La evidente generalización durante los últimos años del uso de turbocompresores en motores de combustión interna ha sido debida a un aumento necesario de la concienciación sobre las emisiones contaminantes y sus efectos sobre el medio ambiente y las personas. Las normativas sobre emisiones contaminantes se han endurecido, generalizando el uso de técnicas como la Recirculación de Gases de Escape de Ruta Larga bajo unas condiciones de operación más amplias, con una mayor tasa e incluso bajo condiciones ambiente frías, lo que ha generado potenciales problemas de condensación de agua y daño en el compresor. Además, la tendencia actual de reducir el tamaño del motor para reducir el consumo, llamada " downsizing", ha provocado que el compresor tenga que funcionar muy cerca del límite de bombeo, lo que ha provocado, junto al descrito aumento de recirculación de gases de escape, una mayor exigencia en cuanto a durabilidad y funcionalidad del mismo. Los problemas comentados están claramente condicionados por la configuración geométrica de la entrada del compresor, ya sea por la condensación causada por los gases de escape al ser mezclados con aire fresco o por la influencia sobre el límite de bombeo y el resto de prestaciones. En este trabajo se propone un modelo de predicción de condensación para ser integrado en un código comercial de mecánica de fluidos computacional (STAR-CCM+). Dicho modelo se plantea de forma que aumente en la menor medida posible el coste computacional, asumiendo ciertas limitaciones como la ausencia de caracterización de las gotas de agua. Una vez implementado, se contrastan los resultados frente a datos experimentales de ensayos de durabilidad: se correlacionan las predicciones del modelo frente al impacto de la condensación sobre el rodete del compresor en diferentes configuraciones geométricas y condiciones de operación. Posteriormente se estudia el impacto del propio compresor sobre el proceso de mezcla y la condensación, lo que permite después desacoplar el problema y reducir en dos órdenes de magnitud el tiempo de cálculo al poder obviar la simulación del compresor. En cuanto a la influencia de la geometría en el margen de bombeo y resto de parámetros, se proponen varias geometrías sencillas y se analiza su impacto. Primero, se realizan ensayos experimentales en banco motor, tanto estacionarios para medir rendimiento y ruido como transitorios para definir el bombeo. Después, se ejecutan simulaciones CFD y se estudian los fenómenos locales que aparecen, en los que se evidencia una sensibilidad elevada de la geometría sobre el margen de bombeo y el resto de parámetros. Se puede destacar el desempeño de la geometría de entrada cónica, que produce un aumento considerable del margen de bombeo sin repercusiones en el resto de condiciones de operación; y la tobera convergente-divergente, que aumenta el margen de bombeo pero, además, también aumenta ligeramente el rendimiento en el resto del mapa del compresor, aunque a costa de reducir moderadamente las prestaciones a alto gasto másico. / Popularization of turbochargers in internal combustion engines has been produced in the recent years due to a needful increase of awareness of pollutant emissions and their repercussion on the environment and the population. Pollutant emission regulations have tightened, causing techniques such Long Route Exhaust Gas Recirculation to operate under a wider range of operating conditions, with higher rates and even under very cold ambient conditions, which generates a potential problem of water condensation and compressor damaging. Additionally, the actual trend consisting in reducing the size of the engine to reduce fuel consumption, known as "downsizing", has caused the compressor to have to work close to the surge limit. Together with the aforementioned extension of LR-EGR usage range, these phenomena have induced an increase of the compressor design requirements, concerning durability and functionality. Both problems are governed by the geometrical configuration of the compressor inlet and can be, then, studied accordingly. In this work, a predictive condensation model is proposed for being embedded in a computational fluid dynamics commercial code (STAR-CCM+). To allow a potential optimization of a given geometry, the model should introduce as low additional computational effort as possible, assuming certain limitations, though. For example, the characterization of water droplets is neglected. Once the model is implemented and verified, the results are compared with experimental data obtained from durability tests performed to assess the erosion of the compressor wheel under condensation generated by different LR-EGR T-joint configurations and operating conditions. After, the influence of the compressor on the mixing process and generation of condensates is addressed, proving that the simulation of the compressor can be decoupled from the T-joint numerical domain and reducing by two orders of magnitude the simulation time. Concerning the impact of the inlet geometry on the surge margin and