[ES] El aumento global de las emisiones de gases de efecto invernadero desde el inicio de la Revolución Industrial se ha convertido en un grave peligro para la vida humana. Además de la generación de energía y la industria, el transporte, con el aumento del número total de vehículos en las últimas décadas, es uno de los principales responsables de este incremento exponencial de los gases causantes del calentamiento global. De hecho, ciudades como Barcelona o Madrid, entre muchas otras, están imponiendo restricciones al tráfico para mitigar esta situación. Sin embargo, la humanidad aún está a tiempo de invertir esta tendencia negativa y solucionar el problema medioambiental para las generaciones futuras. El objetivo principal de la presente Tesis se centra en el estudio, implementación y análisis del concepto de encendido por precámara pasiva para su aplicación en la próxima generación de vehículos automóviles. Más específicamente, esta investigación aborda los fenómenos físicos que intervienen en el proceso de combustión cuando se utiliza el sistema de encendido por precámara en un motor de encendido provocado. A continuación, se aplican algunas estrategias para mejorar el rendimiento térmico que se obtiene operando con este concepto. Finalmente, a partir del conocimiento generado, se presentan unas directrices básicas para el prediseño de este tipo de precámaras. La primera aproximación al concepto consiste en su implementación directa en el motor, obteniendo resultados experimentales en tres condiciones de funcionamiento diferentes en términos de carga y régimen de giro del motor. Además, también se evalúan diferentes geometrías de precámara. Aunque su implementación directa es relativamente sencilla mediante la sustitución de la bujía, la comprensión de ciertos fenómenos relevantes relacionados con la combustión, como el intercambio de gases o la penetración de los chorros, es extremadamente difícil sin el apoyo de herramientas computacionales. Esta es la principal razón que justifica el uso de herramientas numéricas 1D en la presente Tesis, ya que con un modelado adecuado basado en datos experimentales, se puede obtener información relevante en aquellas situaciones en las que no es factible generarla experimentalmente. Estas herramientas 1D tienen las ventajas de su bajo coste computacional y su capacidad de proporcionar resultados en poco tiempo. En cuanto al rendimiento térmico, se adoptan dos estrategias diferentes, como el aumento de lambda o el aumento de la tasa de recirculación de los gases de escape, para incrementar aún más las ventajas del sistema de encendido por precámara pasiva. Sin embargo, se alcanzan los límites físicos de aplicación de ambas estrategias y se proponen una serie de posibilidades para ampliar estos límites y aumentar el rendimiento térmico. Finalmente, a partir de los resultados experimentales y numéricos, se sugieren algunas pautas para diseñar una precámara que aproveche las ventajas observadas, aumentando el rendimiento térmico en comparación con los conceptos de encendido por bujía convencional y por precámara pasiva actuales. / [CA] L'augment global de les emissions de gasos d'efecte d'hivernacle des de l'inici de la Revolució Industrial s'ha convertit en un greu perill per a la vida humana. A més de la generació d'energia i la indústria, el transport, amb l'augment del nombre total de vehicles en les últimes dècades, és un dels principals responsables d'aquest increment exponencial dels gasos causants de l'escalfament global. De fet, ciutats com Barcelona o Madrid, entre moltes altres, estan imposant restriccions al trànsit per a mitigar aquesta situació. No obstant això, la humanitat encara és a temps d'invertir aquesta tendència negativa i solucionar el problema mediambiental per a les generacions futures. L'objectiu principal de la present Tesi se centra en l'estudi, implementació i anàlisi del concepte d'encesa per precàmera passiva per a la seua aplicació en la pròxima generació de vehicles automòbils. Més específicament, aquesta investigació aborda els fenòmens físics que intervenen en el procés de combustió quan s'utilitza el sistema d'encesa per precàmera en un motor d'encesa provocada. A continuació, s'apliquen algunes estratègies per a millorar el rendiment tèrmic que s'obté operant amb aquest concepte. Finalment, a partir del coneixement generat, es presenten unes directrius bàsiques per al predisseny d'aquesta mena de precàmeres. La primera aproximació al concepte consisteix en la seua implementació directa en el motor, obtenint resultats experimentals en tres condicions de funcionament diferents en termes de càrrega i règim de gir del motor. A més, també s'avaluen diferents geometries de precàmera. Encara que la seua implementació directa és relativament senzilla mitjançant la substitució de la bugia, la comprensió d'uns certs fenòmens rellevants relacionats amb la combustió, com l'intercanvi de gasos o la penetració dels dolls, és extremadament difícil sense el suport d'eines computacionals. Aquesta és la principal raó que justifica l'ús d'eines numèriques 1D en la present Tesi, ja que amb un modelatge adequat basat en dades experimentals es pot obtindre informació rellevant en aquelles situacions en les quals no és factible generar-la experimentalment. Aquestes eines 1D tenen com a principal avantatge el seu baix cost computacional i la seua capacitat de proporcionar resultats en poc temps. Quant al rendiment tèrmic, s'adopten dues estratègies diferents, com l'augment de lambda o l'augment de la taxa de recirculació dels gasos d'escapament, per a incrementar encara més els avantatges del sistema d'encesa per precàmera passiva. No obstant això, s'aconsegueixen els límits físics d'aplicació de totes dues estratègies i es proposen una sèrie de possibilitats per a ampliar aquests límits i augmentar el rendiment tèrmic. Finalment, a partir dels resultats experimentals i numèrics, se suggereixen algunes pautes per a dissenyar una precàmera que aprofite els avantatges observats, augmentant el rendiment tèrmic en comparació amb els conceptes d'encesa per bugia convencional i per precàmera passiva actuals. / [EN] The global greenhouse gas emissions increase since the start of the Industrial Revolution has become a serious hazard to human life. In addition to power generation and industry, transportation, with the rise in the total vehicle number in the last decades, is one of the main contributors to this exponential increase of global warming-causing gases. In fact, cities such as Barcelona or Madrid, among many others, are imposing traffic restrictions to mitigate this situation. However, mankind is still on time to reverse this negative tendency and fix the environmental issue for the upcoming generations. The main goal of the present Thesis focuses on the study, implementation and analysis of the passive pre-chamber ignition concept in a near-future light-duty passenger car application. To be more specific, the investigation addresses the physical phenomena involving the combustion process when pre-chamber ignition system is used in a spark-ignition engine. Then, some strategies to improve thermal efficiency while employing this concept are applied. Finally, with all the knowledge gathered, basic guidelines for a pre-chamber pre-design are presented. The first approach to the concept consists of its direct implementation in the engine, obtaining experimental