[ES] La energía geotérmica de baja entalpía es una alternativa eficiente y renovable a los sistemas convencionales para proporcionar calefacción, refrigeración y producir agua caliente sanitaria (ACS) de forma sostenible. El proyecto GEOTeCH plantea el desarrollo de sistemas con bomba de calor geotérmica más eficientes y con un coste menor en comparación con el mercado. Para ello, se ha desarrollado un nuevo tipo de intercambiador enterrado coaxial con flujo helicoidal en el tubo externo que presenta una mayor eficiencia y permite reducir la longitud de intercambiador a instalar, así como una bomba de calor dual con compresor de velocidad variable, capaz de trabajar con el terreno o el aire como fuente/sumidero, seleccionando la que proporcione un mejor rendimiento del sistema. El principal objetivo es desarrollar un sistema eficiente y replicable para proporcionar calefacción, refrigeración y producir ACS en el sector de mercado de pequeños edificios con un tamaño menor en el campo de intercambiadores enterrados y un aumento de la eficiencia. Para demostrar la aplicabilidad de estos sistemas, se han construido tres instalaciones demostración en tres países europeos. En esta tesis doctoral se ha desarrollado un modelo dinámico completo del sistema en el software TRNSYS, capaz de reproducir el comportamiento de los diferentes componentes y del sistema en general. Este modelo constituye una herramienta útil para el desarrollo y análisis de diferentes estrategias de control sin la necesidad de implementarlas en instalaciones reales, así como analizar el comportamiento del sistema funcionando bajo condiciones diferentes. Para este propósito, es necesario desarrollar modelos detallados de los nuevos componentes desarrollados en el proyecto: el intercambiador enterrado coaxial helicoidal y la bomba de calor dual; para poder acoplarlos al resto de componentes en el modelo completo del sistema. Por ello, se ha desarrollado un modelo dinámico del nuevo intercambiador, capaz de reproducir con precisión el comportamiento a corto plazo del intercambiador, enfocado a la evolución de la temperatura del fluido, y se ha validado con datos experimentales en diferentes condiciones de operación. Para poder reproducir no solo el comportamiento dinámico del intercambiador enterrado, sino también la respuesta a largo plazo del terreno y la interacción entre intercambiadores en un campo, se ha desarrollado otro modelo en TRNSYS que realiza esta función. De esta manera, al acoplar ambos modelos es posible reproducir el comportamiento a corto plazo del intercambiador enterrado a la vez que la respuesta a largo plazo del terreno. Por otro lado, se ha implementado en TRNSYS un modelo de la bomba de calor dual desarrollado. Con este modelo es posible calcular la capacidad de la bomba de calor dependiendo del modo de operación en que esté funcionando, de la frecuencia del compresor y otras variables y condiciones de operación. El modelo del sistema dual en TRNSYS se ha utilizado para hacer un análisis de su comportamiento funcionando en diferentes climas, para ello se han seleccionado tres ciudades en España y en Europa con diferentes climas y se han realizado simulaciones del sistema funcionando en cada ciudad. Por otro lado, también se ha modelado en TRNSYS una de las instalaciones demostración del proyecto GEOTeCH, incluyendo el edificio climatizado y el acoplamiento con los fan coils. Con este modelo se estudia una nueva estrategia para controlar la frecuencia del compresor en base a la temperatura de las habitaciones, en lugar de controlarla en base a la temperatura de suministro, con el objetivo de reducir el consumo del compresor cuando ya se haya conseguido el confort. Además, otras estrategias de optimización se han analizado con el modelo.Por tanto, los modelos desarrollados constituyen herramientas útiles para ayudar en el diseño del sistema y los diferentes componentes, el análisis de su comportamiento y el d / [CA] L'energia geotèrmica de baixa entalpia es planteja com una alternativa eficient i renovable als sistemes convencionals per proporcionar calefacció, refrigeració i produir aigua calenta sanitària (ACS) de forma sostenible. El projecte GEOTeCH planteja el desenvolupament de sistemes amb bomba de calor geotèrmica més eficients i amb un cost menor en comparació amb el mercat. Per a això, s'ha desenvolupat un nou tipus d'intercanviador enterrat coaxial amb flux helicoïdal en el tub extern que presenta una major eficiència i permet reduir la longitud a instal·lar, així com una bomba de calor dual amb compressor de velocitat variable, capaç de treballar amb el terreny o l'aire com a font, seleccionant la que proporcione un millor rendiment. Aquests components s'utilitzen en el nou sistema amb bomba de calor dual. El principal objectiu és desenvolupar un sistema eficient i replicable per proporcionar calefacció, refrigeració i produir ACS en edificis xicotets amb una grandària menor d'intercanviadors soterrats i un augment de l'eficiència. Per demostrar l'aplicabilitat d'aquests sistemes, s'han construït tres instal·lacions demostració en Itàlia, Països Baixos i Regne Unit. En aquesta tesi s'ha desenvolupat un model dinàmic complet del sistema en TRNSYS, capaç de reproduir el comportament dels components i del sistema en general. Aquest model constitueix una eina útil per al desenvolupament i anàlisi de diferents estratègies de control sense la necessitat d'implementar-les en instal·lacions reals, així com analitzar el comportament del sistema funcionant en condicions diferents. Per a això, cal desenvolupar models detallats dels nous components desenvolupats en el projecte: l'intercanviador enterrat i la bomba de calor dual; per poder acoblar-los a la resta de components. Per això, s'ha desenvolupat un model dinàmic del nou intercanviador enterrat, capaç de reproduir amb precisió el comportament a curt termini de l'intercanviador, enfocat a l'evolució de la temperatura del fluid, i s'ha validat amb dades experimentals en diferents condicions d'operació. Per a poder reproduir no només el comportament dinàmic de l'intercanviador soterrat, sinó també la resposta a llarg termini del terreny i la interacció entre intercanviadors en un camp, s'ha desenvolupat un altre model en TRNSYS que realitza aquesta funció. D'aquesta manera, en acoblar els dos models és possible reproduir el comportament a curt termini de l'intercanviador enterrat, al mateix temps que la resposta a llarg termini del terreny. D'altra banda, s'ha implementat en TRNSYS un model de la bomba de calor. Amb aquest model és possible calcular la capacitat de la bomba de calor depenent del mode d'operació en què estiga funcionant, de la freqüència del compressor i altres variables i condicions d'operació. El model del sistema dual en TRNSYS s'ha utilitzat per a fer una anàlisi del seu comportament funcionant en diferents climes, per a això s'han seleccionat tres ciutats a Espanya i tres a Europa amb diferents climes i s'han realitzat simulacions del