemas de falta de par a bajo régimen. Esta tesis analiza el impacto de los pulsos de cortocircuito en el catalizador y en las sondas ¿. El proceso de cortocircuito de aire fresco al escape tiene un impacto importante en la dinámica intraciclo de la composición de los gases de escape. En particular, los pulsos de monóxido de carbono e hidrógeno seguidos por los pulsos de aire fresco perturban el normal funcionamiento del sensor de oxígeno. Por lo tanto, se ha propuesto un nuevo método para estimar la tasa de cortocircuito abordo. Este método permite corregir la desviación sufrida por el sensor y, por lo tanto, ayuda a reducir la penalización en emisiones de este tipo de estrategias. Para mejorar la eficiencia del catalizador en condiciones transitorias, no solo se requiere un control preciso del dosado aguas arriba del catalizador, sino que también resulta imprescindible considerar el comportamiento dinámico del convertidor en sí mismo. Por ejemplo, el almacenamiento de oxígeno es un buen indicador del estado del catalizador, pero no se puede medir directamente mediante sensores. Por lo tanto, el desarrollo de modelos es clave en las estrategias de control actuales, para poder estimar abordo diferentes parámetros relacionados con el estado del catalizador. Varios modelos de catalizador se han desarrollado en esta tesis doctoral para lidiar con diferentes cuestiones, desde la predicción de los efectos de la condensación de agua en la evolución de la temperatura del catalizador justo después del arranque en frío, a la cuantificación del nivel de envejecimiento, pasando por el control óptimo de purga del catalizador. / [CA] Malgrat la tendència actual cap a l'electrificació del transport per carretera, els motors de combustió interna alternatius han sigut essencials en aquest sector i s'espera que continuen sent una tecnologia amb notable presència durant les pròximes dècades. Els vehicles de passatgers actuals basats en motors de combustió interna són més ecològics que els utilitzats fa anys, encara que hi ha treball per fer. Els sistemes de post-tractament estan enfocats a minimitzar tant com siga possible l'impacte dels motors de combustió interna en termes d'emissions contaminants. En el cas dels motors d'encés provocat, els catalitzadors de tres vies representen la tecnologia més estesa en les últimes dècades, pel fet que són compactes i posseeixen bona relació preu-prestacions. Aquests convertidors són capaços d'oxidar hidrocarburs i monòxid de carboni al mateix temps que redueixen els òxids de nitrogen. No obstant això, per a aconseguir la seua millor eficiència, el dosatge ha de controlar-se amb precisió entorn de condicions estequiomètriques. En aquest sentit, els sistemes electrònics de gestió del motor són essencials per a aprofitar les característiques d'aquests convertidors. En particular, les estratègies de control i diagnòstic exerceixen un paper clau per aconseguir una reducció efectiva de les emissions en l'ampli rang de condicions d'operació que es donen en condicions de funcionament reals. El desenvolupament d'aquestes estratègies és fonamental, especialment tenint en compte el baix nivell d'emissions permès per les normatives actuals i la tendència cap a zero emissions. El propòsit d'aquesta tesi doctoral és analitzar el comportament del sistema de post-tractament en condicions específiques però alhora molt comunes en conducció real, i desenvolupar estratègies que proporcionen una reducció addicional de les emissions en sistemes basats en catalitzador de tres vies. Amb la popularització de xicotets motors amb sobrealimentació d'encés provocat, ha augmentat l'ús d'estratègies de curtcircuit per a mitigar els típics problemes de falta de parell a baix règim. Aquesta tesi analitza l'impacte dels polsos de curtcircuit en el catalitzador i en les sondes ¿. El procés de curtcircuit d'aire fresc té un impacte important en la dinàmica intra-cicle de la composició dels gasos. En particular, els polsos de monòxid de carboni i hidrogen seguits pels polsos d'aire fresc pertorben el normal funcionament del sensor d'oxigen. Per tant, s'ha proposat un nou mètode per a estimar la taxa de curtcircuit del motor. Aquest mètode permet corregir la desviació patida pel sensor i, per tant, ajuda a reduir la penalització en emissions d'aquest tipus d'estratègies. Per a millorar l'eficiència del catalitzador en condicions transitòries, no solament es requereix un control precís del dosatge aigües amunt del catalitzador, sinó que també resulta imprescindible considerar el comportament dinàmic del convertidor en si mateix. Per exemple, l'emmagatzematge d'oxigen és un bon indicador de l'estat del catalitzador, però no es pot mesurar directament mitjançant sensors. Per tant, el desenvolupament de models és clau en les estratègies de control actuals, per poder estimar els diferents paràmetres relacionats amb l'estat del catalitzador. Diversos models de catalitzador s'han desenvolupat en aquesta tesi doctoral per a tractar diferents qüestions, des de la predicció dels efectes de la condensació d'aigua en l'evolució de la temperatura del catalitzador just després de l'arrencada en fred, a la quantificació del nivell d'envelliment, passant pel control òptim de porga del catalitzador. / [EN] In spite of the current tendency towards the electrification of the road transport, internal combustion engines have been essential in this sector and it is expected to continue being a technology with a noticeable presence during next decades. Current passenger cars based on internal combustion engines are greener than those used years ago, although it is still a developing process. Aftertreatment systems are aimed to minimize as much a possible the impact of internal combustion engines in terms of pollutant emissions. In case of spark-ignited engines, three-way catalytic converters represent the most widespread technology during last decades, due to their compactness and cost-performance. These converters are capable to oxidise hydrocarbons and carbon monoxide while simultaneously reducing nitrogen oxide. Nonetheless, to achieve their best efficiency, the air-to-fuel ratio must be accurately controlled close to stoichiometric conditions. In this sense, electronic engine management systems are essential to take advantage of the features of these converters. In particular, control and diagnosis strategies play a key role to achieve an effective emissions reduction under the wide range of operating conditions that arise in real driving conditions. The further development of this strategies is fundamental, especially taking into account the low emissions level allowed by current regulatory procedures and the trend towards zero emissions. The purpose of this dissertation is to analyse the behaviour of the aftertreatment system under very specific but at the same time very common conditions, and developing strategies that provide a further emissions reduction for systems based on three-way catalyst. With the popularization of small turbocharged spark-ignited engines, the use of scavenging strategies to solve the typical low-end torque issues has increased. This dissertation analyses the impact of the short-circuit pulses on both three-way catalyst and ¿ sensors. The short-circuit process has an important effect on the in-cycle dynamics of the exhaust gas composition. In particular, the carbon monoxide and hydrogen pulses followed by fresh air pulses cause a sensor bias. Thus a new method to on-line estimate the short-circuit rate has been proposed. This method allows to correct the sensor bias and, therefore, help to reduce the emissions penalty. To improve the TWC efficiency under transient conditions, not only an accurate air-to-fuel ratio control upstream of the converter is required, but also to consider the dynamic behaviour of the converter itself. For example, the oxygen storage is the main responsible for the converter dynamics, and thus, a good indicator of the catalyst state, but it cannot be directly measured. Hence the development of models is key in current control strategies, to on-line track different parameters related with the state of the converter. Several models have been derived in this dissertation in order to fulfil different requirements, from the prediction of water condensation effects on the temperature evolution inside the converter just after cold-start, to the quantification of the ageing level, through the optimal catalyst purge control, or the air-to-fuel ratio disturbances rejection. / Real Minuesa, M. (2020). Modelling, control and diagnosis of aftertreatment systems based on three-way catalyst in spark-ignited engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/137040