results in three different operating conditions in terms of engine load and speed. Furthermore, different prechamber geometries are also evaluated. Although its direct implementation is relatively straightforward by exchanging the spark plug, understanding some of the relevant phenomena related to the combustion process, such as gas exchange or jet-tip penetration, is extremely difficult without the support of computational tools. This is the main reason supporting the use of 1D numerical tools in the present Thesis, since with proper modeling based on experimental data, further knowledge can be obtained in those situations where experimental evaluations are not feasible. These 1D tools have the benefits of their low computational cost and their ability to provide reasonably good results in a short period of time. In terms of thermal efficiency, two different strategies, such as the increase of lambda or the increase of the exhaust gas re-circulation rate, are adopted to extend further the benefits of the passive pre-chamber ignition system. However, the physical application limits of both strategies are reached, and a series of possibilities are proposed to expand these limits and increase thermal efficiency. Finally, with all the experimental and numerical results, some guidelines are suggested to design a pre-chamber that takes advantage of the benefits, increasing thermal efficiency compared with the conventional spark ignition and the current passive pre-chamber concepts. / The respondent wishes to acknowledge the financial support received through contract FPI-S2-19-21993 of the Programa de Apoyo para la Investigación y Desarrollo (PAID) of Universitat Politècnica de València. Parts of the work presented in this thesis have been supported by different collaborations with the research partner Sandia National Laboratories LLC, 7011 East Ave, Livermore, California, US. / Martínez Hernándiz, PJ. (2023). Implementation and Analysis of the Pre-Chamber Ignition Concept in a SI Engine for Passenger Car Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202063

The main goal of this PhD dissertation is to explore the relation between postmodern poetics and some features of other theories developed at the same time in various areas of knowledge – mainly metaphysics, physics and sociology. If we can say that the modern paradigm was born with the question of how a multiplicity of different points of view could coexist, the postmodern paradigm seems to arise with the awareness that a systematic legitimation of differences cannot be based on a sole foundation that leads to a complete inclusion. For this reason, we argue that the concept of possible world is not only a useful heuristic metaphor adopted in different areas of the artistic and scientific postmodern culture, but it can put in constructive conversation different areas of knowledge which are usually thought to be more isolated and refractory to mutual influence than they actually are. Precisely because of the diverse usages and meanings that the term ‘world’ acquires in different contexts, the ontological commitment toward possible worlds varies significantly. They can be godly concepts, fictional scenarios, real sums of individuals that are isolated from each other, or ideal set of objects that are associated with different and mutually exclusive frames of reference and cultural coordinates. To shed a light on these matters is the main goal of the first book, entitled "What is a possible world?". The second book, entitled "Entangled worlds: the postmodernist literature", is committed to explore the topology of the possible worlds projected by postmodernist texts; in fact, the paradoxical topology that emerges from these texts appears to be inherently connected with a vast range of issues concerning our world.

Am Beispiel von ferroelektrischen Systemen auf Bismut-Basis (Bismutmolybdat, Bismutwolframat und Bismuttitanat) und von Strontiumbariumniobat werden neue Möglichkeiten zur Synthese solcher Nanopartikel aufgezeigt. Die Integration der Nanopartikel in transparente Nanokompositmaterialien und die Entwicklung neuer Precursoren für die Herstellung von Dünnschichtproben gehen den Untersuchungen zur Anwendung als elektrooptische aktive Materialien voraus. Durch weitere Anwendungsmöglichkeiten in der Photokatalyse, dem Test dampfadsorptiver Eigenschaften mit Hilfe eines neuartigen Adsorptionstesters (Infrasorb) und auch mit Hilfe der Ergebnisse der ferroelektrischen Charakterisierung von gesinterten Probenkörpern aus einem Spark-Plasma-Prozess wird ein gesamtheitlicher Überblick über die vielfältigen Aspekte in der Arbeit mit nanoskaligen, ferroelektrischen Materialien gegeben.:Inhaltsverzeichnis...........................................................................................................5 Abkürzungsverzeichnis ...................................................................................................9 1. Motivation....................................................................................................................11 2. Stand der Forschung und theoretischer Teil ...............................................................14 2.1. Nanoskalige Materialien...........................................................................................15 2.1.1. Nanopartikel und Nanokompositmaterialien ....................................................... 15 2.1.2. Dünnschichten..................................................................................................... 21 2.1.3. Anwendungen in der Photokatalyse.................................................................... 22 2.1.4. Anwendungen in der Gas- und Dampfsensorik.................................................... 24 2.2. Ferroelektrika .........................................................................................................26 2.2.1. Bismutmolybdat................................................................................................... 32 2.2.2. Bismutwolframat.................................................................................................. 34 2.2.3. Bismuttitanat ....................................................................................................... 36 2.2.4. Strontiumbariumniobat......................................................................................... 37 2.3. Verwendete Methoden.............................................................................................40 2.3.1. Spark-Plasma-Sintering ........................................................................................40 2.3.2. Bestimmung ferroelektrischer Eigenschaften ...................................................... 42 2.3.3. Charakterisierung nichtlinearer, elektrooptischer Eigenschaften......................... 43 3. Experimenteller Teil ....................................................................................................51 3.1. Synthesevorschriften................................................................................................52 3.1.1. Verwendete Chemikalien und Substrate.............................................................. 52 3.1.2. Solvothermalsynthese von Bi2MO6 (M = Mo, W)................................................... 55 3.1.3. Phasentransfersynthese von Bi2MO6 (M = Mo, W)............................................... 