sistema funcionant en cada ciutat durant un any. S'ha analitzat l'eficiència del sistema en cada ciutat, així com l'ús de cadascuna de les fonts (aire / terreny). D'altra banda, també s'ha modelat en TRNSYS una de les instal·lacions demostració del projecte GEOTeCH, incloent l'edifici d'oficines climatitzat i l'acoblament amb els fan coils. Amb aquest model es pretén estudiar una nova estratègia per a controlar la freqüència del compressor d'acord amb la temperatura de les habitacions, en lloc de controlar-la en base a la temperatura de subministrament, amb l'objectiu de reduir el consum del compressor quan les habitacions ja es troben en condicions de confort. A més, altres estratègies d'optimització s'han analitzat amb el model. Per tant, els models desenvolupats constitueixen eines útils per ajudar en el disseny del sistema i els diferents components, l'anàlisi del / [EN] Low enthalpy geothermal energy is considered as an efficient and renewable alternative to conventional systems to provide heating, cooling and Domestic Hot Water (DHW) production in a sustainable way. In this context, the GEOTeCH project proposes the development of more efficient geothermal heat pump systems with a lower cost compared to the market. To this end, a new type of coaxial Borehole Heat Exchanger (BHE) with helical flow through the outer tube has been developed, which presents a higher efficiency and allows to reduce the length of the heat exchanger to be installed, as well as a Dual Source Heat Pump (DSHP) with variable speed compressor, capable of working with the ground or air as a source / sink, selecting the one that provides the best performance of the system. These components are used in the new DSHP system developed. The main objective is to develop efficient and replicable systems to provide heating, cooling and DHW in the market sector of small buildings with a smaller size of the BHE field and an increase in the efficiency. To demonstrate the applicability of these systems, three demonstration facilities have been installed in Italy, the Netherlands and the UK. In this thesis, a complete dynamic model of the system has been developed in the TRNSYS software, capable of reproducing the behavior of the different components and the system in general. This model is a useful tool for the development and analysis of different control strategies without the need to implement them in real installations, as well as analyses the behavior of the system operating under different conditions. For this purpose, it is necessary to develop detailed models of the new components developed in the project: the BHE and the DSHP; to couple them to the rest of the components of the system. For this reason, a dynamic model of the new BHE was developed, able to accurately reproduce its short-term behavior, focused on the evolution of the fluid temperature, and validated with experimental data in different operating conditions. In order to reproduce not only the dynamic behavior of the BHE, but also the long-term response of the ground and the interaction between BHEs in a field, another model was developed in TRNSYS. In this way, by coupling both models, it is possible to reproduce the short-term behavior of the BHE as well as the long-term response of the ground. On the other hand, a model of the DSHP was implemented in TRNSYS. With this model, it is possible to calculate the capacity of the heat pump depending on the operating mode in which it is operating, the frequency of the compressor and other variables and operating conditions. The model of the hybrid system in TRNSYS has been used to make an analysis of its behavior working in different climatic conditions, for which three cities have been selected in Spain and three in Europe, with different climates. So, different simulations of the system have been carried out in each city for one year. The efficiency of the system in each city has been analyzed, as well as the use of each of the sources (air / ground). On the other hand, one of the demo-sites of the GEOTeCH project, including the conditioned office building and the coupling with the fan coils, has also been modelled in TRNSYS. With this model, it is studied a new strategy to control the frequency of the compressor based on the temperature of the rooms, instead of controlling it based on the supply temperature, with the aim of reducing the consumption of the compressor when the rooms are already in comfort conditions. In addition, other optimization strategies have been analyzed with the model. Therefore, the models developed, both for the BHE and the system, are able to reproduce their operation and can be used as virtual installations, constituting useful tools to help in the design of the system and the different components, the analysis of their behavior and the development of optimization strategies. / I would like to acknowledge the financial support that has made this PhD thesis possible. The present work has been supported by the European Community Horizon 2020 Program for European Research and Technological Development (2014-2020) inside the framework of the project 656889 – GEOTeCH (Geothermal Technology for Economic Cooling and Heating), also by the Generalitat Valenciana inside the program “Ayudas para la contratación de personal investigador en formación de carácter predoctoral (ACIF/2016/131)” and by the Institute for Energy Engineering of the Universitat Politècnica de València. / Cazorla Marín, A. (2019). MODELLING AND EXPERIMENTAL VALIDATION OF AN INNOVATIVE COAXIAL HELICAL BOREHOLE HEAT EXCHANGER FOR A DUAL SOURCE HEAT PUMP SYSTEM [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/125696

[ES] Las actuales y futuras normativas, en términos de emisiones contaminantes y movilidad sostenible, continuarán fijando una difícil etapa para el desarrollo y mejoramiento de los motores de combustión interna alternativos (MCIA). Los nuevos parámetros conocidos como, emisiones reales de conducción, los cambios de altitud y las condiciones extremas de operación a bajas temperaturas, son los mayores desafíos para cumplir bajo estas nuevas normativas. Por esta razón, la academia y los fabricantes de la industria de la automoción continúan trabajando en colaboración, tratando de desarrollar más eficientes y menos contaminantes sistemas de propulsión. En este trabajo experimental de investigación, los principales resultados de un proyecto de colaboración llevado a cabo entre la empresa Valeo Systèmes Thermiques y la Universitat Poltècnica de València son presentados. La recirculación de gases de escape, en sus dos configuraciones, de alta y de baja presión, y la desactivación de cilindros, son las principales estrategias que se estudiarán en este trabajo, debido a su alto potencial y su bajo costo de implementación. Estas estrategias son evaluadas en un motor Diesel, instalado en una cámara de ensayos climática y operando a bajas temperaturas ambiente (-7°C). La primera estrategia, es la activación de la EGR de alta