the other important compressor parameters, several simple geometries are proposed, and their influence is assessed. First, experimental tests performed on an engine test bench are carried out: steady measurements for obtaining efficiency and noise emission and transient tests for characterizing the surge limit. Then, 3D-CFD simulations are performed using similar geometries, studying the local phenomena that appear and proving thus the sensitivity of the inlet geometry to the surge margin and the performance of the compressor. It may be highlighted the performance of the tapered duct, that produces a considerable positive shift of the surge margin without worsening the rest of the parameters and the convergent-divergent nozzle, which in addition to considerably improving the surge margin also enhances the isentropic efficiency of the compressor at low and mid mass flow rates. Nevertheless, the throat becomes a drawback at high mass flow rates, decreasing the compression ratio and efficiency under such conditions. / L'evident generalització durant els últims anys de l'ús de turbocompressors en motors de combustió interna ha estat deguda a un augment necessari de la conscienciació sobre les emissions contaminants i els seus efectes sobre el medi ambient i les persones. Les normatives sobre emissions contaminants s'han fet més restrictives, generalitzant l'ús de tècniques com la Recirculació de Gasos d'Escap de Ruta Llarga sota unes condicions d'operació més àmplies, amb una major taxa i fins i tot sota condicions ambient fredes, fet que ha generat potencials problemes de condensació d'aigua i danys al compressor. A més, la tendència actual de reduir la grandària del motor per millorar el consum, anomenada " downsizing", ha provocat que el compressor haja de funcionar molt a prop del límit de bombeig, fet que ha provocat, junt amb el descrit augment de recirculació de gasos d'escap, una major exigència quant a la seua durabilitat i funcionament. Els problemes esmentats estan clarament condicionats per la configuració geomètrica de l'entrada del compressor, ja siga per la condensació causada pels gasos d'escap al ser barrejats amb aire fresc o per la influència sobre el límit de bombeig i la resta de prestacions. En aquest treball es proposa un model de predicció de condensació per a ser integrat en un codi comercial de mecànica de fluids computacional (STAR-CCM+). Dit model es planteja de manera que augmente en la menor mesura possible el cost computacional, assumint certes limitacions com l'absència de caracterització de les gotes d'aigua. Una vegada implementat, es contrasten els resultats enfront de dades experimentals d'assajos de durabilitat: correlacionen les prediccions del model enfront de l'impacte de la condensació sobre el rodet del compressor en diferents configuracions geomètriques i condicions d'operació. Posteriorment, s'estudia l'impacte del mateix compressor sobre el procés de barreja i la condensació, cosa que permet després desacoblar el problema i reduir en dos ordres de magnitud el temps de càlcul, ja que pot obviar-se la simulació del compressor. Quant a la influència de la geometria en el marge de bombeig i la resta de paràmetres, es proposen diverses geometries senzilles i s'analitza el seu impacte. Primerament, es realitzen assajos experimentals en banc motor, tant estacionaris per mesurar rendiment i soroll com transitoris per definir el bombeig. Després, s'executen simulacions CFD i s'estudien els fenòmens locals que apareixen, en els quals s'evidencia una sensibilitat elevada de la geometria sobre el marge de bombeig i la resta de paràmetres. Es pot destacar el rendiment de la geometria d'entrada cònica, que produeix un augment considerable del marge de bombeig sense repercussions en la resta de condicions d'operació; i la tovera convergent-divergent, que augmenta el marge de bombeig però, a més, també augmenta lleugerament el rendiment en la resta del mapa del compressor, encara que a costa de reduir moderadament les prestacions a alt flux màssic. / Tarí De Paco, D. (2018). Effect of inlet configuration on the performance and durability of an automotive turbocharger compressor [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/104410 / TESIS

[ES] El almacenamiento de energía se ha convertido en un componente fundamental en los sistemas de energía renovable, especialmente aquellos que incluyen baterías. De allí, la necesidad de buscar métodos de control eficientes que ayuden a proteger y prolongar la vida útil de la batería. Dentro de los métodos de control reportados en la literatura, el más utilizado es el de corriente constante - voltaje constante. Otros métodos como el control con lógica difusa o el modelo de control predictivo han demostrado ser más eficientes que los métodos tradicionales, ya que reducen el tiempo de carga, mitigan el aumento de la temperatura y mantienen el estado de carga dentro de los límites seguros. Sin embargo, en los procesos de carga y descarga, algunos de los parámetros no están controlados por el usuario de la batería, convirtiéndose