Tesis por compendio / [ES] Un porcentaje significativo de la energía se destina a la producción de Agua Caliente Sanitaria (ACS) en el sector comercial y residencial. Además, la mayor parte de la energía que contiene el agua se desperdicia en el ambiente tras su uso. Las bombas de calor han sido identificadas por su capacidad de producir ACS con una alta eficiencia y son una gran alternativa hacia la descarbonización de las ciudades. Además, son capaces de utilizar como fuente de calor, el calor contenido en el agua que actualmente se desperdicia. Sin embargo, la aplicación del uso de bombas de calor para ACS recuperando el calor de las aguas residuales presenta unas características diferentes a las usuales en bombas de calor. Por tanto, es necesario un análisis del problema más profundo y se require mayor investigación al respecto con el fin de lograr un desarrollo eficiente de la misma: 1. Un diseño de bomba de calor capaz de operar con alta eficiencia ante los grandes saltos de temperatura que tienen lugar en esta aplicación (ACS). 2. Un diseño de bomba de calor capaz de operar con alta eficiencia ante saltos de temperatura del fluido secundario variables (recuperación de calor). 3. La integración de esta bomba de calor en un sistema de ACS completo (estrategias de recuperación de calor, componentes, tamaño y estrategia de control). Normalmente, los ciclos transcríticos han sido considerados como una de las mejores soluciones para la producción de ACS (donde se tienen grandes saltos de temperatura en el agua, 10-60°C). Sin embargo, este tipo de ciclo presenta dos desventajas principales, la necesidad de altas presiones en la instalación y la dependencia de la eficiencia con el salto de temperatura del agua en el condensador. Sin embargo, los ciclos subcríticos han demostrado un gran potencial para saltos de temperatura del agua variables si se aplica un control del subenfriamiento adecuado. El objetivo de esta tesis es investigar la bomba de calor agua-agua más eficiente trabajando con un ciclo de refrigerante subcrítico para la producción de ACS utilizando como fuente de calor el calor disponible en las aguas residuales (a baja-media temperatura) para determinar el sistema más eficiente para este tipo de aplicación. El trabajo se divide en dos partes diferenciadas: ¿ Diseño de la bomba de calor El desarrollo de la bomba de calor es una continuación del trabajo realizado en la tesis de M. Pitarch [1]. En dicha tesis, se investigó el papel del subenfriamiento en una bomba de calor subcrítica para la apliación de ACS. Se desarrolló un prototipo de bomba de calor con el diseño de dos configuraciones distintas en función del modo en el que se realizaba el subenfriamiento. Los resultados permitieron concluir que este tipo de bombas de calor (subcríticas) eran capaces de operar con eficiencias similares a las de las bombas de calor basadas en ciclos transcríticos si se opera con un grado de subenfriamiento óptimo. Sin embargo, en ambas configuraciones se requiere un componente más que en las bombas de calor convencionales. En esta tesis, se ha realizado un estudio y análisis teórico de la bomba de calor. Se ha desarrollado e implementado una estrategia de control para el subenfriamiento y se ha construído el prototipo de bomba de calor propuesto en [1]. De todo este trabajo se ha obtenido el diseño de bomba de calor basada en ciclos subcríticos más interesante para este tipo de aplicaciones. ¿ Diseño e integración de la Bomba de Calor y el sistema de ACS La integración del prototipo seleccionado en un sistema para la producción de ACS con recuperación del calor de las aguas residuales ha sido analizada.El sistema más simple y eficiente necesario para este tipo de aplicaciones (producción de ACS con recuperación de calor de las aguas grises) se compone de un intercambiador de calor (recuperador), una bomba de calor con subenfriamiento optimizado y dos depósitos de almacenamiento. / [CA] Un percentatge significatiu de l'energia es destina a la producció d'Aigua Calenta Sanitària (ACS) en el sector comercial i residencial. A més, la major part de l'energia que conté l'aigua es malgasta en l'ambient després del seu ús. Les bombes de calor han sigut identificades per la seua capacitat de produir ACS amb una alta eficiència i són una gran alternativa cap a la descarbonització de les ciutats. A més, són capaços d'utilitzar com a font de calor, el calor contingut en l'aigua que actualment es desaprofita. Contribuint així, a aconseguir un sector energètic més respectuós amb el Medi Ambient. No obstant això, l'aplicació de l'ús de bombes de calor per a ACS recuperant el calor de les aigües residuals presenta unes característiques diferents de les usuals en bombes de calor. Per tant, és necessari una anàlisi del problema més profund i es requereix una major investigació al respecte amb la finalitat d'aconseguir una alta eficiència: 1.Un disseny de bomba de calor capaç d'operar amb alta eficiència davant dels grans salts de temperatura presents en aquesta aplicació (ACS). 2.Un disseny de bomba de calor capaç d'operar amb alta eficiència davant de salts de temperatura del fluid secundari variables (recuperació de calor). 3.La integració d'aquesta bomba de calor en un sistema d'ACS complet (estratègies de recuperació de calor, components, grandària i estratègia de control). Normalment, els cicles transcrítics han sigut considerats com una de les millors solucions per a la producció d'ACS (on es tenen grans salts de temperatura en l'aigua, 10-60°C). No obstant això, aquest tipus de cicle presenta dos desavantatges principals, la necessitat d'altes pressions en la instal·lació i la dependència de l'eficiència amb el salt de temperatura de l'aigua en el condensador i evaporador. L'objectiu d'aquesta tesi és investigar la bomba de calor aigua-aigua més eficient treballant amb un cicle de refrigerant subcrític per a la producció d'ACS utilitzant com a font de calor el calor disponible en les aigües residuals (a baixa-mitja temperatura) per a determinar el sistema més eficient en aquest tipus d'aplicació. El treball es dividix en: ¿ Disseny de la bomba de calor El desenvolupament de la bomba de calor és una continuació del treball realitzat en la tesi de M. Pitarch [1]. En aquella tesi, es va investigar el paper del subrefredament en una bomba de calor subcrítica per a l'apliació d'ACS. Es va desenvolupar un prototip de bomba de calor amb el disseny de dues configuracions distintes en funció de la manera en què es realitzava el subrefredament. Els resultats van permetre concloure que aquests tipus de bombes de calor (subcrítiques) eren capaços d'operar amb eficiències semblants a les de les bombes de calor basades en cicles transcrítics si s'opera amb un grau de subrefredament òptim. No obstant això, en ambdues configuracions es requereix un component més que en les bombes de calor convencionals. En la present tesi, es va realitzar un estudi i anàlisi teòric de la bomba de calor. Es va desenvolupar i implementar una estratègia de control per al subrefredament i es va construir el prototip de bomba de calor proposat en [1]. De tot aquest treball s'ha obtingut el disseny de bomba de calor basada en cicles subcrítics més interessant per aquest tipus d'aplicacions. ¿Disseny i integració de la Bomba de Calor i el sistema d'ACS La integració del prototip seleccionat en un sistema per a la producció d'ACS amb recuperació de el calor de el calor de les aigües residuals ha sigut analitzada.El sistema més simple i eficient necessari per a aquest tipus d'aplicacions (producció d'ACS amb recuperació de calor provinent d'aigües grisas) està compost per un bescanviador de calor (recuperador), una bomba subrefredada i dos depòsits d'emmagatzemament. / [EN] A significant percentage of energy is destined to produce Domestic Hot Water (DHW) within the building sector. Furthermore, most of that energy contained in the water is wasted to the ambient after its use. Heat pumps have been clearly identified as an efficient technology for DHW production, and as a main vector towards future de-carbonization of cities. In addition, they could use the heat from the wastewater as a heat source. Thus, contributing in two ways towards a more environmentally friendly energetic sector. However, the use of heat pumps for DHW recovering heat from wastewater faces several challenges that require further analysis and development: 1. A heat pump design capable to operate with high performance when variable secondary temperature lifts at the heat sink take place. 2. A heat pump design capable to operate with high performance when variable secondary temperature lifts at the heat source take place. 3. The integration of the heat pump within a system (heat recovery strategies, components, sizing, operation strategy). Usually, transcritical cycles have been considered the most suitable cycle for DHW production (high temperature lifts of the heat sink, 10-60°C). However, this cycle involves several drawbacks as for instance the requirement of high pressures in the installation or a significant reduction of the performance with the increase of water inlet temperature at the condenser. Instead, subcritical cycles have demonstrated great potential for DHW applications if a proper control of subcooling is performed. The objective of this thesis is to investigate the most efficient water-to-water heat pump working with a subcritical cycle for DHW production using as a heat source wasted heat at medium-low temperature and to determine the most efficient system based on heat pumps for this application. The work is divided in two differentiated parts: ¿ Heat pump concept This development is a continuation from the PhD work of M. Pitarch [1]. In that PhD work, the role of the subcooling in the performance of a subcritical heat pump for DHW applications was investigated. Two different configurations of a heat pump prototype were designed based on the way subcooling was made. The results showed that a subcooling optimized subcritical heat pump was able to provide comparable performance than present HPs employing transcritical cycles. However, both configurations require one more component than usual heat pumps. Thus, a new prototype based only on the typical components (compressor, condenser, expansion valve and evaporator) was proposed as future work. In this thesis, a theoretic analysis of the heat pump was done. A subcooling control methodology was developed and tested. The proposed prototype in [1] has been built and characterized. From all the results, the most convenient heat pump design was obtained. ¿ Integral Heat pump-DHW system The integration of the most convenient heat pump prototype within a system for the DHW production based on heat recovery from wastewater has been analyzed. The research has included the development of a model of the entire system in Trnsys and the optimization of the main components of the system: their sizing and their operation with the objective of reaching the maximum global efficiency of the complete system. Due to the complexity of the problem, the analysis was performed in three main steps: first, a study of the direct heat exchange,second, an study focusing on the condenser side, that is, the consideration of an infinite heat source (large availability of sewage water for instance) and third, the focus was done on the evaporator side. That is, the optimization of the complete system in which a finite heat source is considered (grey waters collected from the building for instance). The simplest and most efficient system required in DHW production and heat recuperation from wastewater has been determined. / Esta tesis se enmarca dentro del proyecto “APROVECHAMIENTO DEL CALOR RESIDUAL A BAJA TEMPERATURA MEDIANTE BOMBAS DE CALOR PARA LA PRODUCCION DE AGUA CALIENTE” a través de una beca FPI del Ministerio de Economía y Competitividad. / Hervás Blasco, E. (2020). Aprovechamiento del calor residual a baja temperatura mediante bombas de calor para la producción de agua caliente [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/137776 / Compendio

[ES] Hoy en día, las regulaciones sobre emisiones de los automóviles se están haciendo más estrictas. Además de los ciclos de homologación estándar, actualmente se están empezando a considerar nuevos métodos de homologación que tienen en cuenta las condiciones reales que se dan en la carretera. Los sistemas de Recirculación de Gases de Escape (EGR) son estrategias que han demostrado ser efectivas durante estacionarios y que también pueden ser usadas en ese tipo de ciclos dinámicos que corresponden a condiciones reales de conducción. Esta tesis se centra en la implementación de diferentes sistemas EGR para su uso en condiciones dinámicas en motores diésel turbosobrealimentados. En primer lugar, se lleva a cabo un análisis del ciclo de conducción para identificar las operaciones específicas de tipo transitorio más frecuentes en los ciclos dinámicos como WLTC y RDE. Los resultados muestran que la frecuencia en la que se producen fuertes transitorios en carga es mayor que en la que se producen transitorios de velocidad. Entre ellos, el número de operaciones de tipo Tip-out es superior a las de tipo Tip-Ins, especialmente en el rango de 1250-2000 rpm. Estos fuertes transitorios se repiten en el banco de ensayos de motor equipado con analizadores de gas de alta frecuencia, de forma que se registran la concentración instantánea de CO2 y NOx. También se ha realizado un estudio paramétrico de la actuación de la válvula de EGR durante la operación de varios transitorios fuertes, cuantificando el retraso en el transporte, la concentración de NOx y las partículas. El lazo de EGR de baja presión, LPEGR, ha resultado ser más efectivo cuando se operaba a plena carga, así como durante los transitorios, comparado con el lazo de EGR de alta presión, HPEGR. De esta forma, se propone la válvula de control más adecuada para LPEGR, lo que puede ser útil para la calibración de los transitorios de los motores diésel turbosobrealimentados. Además de ello, se señala el compromiso entre rendimiento y emisiones durante los transitorios de EGR. Al implementar la recirculación de los gases de escape a lo largo de todo el mapa del motor se minimiza la aparición de picos inesperados de emisión de NOx. Concretamente, las estrategias LPEGR consiguen reducir alrededor de un 20-60% los NOx emitidos durante los primeros pocos segundos con menos de un 5% de penalización en el rendimiento. Adicionalmente, en el documento también se presentan las simulaciones que se han realizado de los modelos unidimensionales de los transitorios. El control de la turbina de geometría variable juega un papel importante a la hora de calibrar el modelo para transitorios de EGR. Además de ello, se lleva a cabo una optimización de la separación de EGR para varios puntos estacionarios por medio de simulaciones que están basadas en el compromiso entre rendimiento y emisiones. Además, se propone un algoritmo para optimizar la separación de EGR, reduciendo en alrededor de un 80% el tiempo de cálculo de un DOE o un método de algoritmo genético. Finalmente, se crea un modelo simple de NOx 3D cuasi-estacionario para predecir las emisiones durante el transitorio en condiciones de conducción reales. La tasa de EGR, como tercera entrada del modelo, muestra una mejora significativa a la hora de predecir el transitorio de NOx con respecto al modelo 2D. / [EN] The automotive emission regulations are getting more stringent these days. New methods of homologation are being considered other than standard cycles considering the real driving behavior on road. The EGR system is one of the proven and well tested strategies in steady state which can be used on those dynamic real driving conditions too. This dissertation focuses on implementation of different EGR systems during dynamic operations of turbocharged diesel engine. Firstly, a driving cycle analysis is carried out to identify the specific and frequent transient operations on dynamic cycles like WLTC and RDE. The results show that, the frequency of harsh load transients is higher than speed transients. Among them, the number of Tip-Out operations outnumber the Tip-Ins with higher density in 1250-2000 RPM range. Therefore, these harsh transients are repeated separately on the dynamic engine test bench equipped with high frequency gas analyzers to track the instantaneous CO2 and NOx concentration. A parametric study is carried out with EGR valve actuation during various severe load transients, quantifying the transportation delays, NOx concentration and particulate matter. The LPEGR is found to be more effective at the full load as well as during transient operations compared to HPEGR. The best suited LPEGR valve control is proposed, which can be helpful for transient calibration of a turbocharged diesel engine. Moreover, the trade-off between the performance and emission during EGR transients is also pointed out. The implementation of EGR all over the engine map minimizes the unexpected NOx peaks during transients. Specifically, LPEGR strategies manages to reduce around 20-60% of NOx in first few seconds with less than 5% of penalty in performance. Additionally, 1D model simulation results of load transient operations are presented in the document. The VGT control plays important role to calibrate the model for transient operations with EGR. Apart from this, the EGR split optimization on various steady points is carried out by simulations following the trade-off between performance and emissions. Furthermore, an algorithm to search the optimum split is proposed, reducing around 80% of the calculation time consumed by DOE or genetic algorithm method. Finally, a simple 3D quasi steady NOx model is created to predict the transient emissions in real driving conditions. EGR rate, as 3rd input in model shows significant improvement in prediction of transient NOx over the 2D model. / [CA] En els darrers temps, les regulacions sobre emissions contaminants dels vehicles s'han fet més estrictes. A més dels cicles d'homologació estàndards, actualment s'estan començant a considerar nous mètodes d'homologació que tinguen en compte les condicions reals que es donen en la carretera. Els sistemes de Recirculació de Gasos d'Escapament (EGR) són estratègies que s'han demostrat com a efectives durant condicions estacionàries i que també poden ser emprades en aquest tipus de cicles dinàmics, que corresponen a condicions reals de conducció. Aquesta tesi està centrada en la implementació de diferents sistemes EGR per al seu ús en condicions dinàmiques en motors dièsel turbosobrealimentats. En primer lloc, es du a terme un anàlisi del cicle de conducció per a identificar les operacions específiques de tipus transitori més freqüents en els cicles dinàmics WLTC i RDE. Els resultats mostren que la freqüència a la que s'obtenen forts transitoris de càrrega és major que en aquella en la que es produeixen transitoris de velocitat. Entre aquestos, el nombre d'operacions de tipus Tip-out és superior a les del tipus Tip-ins, especialment en l'interval de 1250-2000 rpm. Aquestos forts transitoris es repeteixen en el banc d'assajos de motor equipat amb analitzadors de gasos d'alta freqüència, de manera que es registren les concentracions de CO2 i NOx. També s'ha realitzat un estudi paramètric de l'actuació de la vàlvula d'EGR durant l'operació de diversos transitoris forts, quantificant el retard en el transport, la concentració de NOx i les partícules. El llaç d'EGR de baixa pressió, LPEGR, ha resultat ser més efectiu quan s'operava a plena càrrega, així com durant els transitoris, comparat amb el llaç d'EGR d'alta pressió, HPEGR. D'aquesta forma, es proposa la vàlvula de control més adequada per a LPEGR, el que pot resultar útil per a la calibratge dels transitoris dels motors dièsel turbosobrealimentats. A banda d'això, s'ha assenyalat el compromís entre rendiment i emissions durant els transitoris d'EGR. Al implementar la recirculació dels gasos d'escapament a tot arreu del mapa del motor es minimitza l'aparició de pics inesperats d'emissió de NOx. Més concretament, les estratègies LPEGR aconsegueixen reduir al voltant d'un 20-60% els NOx emesos durant els primers pocs segons amb menys d'un 5% de penalització en el rendiment. Addicionalment, en el document també es presenten les simulacions que s'han realitzat dels models unidimensionals dels transitoris. El control de la turbina de geometria variable juga un paper important a l'hora de calibrar el model per a transitoris d'EGR. A més d'això, s'ha dut a terme una optimització de la separació d'EGR en diversos punts estacionaris per mitjà de simulacions que estan basades en el compromís entre rendiment i emissions. També es proposa un algoritme per a optimitzar la separació d'EGR, reduint al voltant d'un 80\% el temps de càlcul d'un DOE o un mètode d'algoritme genètic. Finalment, es crea un model simple de NOx 3D quasi-estacionari per a predir les emissions durant el transitori en condicions de conducció real. La taxa d'EGR, com a tercera entrada del model, mostra una millora significativa a l'hora de predir el transitori de NOx respecte al model 2D. / Patil, CY. (2020). Effects of EGR transient operation on emissions and performance of automotive engines during RDE cycles [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/149498