presión desde el inicio de un arranque de motor y el desarrollo de un modelo de condensación simple capaz de predecir si hay o no condensación dentro de la línea de EGR bajo estas condiciones. En particular, el ratio de humedad y las condiciones internas del motor que caracterizan la aparición de este fenómeno son calculadas por el modelo. Este modelo es validado por medio de cámaras instaladas en el rail de EGR con el objetivo de visualizar la evolución de la condensación dentro de los componentes. El ratio de humedad calculado y el comportamiento de la condensación observado a través de las cámaras, muestran que durante un arranque de motor en frío, las condiciones de condensación en los gases están presentes hasta que se alcanzan aproximadamente 50°C, mientras que en las paredes sólidas y en los componentes, las condiciones se mantienen hasta que se alcanzan aproximadamente 30°C. En la segunda estrategia, una nueva línea de EGR compacta, equipada con un sistema de bypass para el intercambiador de calor es usada con el objetivo de acelerar el proceso de calentamiento del motor en comparación a la línea de EGR de baja presión original del motor. El objeto de esta estrategia es evaluar el impacto en el comportamiento del motor de realizar EGR de baja presión a bajas temperaturas con la activación del sistema de bypass para deshabilitar el intercambiador de calor. Siguiendo esta estrategia, una notable reducción en emisiones de NOx de aproximadamente 60% con respecto a un caso de referencia sin activación de la EGR de baja presión es lograda. Además, el proceso de calentamiento del motor ha sido reducido en aproximadamente 60 segundos y la temperatura de admisión del motor ha sido aumentada en 30°C, liderando una reducción en las emisiones de CO de aproximadamente 12%. En la tercera estrategia, el impacto de usar una nueva configuración de la desactivación de cilindros con el propósito de acelerar el proceso de calentamiento del motor es evaluada. Los resultados muestran un incremento en la temperatura de escape de alrededor de 100°C, el cual permite reducir la activación del catalizador en 250 segundos además de reducir el proceso de calentamiento del motor en aproximadamente 120 segundos. Esto permite reducir las emisiones de CO y HC en un 70% y 50%, respectivamente. Y finalmente, la última estrategia experimental realizada, evalúa el impacto de usar la EGR de alta presión mientras el filtro de partículas está en el modo activo de regeneración. Siguiendo esta posible condición de calibración de motor, una reducción en emisiones de NOx de aproximadamente 50% con respecto a un caso de referencia ha sido alcanzada. / [CA] Les actuals i futures normatives, en termes d'emissions contaminants i mobilitat sostenible, continuaran fixant una difícil etapa per al desenvolupament i millorament dels motors de combustió interna alternatius (MCIA). Els nous paràmetres coneguts com, emissions reals de conducció, els canvis d'altitud i les condicions extremes d'operació a baixes temperatures, són els majors desafiaments per a complir les noves normatives. Per aquesta raó, l'acadèmia i els fabricants de la indústria de l'automoció continuen treballant en col·laboració, tractant de desenvolupar més eficients i menys contaminants sistemes de propulsió. En aquest treball experimental d'investigació, es presenten els principals resultats d'un projecte de col·laboració dut a terme entre l'empresa Valeo Systèmes Thermiques i la Universitat Politècnica de València. La recirculació de gasos del motor, en les seues dues configuracions, d'alta i de baixa pressió, i la desactivació de cilindres, són les principals estratègies que s'estudiaran en aquest treball, a causa del seu alt potencial i el seu baix cost d'implementació. Aquestes estratègies són avaluades en un motor Dièsel, instal·lat en una cambra d'assajos climàtica i operant a baixes temperatures ambient (-7 °C). La primera estratègia, és l'activació de la EGR d'alta pressió des de l'inici d'una arrancada de motor i el desenvolupament d'un model de condensació simple capaç de predir si hi ha o no condensació dins de la línia de EGR. En particular, el ràtio d'humitat i les condicions internes del motor que caracteritzen l'aparició d'aquest fenomen són calculades pel model. Aquest model és validat per mitjà de càmeres instal·lades a el rail de EGR amb l'objectiu de visualitzar l'evolució de la condensació dins dels components. El ràtio d'humitat calculat i el comportament de la condensació observat a través de les càmeres, mostren que durant una arrancada de motor en fred, les condicions de condensació en els gasos són presents fins que s'aconsegueixen aproximadament 50 °C, mentre que a les parets i als components, les condicions es mantenen fins que s'aconsegueixen aproximadament 30 °C. En la segona estratègia, una nova línia de EGR compacta, equipada amb un sistema de bypass per a l'intercanviador de calor és usada amb l'objectiu d'accelerar el procés de calfament del motor en comparació a la línia de EGR de baixa pressió original del motor. L'objecte d'aquesta estratègia és avaluar l'impacte en el comportament del motor de realitzar EGR de baixa pressió a baixes temperatures amb l'activació del sistema de bypass per a evitar l'intercanviador de calor. Seguint aquesta estratègia, s'aconsegueix una notable reducció en emissions de NOx d'aproximadament 60% respecte a un cas de referència sense activació de la EGR de baixa pressió. A més, el procés de calfament del motor ha sigut reduït en aproximadament 60 segons i la temperatura d'admissió del motor ha sigut augmentada en 30 °C, produint una reducció en les emissions de CO d'aproximadament 12%. Per a la tercera estratègia, és avaluat l'impacte d'usar una nova configuració de la desactivació de cilindres amb el propòsit d'accelerar el procés de calfament del motor. Els resultats mostren un increment a la temperatura dels gasos de al voltant de 100 °C, el qual permet reduir l'activació del catalitzador en 250 segons a més de reduir el procés de calfament del motor en aproximadament 120 segons. Això permet reduir les emissions de CO i HC en un 70% i 50%, respectivament. Finalment, l'última estratègia experimental realitzada, avalua l'impacte d'usar la EGR d'alta pressió mentre el filtre de partícules està en la manera activa de regeneració. Seguint aquesta possible condició de calibratge de motor, ha sigut aconseguida una reducció en emissions de NOx d'aproximadament 50% respecte a un cas de referència sense activar la EGR d'alta pressió. / [EN] Current and future legislations, regarding pollutant emissions reduction and green mobility, will continue fixing a difficult stage for the development and improvement of internal combustions engines (ICEs). The Real Driving Emissions (RDE) parameters, the changes of altitude, and the extreme ambient temperature conditions in operation, are the major challenges to fulfill under these new legislations. By these reason, academy and automotive manufacturers continue working in