ésta en una de las causas que provoca el envejecimiento de las baterías, una reducción del ciclo de vida y, por ende, un reemplazo prematuro de la batería. En esta tesis doctoral, se usa el modelo de batería propuesto por Copetti para simular el voltaje de carga y descarga de un banco de baterías de plomo-ácido e identificar aquellos parámetros que afectan el rendimiento de la batería. El modelo se valida sobre medidas reales tomadas de un sistema de almacenamiento de energías basado en baterías instalado en el Laboratorio de Energías Renovables (LadER) ubicado en el departamento del Chocó, Colombia. Para ajustar el modelo e identificar los parámetros internos del banco de baterías se implementan y se comparan tres algoritmos evolutivos: optimización por enjambre de partículas - PSO, búsqueda de cuco - CS y optimización por enjambre de partículas+perturbación - PSO+P. Siendo este último una nueva propuesta en la que se introduce una perturbación periódica en la población para evitar que el algoritmo caiga en mínimos locales. La perturbación consiste en una nueva población basada en la mejor solución global que permita la reactivación del algoritmo PSO. Los parámetros internos que están asociados a la capacidad de la batería son usados para estimar el estado de salud del sistema de almacenamiento de energía en baterías, encontrándose que éste perdió un 5% de su capacidad nominal, por lo que su estado de salud se estima en un 95%. Adicionalmente, el uso de análisis de componentes principales (PCA) es propuesto para realizar un diagnóstico del sistema. El modelo de análisis de componentes principales se aplica a un conjunto de parámetros asociados a la capacidad, resistencia interna y voltaje de circuito abierto de un sistema de almacenamiento de energía en baterías. El modelo PCA conserva las 5 primeras componentes que recolectan el 80.25% de la variabilidad total. Durante la prueba en condiciones de operación real, el modelo PCA, diagnosticó una degradación del estado de salud más rápido que el controlador de batería comercial. Sin embargo, un cambio en los modos de carga, llevó a una recuperación de la batería que también fue monitoreada por el algoritmo propuesto. Finalmente, se proponen acciones de control que llevan al sistema de almacenamiento de energía en baterías a funcionar en condiciones normales. / [CA] l'emmagatzematge d'energia s'ha convertit en un component fonamental en els sistemes d'energia renovable, especialment aquells que inclouen bateries. D'allí, la necessitat de buscar mètodes de control eficients que ajudin a protegir i allargar la vida útil de la bateria. Dins dels mètodes de control reportats en la literatura, el més utilitzat és el de corrent constant - voltatge constant. Altres mètodes com el control amb lògica difusa o el model de control predictiu han demostrat ser més eficients que els mètodes tradicionals, ja que redueixen el temps de càrrega, mitiguen l'augment de la temperatura i mantenen l'estat de càrrega dins dels límits segurs. No obstant això, en els processos de càrrega i descàrrega, alguns dels paràmetres no estan controlats per l'usuari de la bateria, convertint-se aquesta en una de les causes que provoca l'envelliment de les bateries, una reducció del cicle de vida i, per tant, un reemplaçament prematur de la bateria. En aquesta tesi doctoral, s'usa el model de bateria proposat per Copetti per simular el voltatge de càrrega i descàrrega d'un banc de bateries de plom-àcid i identificar aquells paràmetres que afecten el rendiment de la bateria. El model es valida sobre mesures reals preses d'un sistema d'emmagatzematge d'energies en bateries instal·lat al Laboratori d'Energies Renovables (líder) situat en el departament del Chocó, Colòmbia. Per ajustar el model i identificar els paràmetres interns del banc de bateries s'implementen i es comparen tres algorismes evolutius: optimització per eixam de partícules - PSO, recerca de cucut - CS i optimització per eixam de partícules + pertorbació - PSO + P. Sent aquest últim una nova proposta en la qual s'introdueix una pertorbació periòdica en la població per evitar que l'algoritme caigui en mínims locals. La pertorbació consisteix en una nova població basada en la millor solució global que permeti la reactivació de l'algoritme PSO. Els paràmetres interns que estan associats a la capacitat de la bateria són usats per estimar l'estat de salut del sistema d'emmagatzematge d'energia en bateries, trobant-se que aquest va perdre un 5% de la seva capacitat nominal, de manera que el seu estat de salut s'estima en un 95%. Addicionalment, l'ús d'anàlisi de components principals (PCA) és proposat per realitzar un diagnòstic del sistema. El model d'anàlisi de components principals s'aplica a un conjunt de paràmetres associats a la capacitat, resistència interna i voltatge de circuit obert d'un sistema d'emmagatzematge d'energia en bateries. El model PCA conserva les 5 primeres components que recullen el 80.25% de la variabilitat total. Durant la prova en condicions d'operació real, el model PCA, va diagnosticar