56 3.1.4. Präparation von Bi2MO6/PLA Nanokompositmaterialien (M = Mo, W) ................... 57 3.1.5. Sol-Gel-Synthese von Bi2MO6 (M = Mo, W), Bi4Ti3O12 und Ba0.25Sr0.75Nb2O6 und Dünnschichten..................... 57 3.1.6. Mikroemulsionssynthese von Bi4Ti3O12 ............................................................... 59 3.1.7. Sol-Gel-Synthese von Bi2Ti2O7............................................................................. 60 3.1.8. Synthese von BiOH(C2O4), BiOCH3COO und Bi(CH3COO)3................................... 61 3.2. Vorschriften zur Durchführung und Charakterisierung...............................................62 3.2.1. Verwendete Geräte und Einstellungen ................................................................ 62 3.2.2. Spark Plasma Sintering von Bi2MO6 (M = Mo,W) und Bestimmung ferroelektrischer Eigenschaften ........................ 65 3.2.3. Prüfung elektrooptischer Eigenschaften, Präparation der Bauteile und Messaufbau .............................................. 67 3.2.4. Durchführung photokatalytischer Messungen ....................................................... 69 3.2.5. Messung der Dampfadsorption an Nanopartikeln mit Hilfe berührungsloser Detektion ........................................... 70 4. Ergebnisse und Diskussion...........................................................................................71 4.1. Synthese und Eigenschaften von nanoskaligen Materialien......................................72 4.1.1. Synthese von Bi2MO6 (M = Mo, W) Nanopartikeln................................................. 72 4.1.2. Nanokompositmaterialien mit Bi2MO6 (M = Mo, W)................................................ 81 4.1.3. Synthese der Bismuttitanate Bi4Ti3O12 und Bi2Ti2O7 .......................................... 84 4.1.4. Herstellung von Dünnschichten der Systeme Bi2MO6 (M = Mo, W), Bi4Ti3O12 und Sr0.75Ba0.25Nb2O6 ................. 88 4.2. Funktion der nanoskaligen Materialien .....................................................................100 4.2.1. Bismuthaltige Nanopartikel in der Photokatalyse ..................................................100 4.2.2. Spark-Plasma-Sintern von Bi2MO6-Nanopartikel (M = Mo, W)................................103 4.2.3. Elektrooptische Eigenschaften von Dünnschichten und Kompositmaterialien ............................................................108 4.2.4. Messung der Dampfadsorption an Bi2MO6 (M = Mo, W)-Nanopartikeln mit Hilfe berührungsloser Detektion ............114 4.3. Synthese von BiOH(C2O4), BiO(CH3COO) und Bi(CH3COO)3....................................118 5. Zusammenfassung ......................................................................................................127 6. Ausblick .......................................................................................................................131 7. Literatur ......................................................................................................................132 8. Abbildungs- und Tabellenverzeichnis ..........................................................................146 8.1. Abbildungsverzeichnis...............................................................................................146 8.2. Tabellenverzeichnis...................................................................................................152 9. Anhang ........................................................................................................................154 9.1. Synthese und Eigenschaften von nanoskaligen Materialien......................................155 9.1.1. Solvothermalsynthese von Bi2MO6 (M = Mo, W).....................................................155 9.1.2. Phasentransfersynthese von Bi2MO6 (M = Mo, W).................................................156 9.1.3. Synthese der Bismutmolybdate Bi4Ti3O12 und Bi2Ti2O7 .......................................156 9.1.4. Herstellung von Dünnschichten der Systeme Bi2MO6 (M = Mo, W), Bi4Ti3O12 und Sr0.75Ba0.25Nb2O6 .................159 9.2. Funktion der nanoskaligen Materialien ......................................................................164 9.2.1. Spark-Plasma-Sintern..............................................................................................164 9.2.2. Elektro-optische Eigenschaften von Dünnschichten und Kompositmaterialien .........................................................166 9.2.3. Messung der Dampfadsorption an Bi2MO6 (M = Mo, W)-Nanopartikeln mit Hilfe berührungsloser Detektion ...........174 9.3. Synthese von BiOH(C2O4), BiO(CH3COO) und Bi(CH3COO)3.....................................175 9.3.1. DTA-TG-Ergebnisse .................................................................................................175 9.3.2. Kristalldaten und Strukturverfeinerung ...................................................................177 9.4. Quelltexte ..................................................................................................................181 9.4.1. MATLAB-Skript zur Auswertung elektrooptischer Koeffizienten................................181 9.4.2. MATLAB-Skript zur Auswertung dampfadsorptiver Eigenschaften............................182

Im Rahmen dieser Arbeit werden die Potenziale zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrads von stöchiometrisch homogen betriebenen Ottomotoren in der Teillast untersucht. Im Gegensatz zur konventionellen Laststeuerung über die Drosselklappe bezeichnet die betrachtete, drosselfreie Laststeuerung die Quantitätsregelung einzig über den Hubverlauf der Gaswechselventile. Nach einer Zusammenfassung bisheriger Untersuchungen zur drosselfreien Laststeuerung werden konkurrierende Bilanzierungsverfahren von Ladungswechsel- und Hochdruckteil von 4-Takt Verbrennungsverfahren vorgestellt. Anhand theoretischer Betrachtungen folgt für eine belastbare Bewertung der Prozessgüte allein die Bilanzierung in den Grenzen der Unteren Totpunkte (UT-UT). Im ersten Teil der motorischen Untersuchungen am Vollmotor wird das effektive Potenzial mechanisch variabler Ventiltriebe ermittelt. Dabei bleibt die Verbrauchsverbesserung gegenüber einem gedrosselten Referenzmotor aufgrund sinkender Restgasverträglichkeit als Folge einer nachteiligen Abnahme der Ladungsbewegung hinter den Erwartungen zurück. Im Widerspruch zu mechanisch gekoppelten Systemen wird zur bedarfsgerechten Anpassung der Ladungsbewegung die Forderung nach maximaler Flexibilität der Ventilhubgestaltung abgeleitet. Im zweiten Teil der motorischen Untersuchungen am Einzylinder-Forschungsmotor werden die maximalen Freiheitsgrade eines nockenwellenlosen Ventiltriebs basierend auf dem Prinzip eines elektromotorischen Linearantriebs systematisch eingesetzt. Neben konstruktiven Maßnahmen zur Beeinflussung des Einströmvorgangs in den Brennraum wird die Reduzierung der Drosselverluste durch Hubverlaufsformung sowie gezielte Restgasverdünnung im Vergleich von interner zu externer Rückführung betrachtet. Der Einfluss der Gemischbildung wird über die konkurrierende Darstellung von innerer und äußerer Kraftsteinspritzung aufgezeigt. Neben den maximalen Potenzialen werden ebenso die Grenzen der Entdrosselung dargestellt. Im Gegensatz zu mechanischen Systemen gelingt zwar die Realisierung einer bedarfsgerechten Ladungsbewegung mit Hilfe vollvariabler Ventilhübe, jedoch wird eine fortgesetzte Verbrauchsverbesserung durch die Gewährleistung einer sicheren Entflammung limitiert.