collaboration, trying to develop more efficient and less polluting powertrains. In this experimental research work, the main results of a collaboration project between the private company Valeo Systèmes Thermiques and the Universitat Poltècnica de València are presented. Exhaust gas recirculation (EGR), in both configurations, high-pressure and low-pressure, and Cylinder Deactivation (CDA), are the main strategies studied in this work due to its high potential and low-cost implementation. These strategies are evaluated in a Light-duty Diesel engine, fitted in a climatic test bench and operating under low ambient temperature (-7ºC). The first strategy is the High-pressure EGR activation from the beginning of the engine start and the development of a simple condensation model able to predict whether or not there is condensation inside the EGR line under these conditions. In particular, the humidity ratio and the internal engine conditions that characterize the appearance of this phenomenon are estimated by the model. This model is validated by means of cameras fitted on the EGR rail in order to visualize the condensation evolution. The humidity ratio estimate and the condensation behavior observed through the cameras, shows that during an engine cold start, condensation conditions in the gases are present until reach approximately 50ºC, while in solid walls and components, the conditions remains until reach approximately 30ºC. In the second strategy, a new compact line fitted with a bypass system for the cooler is used with the aim of accelerating the engine warm-up process as compared to the original low-pressure EGR line. The aim of this strategy is to evaluate the impact on the engine behavior of performing Low-pressure EGR at cold conditions and to activate the bypass system in order to disable the cooler. Following this strategy, a noticeable NOx emissions reduction of approximately 60% with respect to a reference case without low-pressure EGR has been achieved. In addition, the engine warm-up process has been reduced in approximately 60 seconds and the engine intake temperature has been increased 30ºC, leading a CO emissions reduction of approximately 12%. In the third strategy, the impact of using a new cylinder deactivation configuration with the aim of improving the engine warm-up process is evaluated. The results show an increase of the exhaust temperatures of around 100ºC, which allows to reduce the diesel oxidation catalyst light-off by 250 seconds besides of reducing the engine warm-up process in approximately 120 seconds. This allows to reduce the CO and HC emissions by 70% and 50%, respectively. And finally, the last experimental strategy evaluates the impact of using the high-pressure exhaust gas recirculation while the diesel particulate filter is under active regeneration mode. Following these possible engine calibration conditions, a NOx emissions reduction of approximately 50% with respect to a reference case without high-pressure EGR during a DPF regeneration process has been achieved. / Miguel Ángel Bernal Maldonado has been partially supported through contract FPI-S1-2017-2377 of "Programa de Ayudas de Investigación y Desarrollo (PAID-01-17) de la Universitat Politècnica de València". The support of Valeo Systèmes Thermiques through projects CN-2016-99 and CN-2018-08 is also greatly acknowledged. / Bernal Maldonado, MÁ. (2023). Study of Different Strategies to Improve the Internal Combustion Engine (ICE) Operating at Cold Conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192652

El trabajo presentado en esta Tesis está motivado por la necesidad de los motores de combustión interna alternativos de reducir el consumo de combustible y las emisiones de CO2 mientras se satisfacen las cada vez más restrictivas regulaciones de emisiones contaminantes. Por lo tanto, el objetivo principal de este estudio es optimizar un sistema de combustión de encendido por compresión controlado por mezcla para probar su potencial como motores de futura generación. Con esta meta se ha desarrollado un sistema automático que combina CFD con métodos de optimización avanzados para analizar y entender las configuraciones óptimas. Los resultados presentados en este trabajo se dividen en dos bloques principales. El primero corresponde a la optimización de un sistema de encendido por compresión convencional alimentado con diésel. El segundo se centra en un concepto de combustión avanzado donde se ha sustituido el fuel por Dimetil-eter. En ambos casos, el estudio no sólo halla una configuración óptima sino que también se describen las relaciones causa/efecto entre los parámetros más relevantes del sistema de combustión. El primer bloque aplica métodos de optimización no-evolutivos a un motor medium-duty alimentado por diésel tratando de minimizar consumo a la vez que se mantienen las emisiones contaminantes por debajo de los estándares de emisiones contaminantes impuestos. Una primera parte se centra en la optimización de la geometría de la cámara de combustión y el inyector. Seguidamente se extiende el estudio añadiendo los settings de renovación de la carga de y de inyección al estudio, ampliando el potencial de la optimización. El estudio demuestra el limitado potencial de mejora de consumo que tiene el motor de referencia al mantener los niveles de emisiones contaminantes. Esto demuestra la importancia de incluir parámetros de renovación de la carga e inyección al proceso de optimización. El segundo bloque aplica una metodología basada en algoritmos genéticos al diseño del sistema de combustión de un motor heavy-duty alimentado con Dimetileter. El estudio tiene dos objetivos, primero la optimización de un sistema de combustión convencional controlado por mezcla con el objetivo de lograr mejorar el consumo y reducir las emisiones contaminantes hasta niveles inferiores a los estándares US2010. Segundo la optimización de un sistema de combustión trabajando en condiciones estequiométricas acoplado con un catalizador de tres vías buscando reducir consumo y controlar las emisiones contaminantes por debajo de los estándares 2030. Ambas optimizaciones incluyen tanto la geometría como los parámetros más relevantes de renovación de la carga y de inyección. Los resultados presentan un sistema de combustión convencional óptimo con una notable mejora en rendimiento y un sistema de combustión estequiométrica que es capaz de ofrecer niveles de NOx menores al 1% de los niveles de referencia manteniendo niveles competitivos de rendimiento. Los resultados presentados en esta Tesis ofrecen una visión extendida de las ventajas y limitaciones de los motores MCCI y el camino a seguir para reducir las emisiones de futuros sistemas de combustión por debajo de los estándares establecidos. A su vez, este trabajo también demuestra el gran potencial que tiene el Dimetil-eter como combustible para futuras generaciones de motores. / The work presented in this Thesis was motivated by the needs of internal combustion engines (ICE) to decrease fuel consumption and CO2 emissions, while fulfilling the increasingly stringent pollutant emission regulations. Then, the main objective of this study is to optimize a mixing-controlled compression ignition (MCCI) combustion system to show its potential for future generation engines. For this purpose an automatic system based on CFD coupled with different optimization methods capable of optimizing a complete combustion system with a reasonable time cost was designed together with the methodology to analyze and understand the new optimum systems. The results presented in this work can be divided in two main blocks, firstly an optimization of a conventional diesel combustion system and then an optimization of a MCCI system using an alternative fuel with improved characteristics compared to diesel. Due to the methodologies used in this Thesis, not only the optimum combustion system configurations are described, but also the cause/effect relations between the most relevant inputs and outputs are identified and analyzed. The first optimization block applies non-evolutionary optimization methods in two sequential studies to optimize a medium-duty engine, minimizing the fuel consumption while fulfilling the emission limits in terms of NOx and soot. The first study targeted four optimization parameters related to the engine hardware including piston bowl geometry, injector nozzle configuration and mean swirl number. After the analysis of the results, the second study extended to six parameters, limiting the optimization of the engine hardware to the bowl geometry, but including the key air management and injection settings. The results confirmed the limited benefits, in terms of fuel consumption, with constant NOx emission achieved when optimizing the engine hardware, while keeping air management and injection settings. Thus, including air management and injection settings in the optimization is mandatory to significantly decrease the fuel consumption while keeping the emission limits. The second optimization block applies a genetic algorithm optimization methodology to the design of the combustion system of a heavy-duty Diesel engine fueled with dimethyl ether (DME). The study has two objectives, the optimization of a conventional mixing-controlled combustion system aiming to achieve US2010 targets and the optimization of a stoichiometric mixing-controlled combustion system coupled with a three way catalyst to further control NOx emissions and achieve US2030 emission standards. These optimizations include the key combustion system related hardware, bowl geometry and injection nozzle design as input factors, together with the most relevant air management and injection settings. The target of the optimizations is to improve net indicated efficiency while keeping NOx emissions, peak pressure and pressure rise rate under their corresponding target levels. Compared to the baseline engine fueled with DME, the results of the study provide an optimum conventional combustion system with a noticeable NIE improvement and an optimum stoichiometric combustion system that offers a limited NIE improvement keeping tailpipe NOx values below 1% of the original levels. The results presented in this Thesis provide an extended view of the advantages and limitations of MCCI engines and the optimization path required to achieve future emission standards with these engines. Additionally, this work showed how DME is a promising fuel for future generation engines since it is able to achieve future emission standards while maintaining diesel-like efficiency / El treball presentat en esta Tesi està motivat per la necessitat dels motors de combustió interna alternatius de reduir el consum de combustible i les emissions de CO2 mentres se satisfan les cada vegada mes restrictives regulacions d'emissions contaminants. Per tant, l'objectiu principal d'este estudi es optimitzar un sistema de combustió d'encesa per compressió controlat per mescla per a provar el seu potencial com a motors de futura generació. Amb esta meta s'ha desenrotllat un sistema automàtic que combina CFD amb mètodes d'optimització avançats per a analitzar i entendre les configuracions òptimes. Els resultats presentats en este treball es dividixen en dos blocs principals. El primer correspon a l'optimització d'un sistema d'encesa per compressió convencional alimentat amb dièsel. El segon se centra en un concepte de combustió avançat on s'ha substituït el fuel per Dimetil-eter. En ambdós casos, l'estudi no sols troba una configuració òptima sinó que també es descriuen les relacions causa/efecte entre els paràmetres més rellevants del sistema de combustió. El primer bloc aplica mètodes d'optimització no-evolutius a un motor mediumduty alimentat per dièsel tractant de minimitzar consum al mateix temps que es mantenen les emissions contaminants per davall dels estàndards d'emissions contaminants impostos. Una primera part se centra en l'optimització de la geometria de la cambra de combustió i l'injector. A continuació s'estén l'estudi afegint els settings de renovació de la càrrega de i d'injecció a l'estudi, ampliant el potencial de l'optimització. L'estudi demostra el limitat potencial de millora de consum que té el motor de referència al mantindre els nivells d'emissions contaminants. Açò demostra la importància d'incloure paràmetres de renovació de la càrrega i injecció al procés d'optimització. El segon bloc aplica una metodologia basada en algoritmes genètics al disseny del sistema de combustió d'un motor heavy-duty alimentat amb Dimetil-eter. L'estudi té dos objectius, primer l'optimització d'un sistema de combustió convencional controlat per mescla amb l'objectiu d'aconseguir millorar el consum i reduir les emissions contaminants fins nivells inferiors als estàndards US2010. Segon l'optimització d'un sistema de combustió treballant en condicions estequiomètriques acoblat amb un catalitzador de tres vies buscant reduir consum i controlar les emissions contaminants per davall dels estàndards 2030. Ambdós optimitzacions inclouen tant la geometria com els paràmetres més rellevants de renovació de la càrrega i d'injecció. Els resultats presenten un sistema de combustió convencional òptim amb una notable millora en rendiment i un sistema de combustió estequiomètrica que és capaç d'oferir nivells de NOx menors al 1% dels nivells de referència mantenint nivells competitius de rendiment. Els resultats presentats en esta Tesi oferixen una visió estesa dels avantatges i limitacions dels motors MCCI i el camï que s'ha de seguir per a reduir les emissions de futurs sistemes de combustió per davall dels estàndards establits. Al seu torn, este treball també demostra el gran potencial que té el Dimetil-eter com a combustible per a futures generacions de motors. / Hernández López, A. (2018). Optimization and analysis by CFD of mixing-controlled combustion concepts in compression ignition engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/103826