una degradació de l'estat de salut més ràpid que el controlador de bateria comercial. No obstant això, un canvi en les maneres de càrrega, va portar a una recuperació de la bateria que també va ser monitoritzada per l'algoritme proposat. Finalment, es proposen accions de control que porten al sistema d'emmagatzematge d'energia en bateries a funcionar en condicions normals. / [EN] Energy storage has become a fundamental component in renewable energy systems, especially those that include batteries. Hence, the need to look for efficient controls methods, which help to protect and prolong the battery life expectancy. Among the control methods reported in the literature, the most used is the constant current - constant voltage. Other methods such as fuzzy logic control or the model predictive control have proven to be more efficient than traditional methods, since they reduce the charging time, mitigate the increase in temperature and maintain the state of charge within the system the safe limits. However, in the charging and discharging processes, some of the parameters are not controlled by the user of the battery, this being one of the causes that leads to the aging batteries, a reduction in the life cycle, and therefore, a premature replacement of the battery. Therefore, in this doctoral thesis, the battery model proposed by Copetti is used to simulate the charge and discharge voltage of a battery of lead-acid batteries and identify those parameters that affect battery performance. The model is validated on real measurements, taken from a battery energy storage system installed in the Renewable Energy Laboratory (LadER) located in the department of Chocó, Colombia. To fitting the model and identify the internal parameters of the battery bank, three evolutionary algorithms are implemented and compared (particle swarm optimization - PSO, cuckoo search - CS and particle swarm optimization + perturbance - PSO + P), where PSO + P is a new proposal, in which a periodic perturbance is introduced in the population, to avoid that the algorithm falls at local minimums. The perturbance consists of a new population based on the best global solution that allows the reactivation of the PSO algorithm. The internal parameters that are associated with the battery capacity are used to estimate the state of health of the battery energy storage system, found that it lost 5% of its nominal capacity, so that its state of health estimated at 95%. Additionally, the use of principal component analysis (PCA) is proposed to perform a system diagnosis. The principal component analysis model is applied on parameters set associated with the capacity, internal resistance and open circuit voltage of a battery energy storage system. The PCA model conserves the first 5 components, which collect 80.25% of the total variability. During the test under real operating conditions, the PCA model diagnosed a state of health degradation faster than the commercial battery controller. However, a change in charging modes led to a recovery of the battery that was also monitored by the proposed algorithm. Finally, control actions are proposed that lead to the battery energy storage system to operate under normal conditions. / Al proyecto “Implementación de un programa de desarrollo e investigación de energías renovables en el departamento del Chocó”—BPIN: 20130000100285; COLCIENCIAS (Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Innovación de Colombia) y a la Universidad Tecnológica del Chocó “Diego Luis Córdoba” por el apoyo financiero recibido durante todo este proceso, para que este trabajo de tesis llegará a buen puerto. / Banguero Palacios, E. (2020). Modelado, estudio y validación experimental de la influencia de los parámetros internos en el rendimiento de sistemas de almacenamiento de energía basados en baterías. Aplicación al caso del Departamento del Chocó (Colombia) [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/138754 / TESIS

[ES] El sistema de climatización es uno de los equipos auxiliares más importantes de un vehículo, el cual mantiene un ambiente térmicamente confortable al controlar la temperatura y la humedad relativa del aire interior, sin embargo, su utilización incrementa el consumo energético global del vehículo. En la presente tesis doctoral, se desarrolla un modelo global para calcular el consumo energético y las emisiones de CO2 del sistema de climatización de vehículos cuando estos recorren un trayecto determinado. El modelo global está comprendido de tres submodelos. El primer submodelo es un modelo térmico dinámico de la cabina de un vehículo que estima la variación de la temperatura y humedad del aire interior en función de las diferentes cargas térmicas y de las condiciones exteriores (temperatura ambiente y radiación solar). El modelo fue validado de acuerdo con dos ensayos experimentales, con y sin radiación solar. Además, el modelo calcula la demanda térmica que necesita satisfacer el sistema de climatización para mantener el interior del vehículo a una temperatura predefinida. El segundo