Ce manuscrit de thèse porte sur l'élaboration de nouveaux matériaux pour la protection balistique grâce à l'apport du procédé de frittage flash. Il s'agit, en effet, d'associer deux composés possédant des températures de frittage éloignées, tels que l'alumine et l'aluminium, matériaux de référence utilisés dans la protection balistique.La première voie testée était un assemblage bi-matériau, réalisé par frittage d'une poudre d'aluminium sur un plot d'alumine préalablement fritté. Cette étude a permis d'observer la formation de la liaison alumine/aluminium par microscopie électronique à balayage et en transmission et d'optimiser les paramètres d'assemblage pour l'obtention d'un bi-matériau possédant une forte cohésion interfaciale. Des outils de caractérisation adaptés (diffraction des rayons X et indentation Vickers) ont mis en évidence des contraintes résiduelles dans la céramique qui résultent de la différence de coefficients de dilatation thermique entre les deux composés lors du refroidissement du bi-matériau. Ces assemblages ont également fait l'objet d'essais statiques (essais de traction indirects) et d'essais dynamiques (tirs balistiques). Ces essais ont démontré la très grandec ohésion des assemblages et ont permis de valider la pertinence de l'étude de matériaux de protection balistique par des essais statiques, qui sont plus faciles à mettre en oeuvre.L'autre voie envisagée était de fritter en une seule étape un matériau à gradient de composition, de l'alumine pure à l'aluminium pur avec une interphase constituée de mélanges alumine/aluminium. D'un point de vue technique, le frittage flash a démontré sa capacité à générer un gradient de température de plusieurs centaines de degrés à l'intérieur d'un échantillon de quelques millimètres de haut, grâce à l'utilisation d'un moulede forme spécifique. Malheureusement, la mauvaise mouillabilité de l'alumine par l'aluminium n'a pas permis d'abaisser la température de frittage des mélanges alumine/aluminium par rapport à l'alumine pure. Elle a au contraire conduit à augmenter la température de frittage des mélanges de ~200 °C, empêchant l'élaboration du matériau à gradient de composition. Cette voie a tout de même permis l'élaboration de composites denses (>99 %) à matrice d'alumine avec de faibles quantités d'aluminium, de l'ordre de 5 % en masse.

In this thesis, the focus is on studying BaZrO3-BaCeO3 based proton conductors due to that they represent very promising proton conductors to be used for Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells (ITSOFCs). Here, dense BaZr0.5Ce0.3Y0.2O3-δ (BZCY532) ceramics were selected as the major studied materials. These ceramics were prepared by different sintering methods and doping strategies. Based on achieved results, the thesis work can simply be divided into the following parts: 1) An improved synthesis method, which included a water-based milling procedure followed by a freeze-drying post-processing, was presented. A lowered calcination and sintering temperature for a Hf0.7Y0.3O2-δ (YSH) compound was achieved. The value of the relative density in this work was higher than previously reported data. It is also concluded that this improved method can be used for mass-production of ceramics. 2) As the solid-state reactive sintering (SSRS) represent a cost-effective sintering method, the sintering behaviors of proton conductors BaZrxCe0.8-xLn0.2O3-δ (x = 0.8, 0.5, 0.1; Ln = Y, Sm, Gd, Dy) during the SSRS process were investigated. According to the obtained results, it was found that the sintering temperature will decrease, when the Ce content increases from 0 (BZCLn802) to 0.3 (BZCLn532) and 0.7 (BZCLn172). Moreover, the radii of the dopant ions similar to the radii of Zr4+ or Ce4+ ions show a better sinterability. This means that it is possible to obtain dense ceramics at a lower temperature. Moreover, the conductivities of dense BZCLn532 ceramics were determined. The conductivity data indicate that dense BZCY532 ceramics are good candidates as either oxygen ion conductors or proton conductors used for ITSOFCs. 3) The effect of NiO on the sintering behaviors, morphologies and conductivities of BZCY532 based electrolytes were systematically investigated. According to the achieved results, it can be concluded that the dense BZCY532B ceramics (NiO was added during ball-milling before a powder mixture calcination) show an enhanced oxygen and proton conductivity. Also, that BZCY532A (NiO was added after a powder mixture calcination) and BZCY532N (No NiO was added in the whole preparation procedures) showed lower values. In addition, dense BZCY532B and BZCY532N ceramics showed only small electronic conductivities, when the testing temperature was lower than 800 ℃. However, the BZCY532A ceramics revealed an obvious electronic conduction, when they were tested in the range of 600 ℃ to 800 ℃. Therefore, it is preferable to add the NiO powder during the BZCY532 powder preparation, which can lower the sintering temperature and also increase the conductivity. 