[EN] The main objective of this thesis is the analysis and comprehension of the association of two different combustion concepts (premixed and diffusive combustion) on the pollutant emissions and engine performance in a mid-size Diesel engine. The evaluation is performed at mid and high load conditions, where the implementation of premixed combustion is generally challenging. The association of the two combustion modes is hard to attain in a conventional Diesel engine, especially the preparation of the premixed charge with early pilot injection. Therefore, the approach followed during the study has been divided in two main steps: first, the bibliography on the subject is reviewed and two strategies avoiding the main issues mentioned in the literature are grossly evaluated in order to estimate their potential for emission reduction. Second, a deeper study of the combustion processes and emissions formation is performed, focusing only on the partially premixed combustion strategies that actually have the potential for emissions reduction. Along the second part of the study, the association of premixed and diffusive combustion is evaluated together with variation of conventional calibration parameters such as the intake oxygen concentration (via exhaust gas recirculation), the boost pressure and the start of the main injection timing, at different engine speed and load conditions. A cross analysis of the results obtained is performed in order to understand the key reasons that permit the reduction of the pollutant emissions with this strategy. In a final part of the thesis, the partially premixed combustion strategies studied are confronted with the challenges they might face when really considered for their introduction in a production engine (oil-dilution, noise...) to finally conclude on their technological potential. / [ES] El objetivo principal de la Tesis es el an álisis y la comprensi ón de la asociaci ón de dos conceptos de combusti ón diferentes (combusti ón en premezcla y por difusi ón) en las emisiones contaminantes y las prestaciones en un motor Diesel de cilindrada media. La evaluaci ón se realiza en condiciones de media y alta carga, en la cuales la implementaci ón de una combusti ón premezclada es generalmente complicada. La asociaci ón de los dos modos de combusti ón es dif cil de conseguir en un motor Diesel convencional, especialmente la preparaci ón de la carga premezclada con inyecci ón piloto adelantada. Por esa raz ón, el estudio se divide en dos partes principales: primero se revisa la bibliograf ía acerca del tema, centrando la atenci ón en dos estrategias que permiten evitar los principales problemas evocados en la literatura, determinando su potencial para la reducci ón de las emisiones contaminantes. En un segundo lugar, se realiza un estudio m as profundo de los procesos de combusti ón y de formaci ón de contaminantes, centr ándose únicamente en las estrategias de combusti ón parcialmente premezclada que sí tienen el potencial para reducir las emisiones contaminantes. En la segunda parte del estudio, se aborda la asociaci ón de combustiones premezclada y por difusi ón junto con la variaci ón de par ametros de calibraci on convencionales como la concentraci ón de ox ígeno en la admisi ón (por medio de recirculaci ón de los gases de escape), la presi ón de sobrealimentaci ón y el inicio de la inyecci ón principal, en diferentes condiciones de r egimen y de carga del motor. El an álisis cruzado de los resultados se realiza con el af án de entender las razones claves de los procesos que permiten la reducci ón de las emisiones contaminantes con esta estrategia. Como etapa final de esta tesis, se confrontan las estrategias de combusti ón parcialmente premezclada estudiadas con los problemas a los cuales podr ían llevar si realmente se considerar a su implementaci ón y un motor de serie (diluci ón de aceite, ruido...) para finalmente concluir sobre su potencial tecnol ógico. / [CA] L'objectiu principal de la tesi es l'an alisi i la comprensi o de l'associaci o de dos conceptes de combusti o diferents (combusti o en premescla i per difusi o) en les emissions contaminants i les prestacions en un motor Di esel de cilindrada mitjana. L'avaluaci o es realitza en condicions de mitja i alta c arrega, en las quals la implementaci o d'una combusti o premesclada es generalment complicada. L'associaci o dels dos modes de combusti o es dif cil d'aconseguir en un motor Di esel convencional, especialment la preparaci o de la c arrega premesclada amb injecci o pilot avan cada. Per eixa ra o, l'estudi es divideix en dos parts principals: primer es revisa la bibliogra a sobre el tema, centrant l'atenci o en dos estrat egies que permeten evitar els principals problemes evocats en la literatura, determinant el seu potencial per a la reducci o de les emissions contaminants. En un segon lloc, es realitza un estudi m es profund dels processos de combusti o i de formaci o de contaminants, centrant-se unicament en les estrat egies de combusti o parcialment premesclada que si que tenen el potencial per a reduir les emissions contaminants. En la segona part de l'estudi, s'aborda l'associaci o de combustions premesclada i per difusi o junt amb la variaci o de par ametres de calibratge convencionals com la concentraci o d'oxigen en l'admissi o (per mitj a de recirculaci o dels gasos d'escapament), la pressi o de sobrealimentaci o i l'inici de la injecci o principal, en diferents condicions de r egim i de c arrega del motor. L'an alisi creuat dels resultats es realitza amb l'afany d'entendre les raons claus dels processos que permeten la reducci o de les emissions contaminants amb esta estrat egia. Com a etapa final d'esta tesi, es confronten les estrat egies de combusti o parcialment premesclada estudiades amb els problemes als quals podrien portar si realment es consideraria la seua implementaci o en un motor de s erie (diluci o d'oli, soroll...) per a finalment concloure sobre el seu potencial tecnol ogic. / Arthozoul, SJL. (2016). Study of the association of premixed and diffusive combustion processes on the combustion and pollutant emissions in a mid-size Diesel engine [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63262

[EN] In a context of global warming concern and global energy policies, in which heating and cooling systems in buildings account for a significant amount of the global energy consumption, ground source heat pump (GSHP) systems are widely considered as being among the most efficient and comfortable heating and cooling renewable technologies currently available. Nevertheless, both an optimal design of components and an optimal operation of the system as a whole become crucial so that these systems can have a significant contribution to the attenuation of the global energy problem. The overall objective of this PhD dissertation is to perform the control and energy optimization of an experimental GSHP system installed at the Universitat Politècnica de València, making the control system adaptive to the thermal demand of the building and to the climate conditions. For that purpose, different control strategies are proposed, described, developed, implemented and tested in the system. The optimization of any system requires a comprehensive study of its behaviour, by means of a thorough analysis of all the variables and parameters implied on its performance. Therefore, the first step is to analyse the short-term performance of the system, but also the long-term performance based on the experimental data collected at the installation. Second and prior to developing any optimization strategies, it is important to analyse the optimal configuration of the system according to the objectives targeted. This objective includes the study of the best location for the temperature control sensor and the buffer tank, as well as an adequate size for this buffer tank. Finally, once the behaviour of the system has been fully understood, the components of the system are the most efficient according to the possibilities of the research work and they have been connected adequately, the final objective is to develop control and optimization strategies which optimize the operation of the experimental GSHP system. These strategies target the control of the heat pump compressor, but also and more importantly, the energy optimization of the complete system. The focus is not in optimizing the performance of each individual component, but in optimizing the energy performance of the system working as