submodelo consiste en un modelo del equipo de aire acondicionado, que contiene modelos detallados de los diferentes componentes del ciclo de compresión de vapor (compresor, evaporador, condensador, dispositivo de expansión, etc.). Este modelo genera mapas de prestaciones del equipo de aire acondicionado para diferentes condiciones de trabajo (temperaturas de entrada al evaporador y condensador, velocidad del compresor, humedad relativa, etc.). El tercer submodelo integra el modelo térmico dinámico del vehículo con el modelo del equipo de aire acondicionado. Este modelo determina las prestaciones del equipo de aire acondicionado en cada paso de tiempo, en función de la demanda de refrigeración instantánea; además, calcula el consumo y las emisiones de CO2 producidas por el sistema de climatización cuando el vehículo realiza una trayectoria definida, tomando en cuenta el tipo de accionamiento del compresor (mecánico o eléctrico) y sus respectivas eficiencias de la cadena de transformación de energía. El modelo desarrollado considera la variación de las condiciones climatológicas y los cambios de dirección que el vehículo realiza a lo largo del trayecto. Finalmente, se presenta un caso de estudio en donde se estima el consumo energético y las emisiones de CO2 del sistema de climatización de un autobús con accionamiento mecánico y eléctrico. Se consideró un autobús de 50 pasajeros que realiza un trayecto extraurbano (ida y vuelta) entre las ciudades de Valencia y Madrid en un día típico de verano. Los resultados muestran que el sistema de climatización con accionamiento mecánico consume 10.2 litros de combustible (gasoil) y emite 27.3 kg de CO2 durante el viaje de ida, asumiendo que el equipo funciona a una velocidad constante del compresor de 2000 rpm. Por otro lado, el sistema de climatización en el autobús impulsado eléctricamente consume 18.1 kWh durante el viaje de ida y genera 8,2 kg de emisiones indirectas de CO2 / [CA] El sistema de climatització és un dels equips auxiliars més importants d'un vehicle, el qual manté un ambient tèrmicament confortable al controlar la temperatura i la humitat de l'aire interior, no obstant això, la seua utilització incrementa el consum energètic global del vehicle. En la present tesi doctoral, es desenvolupa un model global per a calcular el consum energètic i les emissions de CO2 del sistema de climatització de vehicles quan aquests recorren un trajecte determinat. El model global està comprés de tres submodels. El primer submodel és un model tèrmic dinàmic de la cabina d'un vehicle que estima la variació de la temperatura i humitat de l'aire interior en funció de les diferents càrregues tèrmiques i de les condicions exteriors (temperatura ambient i radiació solar). El model va ser validat d'acord amb dos assajos experimentals, amb i sense radiació solar. A més, el model calcula la demanda tèrmica que necessita satisfer el sistema de climatització per a mantenir l'interior del vehicle a una temperatura predefinida. El segon submodel consisteix en un model de l'equip d'aire condicionat, que conté models detallats dels diferents components del cicle de compressió de vapor (compressor, evaporador, condensador, dispositiu d'expansió, etc.). Aquest model genera mapes de prestacions de l'equip d'aire condicionat per a diferents condicions de treball (temperatures d'entrada a l'evaporador i condensador, velocitat del compressor, humitat relativa, etc.). El tercer submodel integra el model tèrmic dinàmic del vehicle amb el model de l'equip d'aire condicionat. Aquest model determina les prestacions de l'equip d'aire condicionat en cada pas de temps, en funció de la demanda de refrigeració instantània; a més, calcula el consum i les emissions de CO2 produïdes pel sistema de climatització quan el vehicle realitza una trajectòria definida, tenint en compte el tipus d'accionament del compressor (mecànic o elèctric) i les seues respectives eficiències de la cadena de transformació d'energia. El model desenvolupat considera la variació de les condicions climatològiques i els canvis de direcció que el vehicle realitza al llarg del trajecte. Finalment, es presenta un cas d'estudi on s'estima el consum energètic i les emissions de CO2 del sistema de climatització d'un autobús amb accionament mecànic o elèctric. Es va considerar un autobús de 50 passatgers que realitza un trajecte extraurbà (anada i tornada) entre les ciutats de València i Madrid en un dia típic d'estiu. Els resultats mostren que el sistema de climatització amb accionament mecànic consumeix 10.2 litres de combustible (gasoil) i emet 27.3 kg de CO2 durant el viatge d'anada, assumint que l'equip funciona a una velocitat constant del compressor de 2000 rpm. D'altra banda, el sistema d'aire condicionat en l'autobús impulsat elèctricament consumeix 18.1 kWh durant el viatge d'anada i genera 8,2 kg d'emissions indirectes de CO2. / [EN] The air conditioning system is one of the most important auxiliary systems in a vehicle. It provides a thermally comfortable environment by controlling the temperature and relative