4) Dense BZCY532 ceramics were successfully prepared by using the Spark Plasma Sintering (SPS) method at a temperature of 1350 ℃ with a holding time of 5 min. It was found that a lower sintering temperature (&lt; 1400 ℃) and a very fast cooling rate (&gt; 200 ℃/min) are two key parameters to prepare dense BZCY532 ceramics. These results confirm that the SPS technique represents a feasible and cost-effective sintering method to prepare dense Ce-containing BaZrO3-BaCeO3 based proton conductors. 5) Finally, a preliminary study for preparation of Ce0.8Sm0.2O2-δ (SDC) and BZCY532 basedcomposite electrolytes was carried out. The novel SDC-BZCY532 based composite electrolytes were prepared by using the powder mixing and co-sintering method. The sintering behaviors, morphologies and ionic conductivities of the composite electrolytes were investigated. The obtained results show that the composite electrolyte with a composition of 60SDC-40BZCY532 has the highest conductivity. In contrast, the composite electrolyte with a composition of 40SDC-60BZCY532 shows the lowest conductivity. In summary, the results show that BaZrO3-BaCeO3 based proton-conducting ceramic materials represent very promising materials for future ITSOFCs electrolyte applications. / <p>QC 20150423</p>

[pt] Os modelos computacionais comerciais atualmente disponíveis, em geral, não são satisfatoriamente sensíveis a variações na composição e nas propriedades dos combustíveis, não sendo capazes de predizer os seus efeitos no desempenho dos motores e veículos com precisão. Dessa forma, o desenvolvimento de combustíveis é fortemente dependente de experimentos em motores e veículos, demandando significativos custos e prazos de execução. A motivação do presente desenvolvimento reside em fornecer contribuições inéditas para a modelagem computacional de motores e veículos. O foco do trabalho está nos efeitos da composição e das propriedades dos combustíveis sobre os parâmetros de combustão, eficiência e desempenho, buscando a otimização do processo de desenvolvimento de combustíveis. Foi estabelecida metodologia para a modelagem computacional das curvas de pressão no interior do cilindro de um motor do ciclo Otto. Os valores de torque, pressão máxima e ângulo de pressão máxima, obtidos a partir das curvas de pressão simuladas apresentaram, em geral, variações percentuais de até 3 por cento, 5 por cento e 2 graus, respectivamente, em relação aos experimentos. Foi desenvolvida metodologia para a modelagem computacional da autonomia urbana em veículos leves do ciclo Otto, com resultados simulados situados dentro da faixa de incerteza do experimento, de 1,5 por cento. Foram estabelecidas metodologias para modelagem computacional dos tempos de retomada de velocidade e de parâmetros de desempenho de veículos em condições de velocidade constante. A maioria dos resultados simulados se enquadrou na faixa de 3 por cento de diferença em relação aos experimentos. / [en] In general, engine s and vehicle s simulation softwares currently available in the market, are not satisfactorily sensitive to composition and fuel properties variations, being unable to accurately predict effects on overall performance. Thus, fuel development process is strongly dependent on engines and vehicles experiments, requiring high costs and long times. This work aims to provide inedited contributions to engines and vehicles computational modeling, focusing on fuel composition and properties on its combustion parameters, efficiency and performance, as well as, to optimize fuel development process. It was established a methodology for an Otto cycle engine in cylinder pressure curves simulation. Torque, maximum pressure and maximum pressure crank angle obtained from the simulated pressure curves presented, in general, percentage changes up to 3 percent, 5percent and 2 degrees, respectively, compared to experiments. It was developed a methodology for Otto cycle light-duty vehicles urban autonomy, with simulated results within the experimental uncertainty range, of 1.5 percent. Methods for speed recovery times and vehicle performance parameters at constant speed simulations were developed. Most simulated results were within the range of 3 percent difference compared to experiments.