a whole. In this direction, a first approach which combined a temperature compensation strategy and the variation of the frequency of the water circulation pumps, and hence the flow rate, as a function of the thermal load of the building, was first attempted. The application of this first approach resulted in significant energy savings, but also in a lack of user comfort in some of the offices under extreme weather conditions during summer. Consequently, the control and optimization methodology has been upgraded in a global algorithm (which is the final result of this PhD thesis) which couples both strategies in order to ensure the user comfort while keeping significant energy savings. In brief, this PhD work provides a comprehensive experimental study for the energy optimization of a GSHP system for both cooling and heating operation. Experimental results for a one-year operation period demonstrate important energy savings when compared to the standard control operation, up to 35% in the summer season and 53% in the winter season, while keeping the user comfort. / [ES] En un contexto de creciente preocupación por el calentamiento global y de políticas energéticas internacionales, en el cual los sistemas de climatización en edificios representan una parte importante del consumo energético global, los sistemas de bomba de calor geotérmica están ampliamente considerados como una de las tecnologias de climatización de espacios más eficientes disponibles en la actualidad. Sin embargo, tanto un buen diseño de los componentes como una óptima operación del sistema son de vital importancia para que estos sistemas puedan contribuir de manera significativa a atenuar el problema energético global. El objetivo general de esta tesis doctoral es el control y la optimización energética de una instalación experimental de bomba de calor geotérmica construida en la Universitat Politècnica de València, haciendo que el sistema de control se adapte a la demanda térmica del edificio y a las condiciones climatológicas. Para ello, se proponen diferentes estrategias de control, las cuáles son descritas, desarrolladas, implementadas y evaluadas a lo largo de este trabajo de investigación. La optimización de cualquier sistema requiere un amplio estudio de su comportamiento, analizando concienzudamente todas las variables y parámetros implicados en su funcionamiento. Por tanto, el primer paso llevado a cabo es el análisis de los días típicos de funcionamiento de la instalación, pero también su comportamiento a más largo plazo, a partir de los datos experimentales recogidos. En segundo lugar, y como paso previo al desarrollo de las estrategias de optimización, es importante analizar la configuración óptima del sistema de acuerdo con los objetivos perseguidos. Este objetivo incluye el estudio de la posición del sensor de temperatura empleado para el control y del depósito de inercia, así como el dimensionamiento adecuado de este depósito. Finalmente, una vez se ha analizado en profundidad el funcionamiento del sistema, los componentes del mismo son lo más eficientes posible, y éstos han sido conectados de manera adecuada, el objetivo final es el desarrollo de estrategias de control y optimización energética que optimicen la operación de la instalación experimental de bomba de calor geotérmica. Estas estrategias se dirigen principalmente a la optimización del sistema completo. El objetivo no es optimizar el funcionamiento de cada componente de manera individual, sino optimizar el comportamiento energético del sistema trabajando como un todo. En este sentido, se desarrolló una primera metodología que combinaba la compensación de la temperatura de consigna de la bomba de calor en función de la temperatura ambiente exterior, y la variación de la frecuencia de las bombas de circulación (y por tanto el caudal de agua) en función de la carga térmica del edificio. La aplicación de esta primera estrategia resultó en una importante mejora del rendimiento energético, pero también en la pérdida de confort en algunas de las oficinas climatizadas cuando las condiciones climatológicas eran extremas durante el verano. En consecuencia, la metodología de control y optimización desarrollada fue mejorada dando como resultado un algoritmo global de optimización energética (que es el resultado final de esta tesis), el cual acopla ambas estrategias anteriores de manera que se cumpla el confort del usuario y se mantenga un ahorro de energía significativo. En resumen, esta tesis doctoral proporciona un estudio experimental exhaustivo de la optimización energética de un sistema de bomba de calor geotérmica para la climatización de un edificio de oficinas. Los resultados experimentales para un año completo de funcionamiento del sistema muestran un ahorro de energía significativo en comparación con el modo de control de referencia, hasta un 35% en modo refrigeración y un 53% en modo calefacción, a la vez que se mantiene el confort de los usuarios. / [CA] En un context de creixent preocupació per l'escalfament global i de polítiques energètiques internacionals, en el qual els sistemes de climatització en edificis representen una part important del consum energètic global, els sistemes de bomba de calor geotèrmica estan amplament considerats com una de les tecnologies de climatització més eficients disponibles en la actualitat pel que fa a la climatització d'espais. No obstant això, tant un bon disseny dels components com una operació òptima del sistema són de vital importància per tal que aquests sistemes puguen contribuir de manera significativa a atenuar el problema energètic global. L'objectiu general d'aquesta tesi doctoral és el control i l'optimització energètica d'una instal·lació experimental de bomba de calor geotèrmica construïda a la Universitat Politècnica de València, fent que el sistema de control s'adapte a la demanda tèrmica de l'edifici i a les condicions climatològiques. Amb aquest objectiu, es proposen diferents estratègies de control, les quals són descrites, desenvolupades, implementades i avaluades al llarg d'aquest treball d'investigació. L'optimització de qualsevol sistema requereix un ampli estudi del seu comportament, analitzant conscienciosament totes les variables i paràmetres implicats en el seu funcionament. Per tant, el primer pas duit a terme és l'anàlisi dels dies típics de funcionament de la instal·lació, però també el seu comportament a més llarg termini, a partir de les dades experimentals recollides. En segon lloc, i com pas previ al desenvolupament de les estratègies d'optimització, és important analitzar la configuració òptima del sistema d'acord als objectius perseguits. Aquest objectiu inclou l'estudi de la posició del sensor de temperatura emprat pel control i del dipòsit d'inèrcia, així com el correcte dimensionament d'aquest dipòsit. Finalment, una vegada s'ha analitzat en profunditat el funcionament del sistema, els components d'aquest són el més eficients possible, i han sigut connectats de manera adequada, l'objectiu final és el desenvolupament d'estratègies de control i optimització energètica les quals optimitzen l'operació de la instal·lació experimental de bomba de calor geotèrmica. Aquestes estratègies es dirigeixen principalment a l'optimització del sistema complet. L'objectiu no és optimitzar el funcionament de cada component de manera aïllada, sinó més bé optimitzar el comportament energètic del sistema treballant com un tot. En aquest sentit, es va desenvolupar una primera metodologia que combinava la compensació de la temperatura de consigna de la bomba de calor en funció de la temperatura ambient exterior, i la variació de la freqüència de les bombes de circulació (i per tant del cabdal d'aigua) en funció de la càrrega tèrmica de l'edifici. L'aplicació d'aquest primer apropament va resultar en una important millora del rendiment energètic, però també en la pèrdua de confort en algunes de les oficines climatitzades quan les condicions climatològiques eren extremes durant l'estiu. En conseqüència, la metodologia de control i optimització desenvolupada va ser millorada resultant en un algoritme global d'optimització energètica (resultat principal d'aquesta tesi), el qual acobla ambdues estratègies anteriors de manera que es complisca el confort de l'usuari i es mantinga un important estalvi d'energia. En resum, aquesta tesi doctoral proporciona un estudi experimental exhaustiu de l'optimit\-zació energètica d'un sistema de bomba de calor geotèrmica per la climatització d'un edifici d'oficines. Els resultats experimentals per un any complet de funcionament del sistema mostren un estalvi d'energia significatiu en comparació amb el mode de control de referencia, fins un 35% en mode refrigeració i un 53% en mode calefacció, a la vegada que es manté el confort dels usuaris. / Cervera Vázquez, J. (2016). Control and energy optimization of ground source heat pump systems for heating and cooling in buildings [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/66748