Orientador: Gilberto Pechoto de Melo / Banca: Amarildo Tabone Paschoalini / Banca: Valder Steffen Júnior / Resumo: Neste trabalho desenvolveram-se metodologias de diagnóstico de falhas utilizando observadores de estado do tipo Filtro de Kalman, nas quais, as entradas para os observadores são identificadas utilizando as funções ortogonais de Fourier, Legendre e Chebyshev. Um tipo de observador denominado Proporcional-Integral é apresentado para a identificação de entradas desconhecidas. Este observador consegue estimar, sob certas condições, as entradas e ou distúrbios presentes no sistema e essas entradas são utilizadas para a diagnose de falha utilizando um observador do tipo Filtro de Kalman. Também é apresentado o desenvolvimento de uma metodologia de identificação de parâmetros bem como das forças de excitação, através das funções ortogonais, utilizando somente a resposta. Apresentam-se resultados obtidos por meio de simulações computacionais e realizados experimentalmente numa bancada de teste pertencente ao laboratório de vibrações mecânicas do Departamento de Engenharia Mecânica de Ilha Solteira. / Abstract: In this work a methodology for fault diagnosis of mechanical systems was developed by using Kalman Filter state observes, in which the input of the observers are identified by using Fourier, Legendre and Chebyshev orthogonal functions. A proportional-integral observer is presented to the unknown input identification. This observer is able to find the unknown inputs of the system and these inputs are used to fault detection purposes by using a Kalman Filter Observer. The methodology for the identification of system parameters and excitation forces by using only the response of the system, through orthogonal functions. The methodology developed is applied to a mechanical structure containing vibrating tables, in the Mechanical Vibrations Laboratory, at Unesp, Ilha Solteira. / Mestre

Orientador: Luiz de Paula do Nascimento / Banca: João Antonio Pereira / Banca: Kátia Luchese Cavalca Dedini / Resumo: Neste trabalho apresenta-se uma análise teórica do desempenho de um sistema de controle ativo de vibrações de rotores utilizando mancais magnéticos. Trata-se de uma alternativa de controle ativo de vibrações de rotores onde um sistema adaptativo "feedforward" é empregado sobreposto ao sistema de controle "feedback" dos mancais magnéticos. O desempenho de algumas arquiteturas de controle, tanto em termos de vibração global como em vibração local do rotor, foi analisado dando ênfase na variação do ganho proporcional e derivativo do controlador PID, que compõe o circuito de controle do mancal magnético ativo. Também foi analisado o efeito da posição e do número de sensores de erro, bem como o efeito do mancal atuador utilizado, sobre o desempenho das estratégias de controle. O sistema de controle foi aplicado em um modelo teórico de rotor desenvolvido pelo método da matriz de impedância. / Abstract: In this work a theoretical analysis of the performance of a system which actively controls vibrations of rotors using magnetic bearings is presented. The proposed system of control is an alternative of active control of rotor vibrations in which an adaptive feedforward system superimposed on the feedback control system of the magnetic bearings is used. The performance of some control architectures was analyzed, in terms of global vibration as in terms of local vibration of the rotor, giving emphasis in the variation of the proportional and derivative gain of the PID controller of the control circuit of the active magnetic bearings. Furthermore, the performance of the vibration control system was analyzed considering the effect of the number and position of the error sensors, as well as the effect of the magnetic bearing employed as actuator. The control system was applied in a theoretical rotor model developed by the matrix impedance method. / Mestre

Submitted by Luciclea Silva (luci@ufpa.br) on 2018-06-13T17:31:05Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_avaliacaoimpactoeconomico.pdf: 3268437 bytes, checksum: e9bb3fc980592034f7ae8f93c8f2d42b (MD5) / Approved for entry into archive by Luciclea Silva (luci@ufpa.br) on 2018-06-13T17:31:45Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_avaliacaoimpactoeconomico.pdf: 3268437 bytes, checksum: e9bb3fc980592034f7ae8f93c8f2d42b (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-13T17:31:45Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_avaliacaoimpactoeconomico.pdf: 3268437 bytes, checksum: e9bb3fc980592034f7ae8f93c8f2d42b (MD5) Previous issue date: 2018-02-26 / Esta dissertação de mestrado apresenta uma ferramenta de gerenciamento de energia de um sistema de energia no contexto Smart Grid que contém Veículos Elétricos inseridos como cargas e Geração Eólica. A técnica de otimização utilizada foi Recozimento Simulado, a fim de minimizar o custo total de energia da rede em estudo. Foram adotadas três estratégias de carregamento: Carregamento no Horário de Ponta, Carregamento Fora de Ponta e Carregamento Inteligente, além de técnicas de Gerenciamento pelo Lado da Demanda. Além do processo de carregamento, também será estudado o descarregamento da bateria dos veículos elétricos, preferencialmente, no pico da curva de carga, bem como a possibilidade de fornecer energia à rede elétrica através do parque eólico a fim de suprir tanto a carga própria do sistema quanto à carga de Veículos Elétricos inserida através da criação de uma estação de carregamento / descarregamento. O sistema utilizado é IEEE 39 barras (New England). Os resultados provaram a eficácia do método proposto e a importância de se considerar além da distribuição, a geração e a transmissão em estudos de planejamento, de expansão e de operação de Redes Inteligentes de Energia que possuam Veículos Elétricos e Geração Eólica a elas conectados. / This master dissertation presents a power management tool of a power system operating in a Smart Grid that contains Electric Vehicles inserted as loads and Wind Power Generation. The optimization technique used was Simulated Annealing, in order to minimize the total energy cost of the network being studied. Three charging strategies were adopted: Peak Charging, Off-peak Charging and Smart Charging besides Demand Side Management techniques. In addition to the charging process will also be studied the Discharging of the battery electric vehicles, preferably at the peak of the load curve, as well as the possibility of supplying grid power through the wind farm to supply both loads in the topology of the system as for the loads of electric vehicles inserted through the creation of a charging/ discharging station. The system used is the IEEE - 39 bus New England power system. The results proved the effectiveness of the proposed method and the importance of considering besides distribution as well as generation and transmission in studies of planning, expansion, and operation of Smart Grids that contain Electric Vehicles and Wind Power Generation.