[EN] In the current work, the characterization of the combustion process inside a stratified pre-chamber spark ignition (PCSI) system is performed. An extensive bibliographical review about the pre-chamber systems developed from the second half of the 20th century until modern times is presented. The review shows that the latest generation systems have the potential to accomplish the emissions limits while providing high performance and low fuel consumption. Nevertheless, many efforts of the scientific community are still needed to allow the large-scale application of the technology. Indeed, based on the outstanding challenges observed, the investigation plan is developed including both experimental and numerical parts. All experiments were performed by means of the rapid compressionexpansion machine (RCEM) in the CMT-Motores Térmicos laboratory. The original cylinder head layout was modified to allow the housing of the prechamber itself, fuel injectors, spark plug, pressure transducers in both chamber, and a thermocouple. The test methodology involved the acquisition of the pressure evolution in both main chamber and pre-chamber, the piston position (used to compute the instantaneous cylinder volume), the duration of the auxiliary injection, and the spark ignition point. These are used as input for the zero-dimensional thermodynamic model which simulates the fundamental parameters aims to characterize the PCSI system working cycle. Therefore, a deeper knowledge of the mass interchanged process, induced turbulence field, heat release rate, combustion speed, and flame regime is generated. Subsequently, to calibrate the zero-dimensional model coefficients under motoring conditions, several 3D CFD simulations were carried out by means of Converge software. Hence, the results of the simulations in terms of interchanged mass and pre-chamber turbulent kinetic energy have been used to calibrate the nozzle discharge coefficient and the turbulence sub-model coefficients for all the pre-chamber geometries. Furthermore, the 3D CFD simulations outputs are analysed to fully understand the flow field structure and the local effect induced by the different nozzles at the spark activation time. The turbulent kinetic energy in terms of intensity and orientation is investigated over several relevant pre-chamber sections. The results reveal a clear relationship between the turbulence developed within the pre-chamber and the orifices structure. Straight orifices or perpendicular jets impact, promote more intense local turbulence due to direct collision while tilted orifices guarantee more homogeneity due to the swirling motion. Additionally, increase the orifice numbers shows benefits on the fluid dynamic homogeneity. Thus, preceding the experimental campaign several fundamental aspects of the system are evaluated. The cycle-to-cycle dispersion is explored by means of the statistical assessment showing low pressure peak deviation. The auxiliary injection pressure and timing are optimized for avoiding wall wetting phenomena while ensuring proper air/fuel mixing. Finally, the spark activation point is chosen as a function of the theoretically maximum turbulent flame speed. Thereby, the experimental campaign is carried out according to tests matrix, in order to evaluate the effect of the equivalence ratio of both chambers, and how the orifices diameter, number, and distribution affect the combustion process. Moreover, chemiluminescence visualization tests, performed by means of the available optical access of the RCEM, are combined with zerodimensional and 3D CFD results to shed light on the work cycle. Conclusions suggest a slightly rich mixture inside the pre-chamber combined with the highest number of tilted orifices as the better configuration for improving combustion efficiency under lean and ultra-lean main chamber mixture conditions. Nevertheless, axial orifices should be considered for further investigations. Finally, the author proposes a series of developments considered interesting in both the experimental and numerical fields. / [ES] En el presente trabajo se realiza la caracterización del proceso de combustión dentro de un sistema de encendido por pre-cámara bajo carga estratificada. Por lo tanto, se presenta una extensa revisión bibliográfica sobre los sistemas de pre-cámara desarrollados desde la segunda mitad del siglo XX hasta los tiempos modernos. El resumen muestra que los sistemas de última generación tienen el potencial de cumplir con los límites de las emisiones, al tiempo que proporcionan un alto rendimiento y un bajo consumo de combustible. No obstante, todavía se necesitan muchos esfuerzos de la comunidad científica para permitir la difusión a gran escala de la tecnología. De hecho, sobre la base de los desafíos abiertos observados, se desarrolla el plan de investigación incluyendo tanto una parte experimental como numérica. Todos los experimentos se realizan mediante la máquina de compresión-expansión rápida (RCEM) de que dispone el laboratorio CMT-Motores Térmicos . La disposición original de la culata se modificó para permitir el alojamiento de la propia pre-cámara, los inyectores , la bujía, los sensores de presión y un termopar. La metodología de ensayo implica la adquisición de la evolución de la presión tanto en cámara principal como en pre-cámara, el volumen del cilindro, la duración de la inyección auxiliar y el punto de ignición de la bujía. Estos se utilizan como parámetros de entrada para el modelo termodinámico cero-dimensional que devuelve los parámetros fundamentales que caracterizan ciclo de trabajo del sistema PCSI. Por lo tanto, se genera un conocimiento más profundo del proceso de intercambio de masas, del campo de turbulencias inducidas, de la tasa de liberación de calor, de la velocidad de combustión y del régimen de la llama. Posteriormente, para calibrar los coeficientes del modelo cero-dimensional bajo condiciones de arrastre, se llevaron a cabo varias simulaciones CFD en 3D mediante el software Converge. Por lo tanto, los resultados de las simulaciones en términos de masa intercambiada y energía cinética turbulenta de la precámara se han utilizado para calibrar el coeficiente de descarga de la tobera y los coeficientes del sub-modelo de turbulencia para todas las geometrías de la pre-cámara. Además, se analizan los resultados de las simulaciones CFD para comprender plenamente la estructura del campo de flujo y el efecto local inducido por las diferentes geometriás en el tiempo de activación de la chispa. La energía cinética turbulenta en términos de intensidad y orientación se investiga en varias secciones relevantes de la pre-cámara. Los resultados revelan una clara relación entre la turbulencia desarrollada dentro de la pre-cámara y la estructura de los orificios. Los orificios rectos o los chorros perpendiculares, promueven una turbulencia local más intensa debido a la colisión directa mientras que los orificios inclinados del campo fluido y del dosado. Precedentemente al desarrollo de la campaña experimental se evalúan varios aspectos fundamentales del sistema. La dispersión ciclo a ciclo se explora por medio de la evaluación estadística que muestra una baja desviación de los picos de