[EN] The main objective of this work is the modeling of diesel sprays under engine conditions, including the atomization, transport and evaporation processes pivotal in the diesel spray formation and its development. For this purpose, an Eulerian single fluid model, embedded in a RANS environment, is implemented in the CFD platform OpenFOAM. The modeling approach implemented here is based on the ⅀-Y model. The model is founded on the assumption of flow scales separation. In actual injection systems, it can be assumed that the flow exiting the nozzle is operating at large Reynolds and Weber numbers and thus, it is possible to assume a separation of features such as mass transport (large scales) from the atomization process occurring at smaller scales. The liquid/gas mixture is treated as a pseudo-fluid with variable density and which flows with a single velocity field. Moreover, the mean geometry of the liquid structures can be characterized by modeling the mean surface area of the liquid-gas interphase per unit of volume. Additionally, an evaporation model has been developed around the particular characteristics of the current engine technologies. This means that vaporization process is limited by fuel-air mixing rate and fuel droplets evaporate as long as there is enough air for them to heat up and vaporize. Consequently, the evaporation model is based on the Locally Homogeneous Flow (LHF) approach. Under the assumption of an adiabatic mixing, in the liquid/vapor region, the spray is supposed to have a trend towards adiabatic saturation conditions and to determine this equilibrium between phases Raoult's ideal law is considered. Finally, the spray model is coupled with an advanced combustion model based on approximated diffusion flames (ADF), which reduces the computational effort especially for complex fuels and is a natural step for modeling diesel sprays. First, the model is applied to a basic external flow case under non-vaporizing conditions, extremely convenient due to both the experimental database available and the symmetric layout which allows important simplification of the modeling effort. Good agreement between computational results and experimental data is observed, which encourages its application to a more complex configuration. Secondly, the model is applied to the "Spray A" from the Engine Combustion Network (ECN), under non-vaporizing conditions, in order to reproduce the internal structure of diesel sprays as well as to produce accurate predictions of SMD droplets sizes. Finally, vaporizing "Spray A" studies are conducted together with the baseline reacting condition of this database. The calculated spray penetration, liquid length, spray velocities, ignition delay and lift-off length are compared with experimental data and analysed in detail. / [ES] El objetivo principal de este trabajo es el modelado de chorros diésel en condiciones de motor, incluyendo los fenómenos de atomización, transporte y evaporación fundamentales en la formación y desarrollo del chorro. Para este fin, se implementa un modelo de spray euleriano de tipo monofluido en un entorno RANS en la plataforma CFD OpenFOAM. El enfoque de modelado aplicado aquí sigue la idea de un modelo del tipo ⅀-Y. El modelo se fundamenta en la hipótesis de separación de escalas del flujo. En los sistemas de inyección actuales, es posible asumir que el flujo que sale de la tobera opera a altos números de Reynolds y Webber y por tanto, es posible considerar la independencia de fenómenos como el transporte de masa (grandes escalas del flujo) de los procesos de atomización que ocurren a escalas menores. La mezcla líquido/gas se trata como un pseudo-fluido con densidad variable y que fluye según un único campo de velocidad. Además, la geometría promedio de las estructuras de líquido se puede caracterizar mediante el modelado de la superficie de la interfase líquido/gas por unidad de volumen. Completando el modelo de chorro, se ha desarrollado un modelo de evaporación alrededor de las características particulares de las tecnologías actuales de los motores. Esto supone que el proceso de evaporación está controlado por mezcla aire-combustible y las gotas de combustible se evaporan siempre que exista suficiente aire para calentarlas y evaporarlas. Debido a esto, el modelo de evaporación implementado está basado en el enfoque de Flujos Localmente Homogéneos (LHF). Considerando una mezcla adiabática, en la región líquido/vapor, se supone que el chorro tiende a las condiciones adiabáticas de saturación y para determinar este equilibrio entre fases, se utiliza la ley ideal de Raoult. Finalmente, el modelo de chorro se acopla con un modelo avanzado de combustión basado en llamas de difusión aproximadas (ADF), que reduce el coste computacional especialmente para combustibles complejos y supone el paso lógico en el desarrollo del modelo para simular chorros diesel. En primer lugar, el modelo se aplica al cálculo de un caso básico de flujo externo no evaporativo, muy adecuado tanto por la extensa base de datos experimentales disponible como por la simetría geométrica que presenta, permitiendo una importante simplificación de la simulación. Los resultados obtenidos presentan un buen acuerdo con los experimentos, lo cual estimula su aplicación en configuraciones más complejas. En segundo lugar, el modelo se aplica al cálculo del "Spray A" del Engine Combustion Network (ECN), no evaporativo, para reproducir la estructura interna del chorro diesel así como predecir tamaños de gota (SMD) de forma precisa. Finalmente, se realizan estudios evaporativos del "Spray A" junto con la condición nominal reactiva de esta base de datos. La penetración de vapor, la longitud líquida, velocidad, el tiempo de retraso y la longitud de despegue de llama calculados se comparan con los datos experimentales y se analizan en detalle. / [CA] L'objectiu principal d'aquest treball és el modelatge de dolls dièsel en condicions de motor, incloent els fenòmens d'atomització, transport i evaporació fonamentals en la formació i desenvolupament del doll. Amb aquesta finalitat, s'implementa un model de doll eulerià de tipus monofluid en un entorn RANS a la plataforma CFD OpenFOAM. L'enfocament de modelatge aplicat ací segueix la idea d'un model del tipus ⅀-Y. El model es fonamenta en la hipòtesi de separació d'escales del flux. En els sistemes d'injecció actuals, és possible assumir que el flux que surt de la tovera opera a alts nombres de Reynolds i Webber, i per tant és possible considerar la independència de fenòmens com el transport de massa (grans escales del flux) dels processos d'atomització que ocorren a escales menors. La mescla líquid / gas es tracta com un pseudo-fluid amb densitat variable i que flueix segons un únic camp de velocitat. A més, la geometria mitjana de les estructures de líquid es pot caracteritzar mitjançant el modelatge de la superfície de la interfase líquid / gas per unitat de volum. Completant el model, s'ha desenvolupat un model d'evaporació al voltant de les característiques particulars de les tecnologies actuals dels motors. Això suposa que el procés d'evaporació està controlat per la mescla aire-combustible i les gotes de combustible s'evaporen sempre que hi hagi suficient aire per escalfar i evaporar. A causa d'això, el model d'evaporació implementat està basat en el plantejament de fluxos Localment Homogenis (LHF). Considerant una mescla adiabàtica, a la regió líquid / vapor, se suposa que el doll tendeix a les condicions adiabàtiques de saturació i per determinar aquest equilibri entre fases, s'utilitza la llei ideal de Raoult. Finalment, el model de doll s'acobla amb un model avançat de combustió basat en flamelets de difusió aproximades (ADF), que redueix el cost computacional especialment per a combustibles complexos i suposa el pas lògic en el desenvolupament del model per simular dolls dièsel. En primer lloc, el model s'aplica al càlcul d'un cas bàsic de flux extern no evaporatiu, molt adequat tant per l'extensa base de dades experimentals disponible com per la simetria geomètrica que presenta, permetent una important simplificació de la simulació. Els resultats obtinguts presenten un bon acord amb els experiments, la qual cosa estimula la seva aplicació en configuracions més complexes. En segon lloc, el model s'aplica al càlcul del "Spray A" no evaporatiu de la xarxa Engine Combustion Network (ECN), per reproduir l'estructura interna del doll dièsel així com predir mides de gota (SMD) de forma precisa. Finalment, es realitzen estudis evaporatius del "Spray A" juntament amb la condició nominal reactiva d'aquesta base de dades. La penetració de vapor, la longitud líquida, velocitat, el temps de retard i la longitud d'enlairament de flama calculats es comparen amb les dades experimentals i s'analitzen en detall. / Pandal Blanco, A. (2016). Implementation and Development of an Eulerian Spray Model for CFD simulations of diesel Sprays [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/68490