Submitted by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2013-04-24T22:22:44Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ComparacaoAlgoritmosC45.pdf: 6478832 bytes, checksum: 5b133794170fc1dbb66f65dbedb6dd9c (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva(arosa@ufpa.br) on 2013-04-29T15:43:06Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ComparacaoAlgoritmosC45.pdf: 6478832 bytes, checksum: 5b133794170fc1dbb66f65dbedb6dd9c (MD5) / Made available in DSpace on 2013-04-29T15:43:06Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ComparacaoAlgoritmosC45.pdf: 6478832 bytes, checksum: 5b133794170fc1dbb66f65dbedb6dd9c (MD5) Previous issue date: 2013 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Esse trabalho compara os algoritmos C4.5 e MLP (do inglês “Multilayer Perceptron”) aplicados a avaliação de segurança dinâmica ou (DSA, do inglês “Dynamic Security Assessment”) e em projetos de controle preventivo, com foco na estabilidade transitória de sistemas elétricos de potência (SEPs). O C4.5 é um dos algoritmos da árvore de decisão ou (DT, do inglês “Decision Tree”) e a MLP é um dos membros da família das redes neurais artificiais (RNA). Ambos os algoritmos fornecem soluções para o problema da DSA em tempo real, identificando rapidamente quando um SEP está sujeito a uma perturbação crítica (curto-circuito, por exemplo) que pode levar para a instabilidade transitória. Além disso, o conhecimento obtido de ambas as técnicas, na forma de regras, pode ser utilizado em projetos de controle preventivo para restaurar a segurança do SEP contra perturbações críticas. Baseado na formação de base de dados com exaustivas simulações no domínio do tempo, algumas perturbações críticas específicas são tomadas como exemplo para comparar os algoritmos C4.5 e MLP empregadas a DSA e ao auxílio de ações preventivas. O estudo comparativo é testado no sistema elétrico “New England”. Nos estudos de caso, a base de dados é gerada por meio do programa PSTv3 (“Power System Toolbox”). As DTs e as RNAs são treinada e testadas usando o programa Rapidminer. Os resultados obtidos demonstram que os algoritmos C4.5 e MLP são promissores nas aplicações de DSA e em projetos de controle preventivo. / This work compares the C4.5 and multilayer perceptron (MLP) algorithms applied for dynamic security assessment (DSA) and power system stability transient preventive control design. C4.5 is an algorithm of the decision tree (DT) technique and the MLP is a member of artificial neural network (ANNs) family. The advent of DTs and ANNs provides solution to real-time DSA issues in order to identify quickly when a power system is subjected to a critical disturbance (short-circuit) that may lead to transient instability. In addition, the knowledge obtained by both techniques can be utilized in the preventive control design to restore the power system security against critical disturbances. Based on the data base generation with exhaustive time-domain simulations, some specific critical disturbances are taken as examples to compare the C4.5 and MLP algorithms employed to DSA and guideline to preventive actions. The comparative study is tested on the New England power system. In the case studies, the knowledge database is generated by using PSTv3 (Power System Toolbox) software. The DTs and ANNs are trained and tested by the Rapidminer software. The obtained results have demonstrated a promising application of the C4.5 and MLP algorithms used in power system DSA and preventive control design.

nÃo hà / Neste trabalho à apresentado um estudo sobre as caracterÃsticas de magnetizaÃÃo estÃtica de um MRRV â Motor Rotativo de RelutÃncia VariÃvel â de 1 cv, com base na simulaÃÃo do projeto da mÃquina utilizando AnÃlise por Elementos Finitos (AEF) 3D com malhas tetraÃdricas e hexaÃdricas, com vistas a investigar a que mais adequava-se a esse estudo. TrÃs mÃtodos experimentais foram utilizados para a validaÃÃo do projeto via Elementos Finitos: mÃtodo de determinaÃÃo da impedÃncia com tensÃo CA, mÃtodo do tempo de subida de corrente DC de fase e mÃtodo do tempo de descida de corrente DC de fase. Um estudo comparativo foi realizado como forma de efetivar a validaÃÃo. Todas as tarefas de simulaÃÃo e de mediÃÃo foram realizadas utilizando um microcomputador. Para a realizaÃÃo da simulaÃÃo do projeto foi utilizado um software de simulaÃÃo numÃrica com anÃlise dos Elementos Finitos (CST STUDIO SUITE TM 2010Â) em trÃs dimensÃes, utilizando para tanto, malhas tetraÃdricas e hexaÃdricas. Para as tarefas de mediÃÃo, foi utilizada tambÃm uma placa de aquisiÃÃo de dados (DAQ) integrada a duas interfaces: do LabView e Signal Express ambos desenvolvidos pelo o mesmo fabricante da placa de aquisiÃÃo (National Instruments) com o objetivo de determinar a indutÃncia por fase do MRRV. A partir dos valores obtidos de indutÃncias por fase, foi calculado o fluxo concatenado por fase. GrÃficos de fluxo concatenado por corrente e perfis de indutÃncias para sete posiÃÃes sÃo apresentados e entÃo comparados com a simulaÃÃo por AEF. Tabelas evidenciando as diferenÃas de alguns valores entre os mÃtodos em termo de porcentagem sÃo apresentadas e discutidas. Uma avaliaÃÃo sobre todos os mÃtodos foi feita, evidenciando aspectos positivos, negativos, limitaÃÃes e sugestÃes de melhoria dos mesmos. A mÃquina estudada foi um Motor Rotativo de relutÃncia VariÃvel 6/4 (6 pÃlos no estator e 4 pÃlos no rotor), trifÃsico, de 1 cv de potÃncia, corrente nominal de 10A e velocidade de 2.000 rpm, projetado pelo Grupo de Pesquisa em AutomaÃÃo e RobÃtica do Departamento de Engenharia ElÃtrica da Universidade Federal do CearÃ. / This paper presents a study on the characteristics of a static magnetization VRRM - Variable Reluctance Rotating Motor â 1 hp, based on the simulation of machine design using Finite Element Analysis (FEA) with 3D tetrahedral and hexahedral meshes intending to investigate which meshes is the most suited to this study. Three experimental methods to validate the design via Finite Elements