presión. La presión y el punto de inyección auxiliar se optimizan para evitar los fenómenos de mojado de las paredes, asegurando al mismo tiempo una mezcla adecuada de aire/combustible. Finalmente, el punto de activación de la chispa se elige en función de la velocidad máxima teórica de la llama turbulenta. De este modo, la campaña experimental se lleva a cabo de acuerdo con la matriz de pruebas, con el fin de evaluar el efecto del dosado equivalente de ambas cámaras, y cómo el diámetro, el número y la distribución de los orificios afectan al proceso de combustión. Además, las pruebas de visualización de quimioluminiscencia, realizadas mediante el acceso óptico disponible de la RCEM, se combinan con resultados de CFD y resultados del modelo cerodimen para arrojar luz sobre el ciclo de trabajo. Las conclusiones sugieren que una mezcla ligeramente rica dentro de la pre-cámaracombinadaconelmayornúmerodeorificiosdesfasadoseslamejor configuración para garantizar un elevada eficiencia de la combustión en condiciones de mezcla pobre y ultra-pobre de la cámara principal. No obstante, los orificios axiales deben ser considerados para investigaciones futuras. Por último, el autor propone una serie de desarrollos considerados interesantes tanto en el campo experimental como en el numérico. / [CA] En el present treball es realitza la caracterització del procés de combustió dins d'un sistema d'encesa de pre-cambra soto càrrega estratifi-cada. Per tant, es presenta una extensa revisió bibliogràfica sobre els sistemes de precambra desenvolupats des de la segona meitat del segle XX fins als temps moderns. El resum mostra que els sistemes d'última generació tenen el potencial de complir amb els límits de les emissions, al mateix temps que proporcionen un alt rendiment i un baix consum de combustible. No obstant això, encara es necessiten molts esforços de la comunitat científica per a permetre la difusió a gran escala de la tecnologia. De fet, sobre la base dels desafiaments oberts observats, es desenvolupa el pla d'investigació incloent tant una part experimental com numèrica. Tots els experiments es realitzen mitjançant la màquina de compressió-expansió ràpida (RCEM) de què disposa el laboratori CMT-Motors Tèrmics. La disposició original de la culata es va modificar per a permetre l'allotjament de la pròpia pre-cambra, els injectors , la bugia, els sensors de pressió i un termoparell. La metodologia d'assaig implica l'adquisició de l'evolució de la pressió tant en cambra principal com en pre-cambra, el volum del cilindre, la duració de la injecció auxiliar i el punt d'ignició de l'espurna. Aquests s'utilitzen com a paràmetres d'entrada per al model termodinàic zero-dimensional que retorna els paràmetres fonamen-tals que caracteritzen cicle de treball del sistema PCSI. Per tant, es genera un coneixement més profund del procés d'intercanvi de masses, del camp de turbulències induïdes, de la taxa d'alliberament de calor, de la velocitat de combustió i del règim de la flama. Posteriorment, per a calibrar els coefi-cients del model zerodimensional sota condicions d'arrossegament, es van dur a terme diverses simulacions CFD en 3D mitjançant el programari Converge. Per tant, els resultats de les simulacions en termes de massa intercanviada i energia cinètica turbulenta de la pre-cambra s'han utilitzat per a calibrar el coeficient de descàrrega de la tovera i els coeficients del sub-model de turbulència per a totes les geometries de la pre-cambra. A més, s'analitzen els resultats de les simulacions CFD per a comprendre plenament l'estructura del camp de flux i l'efecte local induït per les diferents geometries en el temps d'activació de l'espurna. L'energia cinètica turbulenta en termes d'intensitat i orientació s'investiga en diverses seccions rellevants de la pre-cambra. Els resultats revelen una clara relació entre la turbulència desenvolupada dins de la pre-cambra i l'estructura dels orificis. Els orificis rectes o els dolls perpendiculars, promouen una turbulència local més intensa a causa de la col·lisió directa mentre que els orificis inclinats garanteixen una major homogeneïtat a causa de la generació d'un macro-remolì. A més, l'augment del nombre d'orificis mostra beneficis en l'homogeneïtat fluid-dinàmica. Llavors, abans de la campanya experimental s'avaluen diversos aspectes fonamentals del sistema. La dispersió cicle a cicle s'explora per mitjà de l'avaluació estadística que mostra una baixa desviació dels pics de pressió. La pressió i el punt d'injecció auxiliar s'optimitzen per a evitar els fenòmens de mullat de les parets, assegurant al mateix temps una mescla adequada d'aire/combustible. Finalment, el punt d'activació de l'espurna es tria en funció de la velocitat màxima teòrica de la flama turbulenta. D'aquesta manera, la campanya experimental es duu a terme d'acord amb la matriu de proves, amb la finalitat d'avaluar l'efecte del dosatge equivalent de totes dues cambres, i com el diàmetre, el numero i la distribució dels orificis afecten el procés de combustió. A més, les proves de visualització de quimioluminescència, realitzades mitjançant l’accés òptic disponible de la RCEM, es combinen amb resultats de CFD i resultats del model zero-dimensional per a llançar llum sobre el cicle de treball. Les conclusions suggereixen que una mescla lleugerament rica dins de la pre-cambra combinada amb el major nombre d’orificis desfasats és la millor configuració per a garantir un elevada eficiència de la combustió en condicions de mescla pobra i ultra-pobre de la cambra principal. No obstant això, els orificis axials han de ser considerats per a investigacions futures. Finalment, l’autor proposa una sèrie de desenvolupaments considerats interessants tant en el camp experimental com en el numèric. / Pagano, V. (2020). Analysis of a stratified pre-chamber spark ignition system under lean mixture conditions [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/152486 / TESIS

<div>Stoichiometric air-fuel ratio (AFR) and air/EGR flow control are essential control problems in today’s advanced spark-ignited (SI) engines to enable effective application of the three-way-catalyst (TWC) and generation of required torque. External exhaust gas recirculation (EGR) can be used in SI engines to help mitigate knock, reduce enrichment and improve efficiency[1 ]. However, the introduction of the EGR system increases the complexity of stoichiometric engine-out lambda and torque management, particularly for high BMEP commercial vehicle applications. This thesis develops advanced frameworks for sensing and control architecture designs to enable robust air handling system management, stoichiometric cylinder air-fuel ratio (AFR) control and three-way-catalyst emission control.