[EN] In the first part of the current thesis, two fundamental numerical models (Fin2D-W and Fin1D-MB) for analyzing the air-side performance of minichannel evaporators were developed and verified. The Fin2D-W model applies a comprehensive two-dimensional scheme to discretize the evaporator. On the other hand, the Fin1D-MB model is based on the one-dimensional fin theory in conjunction with the moving boundaries technique along the fin height. The first objective of the two presented models is to identify and quantify the most influential phenomena encountered in the process of cooling and dehumidification. The second objective is to study the impact of the classical modeling assumptions on the air-side performance of minichannel evaporators. Different comparative studies between the traditional Effectiveness-NTU approach and the proposed numerical models were implemented to achieve the mentioned goals. The results revealed that the modeling assumptions which have the most significant impacts on the heat and mass transfer rates are: the uniform air properties along the fin height, adiabatic-fin-tip at half the height, and negligence of partial dehumidification scenarios. These widely used assumptions resulted in substantial deviations in total heat transfer rate, up to 52%, between the Effectiveness-NTU approach and Fin2D-W model. In the second part of the thesis, the Fin1D-MB model was integrated into the IMST-ART® simulation tool to evaluate the global performance of minichannel evaporators (air- and refrigerant-side). The Fin1D-MB model was selected because of its simplicity, calculation speed, and reasonable solution accuracy relative to the Fin2D-W model. The validation of the complete Fin1D-MB model was conducted against many experimental data and numerical models available in the literature. The validation process was achieved for different heat exchanger geometries, refrigerants, and operating conditions. The results showed that for the R134a minichannel evaporators studied, the Fin1D-MB model successfully predicted the Inlet refrigerant and outlet air temperatures, cooling capacity, and refrigerant-side pressure drop within error bands of ±0.5 ºC, ±5%, and ±20%, respectively. For the CO2 (R744) minichannel evaporator studied, the presented model estimated the cooling capacity and outlet air temperature within error bands of ±10% and ±1.0 ºC, respectively. Regarding the CO2 pressure drop, the Fin1D-MB model generally underpredicted the pressure drop values compared to the experimental data, with a maximum deviation of 11 kPa. / [ES] En la primera parte de la tesis actual, dos modelos numéricos fundamentales (Fin2D-W y Fin1D-MB) para analizar el lado del aire de los evaporadores de minicanales se han desarrollado y verificado. El modelo Fin2D-W aplica un esquema detallado de dos dimensiones para discretizar el evaporador mientras que el modelo Fin1D-MB se basa en la teoría de la aleta unidimensional junto con la técnica de fronteras móviles para el lado del aire. El primer objetivo de los dos modelos presentados es identificar y cuantificar los fenómenos más influyentes encontrados en el proceso de enfriamiento y deshumidificación. El segundo objetivo es estudiar el impacto de las hipótesis comúnmente usadas en el modelado de la transmisión de calor del aire de los evaporadores de minicanales. Se implementaron diferentes estudios comparativos entre el enfoque tradicional Effectiveness-NTU y los modelos numéricos propuestos para alcanzar los objetivos mencionados. Los resultados muestran que las hipótesis que provocan una mayor desviación con respecto a la solución detallada en la transferencia de calor y masa son: propiedades de aire uniforme a lo largo de la altura de la aleta, extremo adiabático de aleta a mitad de su longitud, y no contemplar el supuesto de deshumidificación parcial en la aleta. Estas hipótesis ampliamente utilizadas han resultado en errores importantes en la transferencia de calor total, hasta un 52%, entre el enfoque Effectiveness-NTU y el modelo Fin2D-W. En la segunda parte de la tesis, el modelo Fin1D-MB se integró en la herramienta de simulación IMST-ART® para evaluar el rendimiento global de los evaporadores de minicanales (en el lado del aire y del refrigerante). El modelo Fin1D-MB se seleccionó gracias a su simplicidad, velocidad de cálculo, y solución de una precisión razonable relativa al modelo Fin2D-W. Se realizó una validación del modelo completo Fin1D-MB con la ayuda de datos experimentales y modelos numéricos ya disponibles en la literatura. El modelo se ha validado para diferentes geometrías de intercambiadores de calor, refrigerantes y condiciones de funcionamiento. Los resultados han mostrado que para los evaporadores de minicanales funcionando con el refrigerante R134a, el modelo Fin1D-MB predice de manera correcta las temperaturas de entrada del refrigerante y de salida del aire, la capacidad de enfriamiento, y la caída de presión del lado de refrigerante dentro de las bandas de error de ±0.5 ºC, ±5%, y ±20%, respectivamente. Para el evaporador de minicanales con CO2 (R744) estudiado, el modelo estima la capacidad de refrigeración y la temperatura de salida del aire dentro de las bandas de error de ±10% y ±1.0 ºC, respectivamente. En cuanto a la caída de presión de CO2, el modelo Fin1D-MB generalmente predice a la baja los valores de la caída de presión en comparación con los datos experimentales, con una desviación máxima de 11 kPa. / [CA] A la primera part de la tesi actual, dos models numèrics fonamentals (Fin2D-W i Fin1D-MB) per analitzar el costat de l'aire dels evaporadors de minicanals s'han desenvolupat i verificat. Al model Fin2D-W s'aplica un esquema detallat de dues dimensions per discretitzar l'evaporador mentre que al model Fin1D-MB es basa en la teoria d'aleta unidimensional juntament amb la tècnica de frontera mòbil per al costat de l'aire. El primer objectiu dels dos models presentats és identificar i quantificar els fenòmens més influents trobats en el procés de refredament i deshumidificació. El segon objectiu és estudiar l'impacte de les hipòtesis comunament utilitzades en el modelatge de la transmissió de calor de l'aire dels evaporadors de minicanals. Es van implementar diferents estudis comparatius entre l'enfocament tradicional Effectiveness-NTU i els models numèrics proposats per assolir els objectius esmentats. Els resultats mostren que les hipòtesis que provoquen una major desviació respecte a la solució detallada a la transferència de calor i massa són: propietats d'aire uniforme al llarg de l'altura de l'aleta, extrem adiabàtic d'aleta a la meitat de la seua longitud, i no contemplar el supòsit de deshumidificació parcial en l'aleta. Aquestes hipòtesis àmpliament utilitzades donen errors importants en la transferència de calor total, fins a un 52%, entre l'enfocament Effectiveness-NTU i el model Fin2D-W. A la segona part de la tesi, el model Fin1D-MB es va integrar en l'eina de simulació IMST-ART® per avaluar el rendiment global dels evaporadors de minicanals (al costat de l'aire i del refrigerant). El model Fin1D-MB es va seleccionar gràcies a la seva simplicitat, velocitat de càlcul, i solució d'una precisió raonable relativa al model Fin2D-W. Es va realitzar una validació del model complet Fin1D-MB amb l'ajuda de dades experimentals i models numèrics ja disponibles a la literatura. El model s'ha validat per a diferents geometries d'intercanviadors de calor, refrigerants i condicions de funcionament. Els resultats mostren que per als evaporadors de minicanals funcionant amb el refrigerant R134a, el model Fin1D-MB prediu de manera correcta les temperatures d'entrada del refrigerant i de sortida de l'aire, la capacitat de refreda-ment, i la caiguda de pressió del costat de refrigerant dins de les bandes d'error de ±0.5 ºC, ±5%, i ±20%, respectivament. Per a l'evaporador de minicanals amb CO2 (R744) estudiat, el model estima la capacitat de refrigeració i la temperatura de sortida de l'aire dins de les bandes d'error de ±10% i ±1.0 ºC, respectivament. Pel que fa a la caiguda de pressió de CO2, el model Fin1D-MB generalment prediu a la baixa els valors de la caiguda de pressió en comparació amb les dades experimentals, amb una desviació màxima d'11 kPa. / Hassan, AHA. (2016). Development and Validation of a Minichannel Evaporator Model under Dehumidification [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/71357

[EN] The main objective of this doctoral thesis is the development of a comprehensive methodology to perform and analyse the thermal balance of reciprocating engines, based on experimental and theoretical techniques. Starting from previous works carried out in the research group, which are related to combustion diagnosis and thermal management, a methodology to analyse the thermal balance from two points of view was proposed: on the one hand, the external point of view, mainly based on experimental measurements, and on the other hand, the internal point of view, based on modelling. The combination of both approaches allows the necessary model adjustment, along with a detail characterization of the different energy flows. Apart from the thermal balance methodology, several proposals to model some internal processes have been provided, being noteworthy the sub-models for heat transfer to the chamber walls, the ports and between the oil and coolant. Besides, detailed mechanical losses model was also developed. With the aim of ensuring the models reliability and robustness, an integral uncertainty adjustment methodology is proposed, which allows determining some parameters affecting the thermodynamic properties within the chamber and the sub-models adjustment. The analysis and calibration methodology is flexible enough to be applied in different types of engines and combustion modes, thus ensuring its generality. To demonstrate the methodology potential, it is finally applied to analyse specific parametric studies in two engines, showing its usefulness for both diagnostic and predictive applications. / [ES] El objetivo principal de la presente tesis doctoral es el desarrollo de una metodología integral que permita analizar el balance de energía en motores de combustión interna alternativos, mediante la combinación de diferentes técnicas experimentales y teóricas. Para ello, partiendo de varios trabajos previos realizados en el grupo de investigación en temas relacionados con diagnóstico de la combustión y gestión térmica del motor, se ha propuesto una separación del análisis energético en dos puntos de vista: exterior, basado principalmente en medidas experimentales e interior, fundamentalmente basado en modelado. La combinación de ambos enfoques permite el necesario ajuste de los modelos, así como la caracterización completa y fiable de los flujos de energía en el motor. Junto a la metodología del balance energético, se han aportado una serie de propuestas para el modelado de diferentes procesos internos, entre