were used: method for determining the impedance with AC voltage, the rising time method of DC current phase and falling time of DC current phase method. All tasks of simulation and measurement were performed using a personal computer. To perform the design simulation a numeric simulation software was used with finite element analysis (CST STUDIO SUITE TM 2010Â) in three dimensions, using both, tetrahedral and hexahedral meshes. For measurement tasks also a data acquisition board (DAQ) integrated with two interfaces was used: the LabView and Signal Express both developed by the same manufacturer of the acquisition board (National Instruments) aiming to determine the inductance per phase of the VRRM. From the values obtained of inductance per phase the flux linkage per phase was calculated. Graphs of flux linkage with current and inductance profiles for seven positions are shown and compared with the simulation FEA. Tables showing the values of some differences between the methods in terms of percentage are presented and discussed. An evaluation of all methods was done, showing positives and negatives aspects, limitations and suggestions to improve them. The machine was a studied Variable Reluctance Rotating Motor 6/4 (6 stator poles and 4 poles on the rotor), three-phase, 1 hp, rated current of 10A and speed of 2.000 rpm, designed by the Research Group on Automation and Robotics, Department of Electrical Engineering, Federal University of CearÃ.

Made available in DSpace on 2016-04-28T14:16:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Luiz Alberto Tavares.pdf: 408610 bytes, checksum: 05f9a9d3fd1807fe6b040c1ebd820478 (MD5) Previous issue date: 2008-10-15 / Secretaria da Educação do Estado de São Paulo / The aim of this paper is to discuss the Scotch James Watt s work in the improvement of the steam engine. This research considered studies of historians from the Nineteenth-Century contemporary with him and historians from the Twentieth-Century who saw him in a more critical way. We also consider the relationship between Watt and his partners at the University of Glasgow and at the Lunar Society, as well as his partnership with Thomas Boulton for the commercialization of the steam engine. Another point of this work is the building of his image as the main inventor of the steam engine / Esta dissertação tem por objetivo a abordagem do trabalho do escocês James Watt no aperfeiçoamento da máquina a vapor. Este levantamento foi feito a partir de estudos de historiadores do século XIX contemporâneos a Watt e historiadores do século XX que vêem Watt de forma mais crítica. Abordamos também o relacionamento de Watt com seus parceiros, tanto na Universidade de Glasgow, como na Lunar Society, além de sua parceria com Thomas Boulton estabelecida para a comercialização da máquina. Abordamos também a projeção da sua imagem como principal inventor da máquina a vapor

Uma grande quantidade de informações de projeto, provenientes de diferentes áreas, tornou-se comum na maioria das organizações. Nessas condições, há dificuldades no compartilhamento e reutilização de conhecimento, especialmente pelo fato de que este conhecimento está disponível dentro da empresa em diferentes formatos e em diferentes locais. Devido a isso, os engenheiros de projeto muitas vezes não conseguem utilizar essas informações. Assim, é importante que as empresas possam organizar e integrar o conhecimento disponível de forma colaborativa, a fim de garantir seu melhor aproveitamento. Nesse contexto, a abordagem chamada Engenharia Baseada em Conhecimento (KBE) pode ser associada. Através de conceitos KBE, a presente dissertação tem como objetivo desenvolver um sistema especialista baseado em um modelo de ontologia, que permita o armazenamento e fornecimento de informações úteis no momento certo do desenvolvimento de produtos. Tal solução deve atender às necessidades de seus usuários (i.e. projetistas), bem como melhorar a qualidade de atividades de projeto ao longo do Processo de Desenvolvimento de Produto (PDP). Para este estudo os seguintes passos foram adotados: (a) a delimitação do escopo de ação (i.e. etapas do PDP a serem definidas como foco); (b) captura do conhecimento; (c) normalização; (d) estruturação do conhecimento através de ontologias; (e) elaboração de buscas; e (f) avaliação de desempenho da solução. A presente proposta tem como finalidade facilitar o acesso à informações, reduzir o aparecimento de falhas ao longo do PDP, bem como permitir que o conhecimento adquirido possa ser utilizado em projetos subsequentes (e.g. lições aprendidas). / The large amount of available design information from different areas has become common in most organizations. Under these conditions, there are difficulties in sharing and reusing knowledge, especially by the fact that this knowledge is available within the company in different formats and locations. Due to this, design engineers often fail to use such information. To ensure a better use, it is important to organize and integrate the available knowledge in a collaborative manner. In this context, the Knowledge-based Engineering (KBE) approach can be associated. Through KBE concepts, the current study aims to develop an expert system based on an ontology model for assisting decision making, by storing and providing useful information in a timely manner. Such solution should meet the needs of its users (i.e. designers), as well as improve the quality of design activities along the Product Development Process (PDP). For this study, the following steps have been adopted: (a) delimitation of action scope (i.e. steps of PDP to be focused); (b) knowledge capture; (c) standardization; (d) knowledge structuring through ontologies; (e) building of queries; (f) evaluation of solution performance. The application of the present proposal aims to facilitate the access to information, significantly reduce the appearance of failures along the PDP, as well as allow acquired knowledge to be used in subsequent projects (e.g. lessons learned).