</div><div><br></div><div><div>The first work in this thesis derives a physically-based, control-oriented model for turbocharged SI engines utilizing cooled EGR and flexible VVA systems. The model includes the impacts of modulation to any combination of 11 actuators, including the throttle valve, bypass valve, fuel injection rate, waste-gate, high-pressure (HP) EGR, low-pressure (LP) EGR, number of firing cylinders, intake and exhaust valve opening and closing timings. A new cylinder-out gas composition estimation method, based on the inputs’ information of cylinder charge flow, injected fuel amount, residual gas mass and intake gas compositions, is proposed in this model. This method can be implemented in the control-oriented model as a critical input for estimating the exhaust manifold gas compositions. A new flow-based turbine-out pressure modeling strategy is also proposed in this thesis as a necessary input to estimate the LP EGR flow rate. Incorporated with these two sub-models, the control-oriented model is capable to capture the dynamics of pressure, temperature and gas compositions in manifolds and the cylinder. Thirteen physical parameters, including intake, boost and exhaust manifolds’ pressures, temperatures, unburnt and burnt mass fractions as well as the turbocharger speed, are defined as state variables. The outputs such as flow rates and AFR are modeled as functions of selected states and inputs. The control-oriented model is validated with a high fidelity SI engine GT-Power model for different operating conditions. The novelty in this physical modeling work includes the development and incorporation of the cylinder-out gas composition estimation method and the turbine-out pressure model in the control-oriented model.</div></div><div><br></div><div><div>The second part of the work outlines a novel sensor selection and observer design algorithm for linear time-invariant systems with both process and measurement noise based on <i>H</i>2 optimization to optimize the tradeoff between the observer error and the number of required sensors. The optimization problem is relaxed to a sequence of convex optimization problems that minimize the cost function consisting of the <i>H</i>2 norm of the observer error and the weighted <i>l</i>1 norm of the observer gain. An LMI formulation allows for efficient solution via semi-definite programing. The approach is applied here, for the first time, to a turbo-charged spark-ignited (SI) engine using exhaust gas recirculation to determine the optimal sensor sets for real-time intake manifold burnt gas mass fraction estimation. Simulation with the candidate estimator embedded in a high fidelity engine GT-Power model demonstrates that the optimal sensor sets selected using this algorithm have the best <i>H</i>2 estimation performance. Sensor redundancy is also analyzed based on the algorithm results. This algorithm is applicable for any type of modern internal combustion engines to reduce system design time and experimental efforts typically required for selecting optimal sensor sets.</div></div><div><br></div><div><div>The third study develops a model-based sensor selection and controller design framework for robust control of air-fuel-ratio (AFR), air flow and EGR flow for turbocharged stoichiometric engines using low pressure EGR, waste-gate turbo-charging, intake throttling and variable valve timing. Model uncertainties, disturbances, transport delays, sensor and actuator characteristics are considered in this framework. Based on the required control performance and candidate sensor sets, the framework synthesizes an H1 feedback controller and evaluates the viability of the candidate sensor set through analysis of the structured</div><div>singular value μ of the closed-loop system in the frequency domain. The framework can also be used to understand if relaxing the controller performance requirements enables the use of a simpler (less costly) sensor set. The sensor selection and controller co-design approach is applied here, for the first time, to turbo-charged engines using exhaust gas circulation. High fidelity GT-Power simulations are used to validate the approach. The novelty of the work in this part can be summarized as follows: (1) A novel control strategy is proposed for the stoichiometric SI engines using low pressure EGR to simultaneously satisfy both the AFR and air/EGR-path control performance requirements; (2) A parametrical method to simultaneously select the sensors and design the controller is first proposed for the internal combustion engines.</div></div><div><br></div><div><div>In the fourth part of the work, a novel two-loop estimation and control strategy is proposed to reduce the emission of the three-way-catalyst (TWC). In the outer loop, an FOS estimator consisting of a TWC model and an extended Kalman-filter is used to estimate the current TWC fractional oxygen state (FOS) and a robust controller is used to control the TWC FOS by manipulating the desired engine λ. The outer loop estimator and controller are combined with an existing inner loop controller. The inner loop controller controls the engine λ based on the desired λ value and the control inaccuracies are considered and compensated by the outer loop robust controller. This control strategy achieves good emission reduction performance and has advantages over the constant λ control strategy and the conventional two-loop switch-type control strategy.</div></div>

Im Rahmen dieser Arbeit werden die Potenziale zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrads von stöchiometrisch homogen betriebenen Ottomotoren in der Teillast untersucht. Im Gegensatz zur konventionellen Laststeuerung über die Drosselklappe bezeichnet die betrachtete, drosselfreie Laststeuerung die Quantitätsregelung einzig über den Hubverlauf der Gaswechselventile. Nach einer Zusammenfassung bisheriger Untersuchungen zur drosselfreien Laststeuerung werden konkurrierende Bilanzierungsverfahren von Ladungswechsel- und Hochdruckteil von 4-Takt Verbrennungsverfahren vorgestellt. Anhand theoretischer Betrachtungen folgt für eine belastbare Bewertung der Prozessgüte allein die Bilanzierung in den Grenzen der Unteren Totpunkte (UT-UT). Im ersten Teil der motorischen Untersuchungen am Vollmotor wird das effektive Potenzial mechanisch variabler Ventiltriebe ermittelt. Dabei bleibt die Verbrauchsverbesserung gegenüber einem gedrosselten Referenzmotor aufgrund sinkender Restgasverträglichkeit als Folge einer nachteiligen Abnahme der Ladungsbewegung hinter den Erwartungen zurück. Im Widerspruch zu mechanisch gekoppelten Systemen wird zur bedarfsgerechten Anpassung der Ladungsbewegung die Forderung nach maximaler Flexibilität der Ventilhubgestaltung abgeleitet. Im zweiten Teil der motorischen Untersuchungen am Einzylinder-Forschungsmotor werden die maximalen Freiheitsgrade eines nockenwellenlosen Ventiltriebs basierend auf dem Prinzip eines elektromotorischen Linearantriebs systematisch eingesetzt. Neben konstruktiven Maßnahmen zur Beeinflussung des Einströmvorgangs in den Brennraum wird die Reduzierung der Drosselverluste durch Hubverlaufsformung sowie gezielte Restgasverdünnung im Vergleich von interner zu externer Rückführung betrachtet. Der Einfluss der Gemischbildung wird über die konkurrierende Darstellung von innerer und äußerer Kraftsteinspritzung aufgezeigt. Neben den maximalen Potenzialen werden ebenso die Grenzen der Entdrosselung dargestellt. Im Gegensatz zu mechanischen Systemen gelingt zwar die Realisierung einer bedarfsgerechten Ladungsbewegung mit Hilfe vollvariabler Ventilhübe, jedoch wird eine fortgesetzte Verbrauchsverbesserung durch die Gewährleistung einer sicheren Entflammung limitiert.