los que destacan los modelos de transmisión de calor a las paredes de la cámara de combustión, a las pipas y entre el aceite y el refrigerante, así como un modelo detallado de pérdidas mecánicas. Con el fin de garantizar la robustez y fiabilidad de dichos modelos, se ha propuesto una metodología de ajuste de incertidumbres que permite obtener el valor de varios parámetros que afectan al cálculo de las condiciones termodinámicas en la cámara, así como el ajuste de los diferentes modelos propuestos. La metodología de análisis y calibración es suficientemente flexible para ser aplicada a motores de características y modos de combustión diferentes, asegurando así la generalidad de la herramienta. Para mostrar su potencial, se ha aplicado a dos motores en estudios paramétricos específicos, verificándose su utilidad como herramienta tanto de diagnóstico como para su uso en aplicaciones predictivas. / [CA] L'objectiu principal de la present tesi doctoral és el desenrotllament d'una metodologia integral que permeta analitzar el balanç d'energia en motors de combustió interna alternatius, per mitjà de la combinació de diferents tècniques experimentals i teòriques. Per a això, partint de diversos treballs previs realitzats en el grup d'investigació en temes relacionats amb diagnòstic de la combustió i gestió tèrmica del motor, s'ha proposat una separació de l'anàlisi energètica en dos punts de vista: exterior, basat principalment en mesures experimentals i interior, fonamentalment basat en modelatge. La combinació d'ambdós enfocaments permet el necessari ajust dels models, així com la caracterització detallada dels diferents fluxos energètics. Junt amb la metodologia del balanç energètic, s'han aportat una sèrie de propostes per al modelatge de diferents processos interns, entre els que destaquen els models de transmissió de calor a les parets de la cambra de combustió, a les pipes i entre l'oli i el refrigerant, així com un model detallat de pèrdues mecàniques. A fi de garantir la robustesa i fiabilitat dels dits models, s'ha proposat una metodologia integral d'ajust d'incerteses que permet obtindre el valor de diversos paràmetres que afecten el càlcul de les condicions termodinàmiques en la cambra, així com l'ajust dels diferents models proposats. La metodologia d'anàlisi i calibratge és prou flexible per a ser aplicada a motors de característiques i modes de combustió diferents, assegurant així la generalitat de la ferramenta. Per a mostrar el seu potencial, finalment s'ha aplicat a dos motors en estudis paramètrics específics, verificant la seua utilitat tant com a ferramenta de diagnòstic com en aplicacions predictives. / Carreño Arango, R. (2016). A comprehensive methodology to analyse the Global Energy Balance in Reciprocating Internal Combustion Engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/73069

The main objective of this thesis is to study the feasibility of implementing hybrid techniques based on isolated infrared thermography and Machine Learning techniques in the maintenance of water distribution networks. Specifically, it seeks to study how such tools, based on nondestructive testing (NDT), are suitable for visualization of infrastructure elements and detection of leaks. Water supply for humans becomes complex as time passes, the population increases and as a result of the demand variation. The supply networks are modified to provide the increasing demand, while the updating of the information related to the system is sometimes not recorded simultaneously. Typically, irrespective of the kind of maintenance that is carried out in the distribution network, the pipes become old, and the systems deteriorate and stop working optimally. There are other reasons for a malfunction of the network including poor operation, deterioration or leakage, the latter being a complex problem that entails many drawbacks. Non-visible leaks can mean water loss, as long as they are not repaired, and also indirect damage, depending on the age of leaks or how large they are. Thermography can function as a means of artificial vision, which can lead to early correction of leaks. It has as an advantage that, as it is a technique for non-destructive evaluation, it does not interfere with the medium. It is intended that, by analyzing the infrared images provided by the thermographic camera, it is possible to isolate areas that are suspected of containing a leak. The imaging has a very positive characteristic because it does not have a restrictive use by hour of the day or condition of temperature. Moreover, Machine Learning methods can help classify/obtain information through huge amounts of data. Such techniques can be incorporated into current SCADA systems and, through realtime data, provide information on possible leakage points. Valuable information can be extracted, after processing, from the large amount of data that is received. / La presente Tesis tiene como principal objetivo estudiar la viabilidad de implementación híbrida de técnicas basadas en la termografía infrarroja aislada y técnicas de Machine Learning en el mantenimiento de redes de distribución de agua. Concretamente, se busca estudiar cómo tales herramientas, a base de ensayos no destructivos (END), son adecuadas para la visualización de elementos de la infraestructura y para la detección de fugas. El abastecimiento de agua para el ser humano se torna complejo a medida que pasa el tiempo, la población aumenta, y como consecuencia de la evolución de la demanda. Las redes de abastecimiento se ven modificadas para poder suministrar un servicio en aumento, mientras que la actualización de la información referente al sistema, en ocasiones, no se registra a la par. Como es natural, a pesar del mantenimiento que se lleve a cabo en la red de distribución, las tuberías envejecen, y los sistemas se deterioran y dejan de funcionar de manera óptima. Existen otros motivos para un mal funcionamiento de la red incluyendo mala operación, deterioros o fugas, siendo estas últimas un problema complejo que acarrea muchos inconvenientes. Las fugas no visibles pueden significar pérdidas de agua, mientras no sean reparadas, y daños indirectos, según sea el tiempo que lleve la fuga o la magnitud que posea. La termografía puede funcionar como un medio de visión artificial, que puede conducir a la visualización de la infraestructura, ayudando, en particular a la corrección temprana de fugas. Cuenta como ventaja que, al tratarse de una técnica de evaluación no destructiva, no interfiere con el medio. Se pretende que, analizando las imágenes de infrarrojos provistas por la cámara termográfica, sea posible aislar áreas que sean sospechosas de contener fugas. La toma de imágenes tiene una característica muy positiva pues no posee una restrictiva de uso por hora del día o condición de temperatura. Por otra parte, los métodos de Machine Learning pueden ayudar a clasificar/obtener información a partir de grandes cantidades de datos. Tales técnicas pueden ser incorporadas en los sistemas SCADA actuales y, mediante datos en tiempo real, proporcionar información sobre posibles puntos de fuga. De la gran cantidad de datos que se reciben, tras un procesamiento adecuado, se puede extraer información altamente valiosa. / La present Tesi té com a principal objectiu estudiar la viabilitat d'implementació de tècniques hibrides basades en la termografia infraroja aïllada i tècniques de Machine Learning, en el manteniment de xarxes de distribució d'aigua. Concretament, es busca estudiar com tals eines a força d'assajos no destructius (AND) són adequades per a la visualització d'infraestructura y la detecció de fuites. El proveïment d'aigua per a l'ésser humà es torna complex a mesura que passa el temps, la població augmenta i com a conseqüència de la demanda. Les xarxes d'abastament es veuen modificades per suplir el servei augmentant, i l'actualització de la informació referent al projecte de vegades no es registra a l'una. Com és natural tot i el manteniment que es dugui a terme a la xarxa de distribució, les canonades envelleixen, els sistemes es deterioren i deixen de funcionar de manera òptima. Hi ha altres motius per un mal funcionament de la xarxa incloent mala operació, edat, deterioraments o fuites, sent aquestes últimes un problema complex que implica molts inconvenients. Les fuites no visibles poden significar pèrdues d'aigua, mentre no siguin reparades, i danys indirectes, segons sigui el temps que porti la fugida o la magnitud que tingui. La termografia pot funcionar com un mitjà de visió artificial, que pot conduir a una correcció primerenca de fuites. Compte com avantatge que, en tractar-se d'una tècnica per a l'avaluació no destructiva, no interfereix amb el medi. Es pretén que, analitzant les imatges d'infrarojos proveïdes per la càmera, sigui possible aïllar àrees que siguin sospitoses de contenir una fuita. La presa d'imatges té una característica molt positiva ja que no posseeix una restrictiva d'ús per hora del dia o condició de temperatura. D'altra banda, els mètodes de Machine Learning poden ajudar a classificar / obtenir informació per mitjà de dades vasts i vàlids. Tals tècniques poden ser incorporades en els sistemes SCADA actuals i, mitjançant dades en temps real, proporcionar informació sobre possibles punts de fuga. De la gran quantitat de dades que es reben, després processar-los, es pot extreure informació altament valuosa. / Carreño Alvarado, EP. (2017). Termografía y herramientas computacionales como técnica híbrida no destructiva para la visualización de infraestructura y fugas en redes de agua [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86176