humidity of the indoor air; however, its excessive use increases the overall energy consumption of the vehicle. In the present Ph.D. thesis, a global model is developed to calculate the energy consumption and CO2 emissions of the automotive air conditioning system, when the vehicle travels in a determined path. The main model comprises three sub-models. The first sub-model corresponds to a dynamic thermal model of the vehicle's cabin that estimates the temperature and humidity variation of the vehicle's interior air according to the different thermal loads and the external conditions (temperature and solar radiation). It was validated according to two experimental tests, with and without solar radiation. In addition, the model calculates the thermal demand that the air conditioning system needs to maintain the interior of the vehicle at a predefined temperature. The second submodel consists in a model of air conditioning equipment, which contains detailed models of the different components of the steam compression cycle (compressor, evaporator, condenser, expansion device, etc.).This model generates performance maps for different working conditions (evaporator and condenser inlet temperatures, compressor speed, etc.). The third submodel integrates the dynamic thermal model of the vehicle with the model of the air conditioning equipment. It determines the performance of the air conditioning system for each time step based on the cooling load. Furthermore, it calculates the consumption and emissions produced by the air conditioning system when the vehicle performs a defined path. In this study, mechanically or electrically driven compressors with their respective efficiencies of the energy transformation chain were considered. The developed model takes into account the weather conditions and changes of direction that the vehicle takes along the journey Finally, a case study is presented to analyze the energy consumption and CO2 emissions of air conditioning system for a bus driven by a mechanical or an electrical motor. A 50-passenger bus was considered in the analysis. The bus makes a round trip from Valencia to Madrid on a typical summer day. Results show that the mechanically driven bus consumes 10.2 liters of fuel (diesel) and exhausts 27.3 kg of CO2 during the outward journey. The air conditioning system, in this case, is assumed to be operating at a constant compressor speed of 2000 rpm. On the other hand, the air conditioning system in electrically driven bus consumes 18.1 kWh during the outward trip and produces 8.2 kg of indirect CO2 emissions. / Además, quiero reconocer el soporte financiero brindado por el programa de becas para estudios de posgrado “CONVOCATORIA ABIERTA 2013-SEGUNDA FASE”, que fue financiado por la SENESCYT (Secretaría de Educación Superior, Ciencia, Tecnología e Innovación) (Adjudicación No 2014-AR3R7463) de Ecuador. / Vásconez Núñez, DC. (2019). Desarrollo de un modelo para el cálculo del consumo de climatización en vehículos de pasajeros urbanos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/121133 / TESIS

En el futuro, los dispositivos digitales formarán parte del entorno en el que las personas se desenvuelvan, participarán en nuestros objetivos y necesidades y nos ayudarán a "hacer más haciendo menos". A través de los dispositivos portátiles o aquellos que estén embebidos a nuestro alrededor el usuario será capaz de interactuar con el futuro universo de servicios e infraestructuras ubicuas. El principal paradigma que se seguirá se basa en que este universo estará centrado en el usuario ya que éste demandará los servicios que más le convengan en cualquier momento y lugar, todo ello preservando nuestra privacidad y seguridad. Este nuevo concepto no sólo se aplica a un entorno de ocio sino que en el campo profesional las redes inalámbricas de próxima generación permitirán incrementar nuestra productividad, reduciendo el peso de tareas repetitivas, poniendo a nuestra disposición la información relevante en el momento adecuado y según sean las necesidades particulares del usuario en ese momento y permitiéndonos trabajar con otras personas independientemente de donde se encuentren. En particular, se intuye que las redes de próxima generación se diseñen de forma que aglutinen todos los servicios disponibles a través de los diferentes sistemas que existan de forma que las posibles deficiencias de alguno de ellos se vean compensadas por otro. Lo que se pretende conseguir es que el usuario pueda disfrutar en todo momento y lugar de los servicios que desee sin que ello suponga un esfuerzo.Este concepto implica diferentes retos tecnológicos y la integración de múltiples sistemas. Dentro de estos retos tecnológicos esta Tesis aborda los siguientes: soporte de la heterogeneidad en lo referente a las tecnologías de acceso radio que existen y que eventualmente aparecerán en el futuro y que coexistirán en un mismo terminal; desarrollo de técnicas de optimización basadas en la cooperación entre diferentes capas de la pila de protocolos; implementación de estrategias de selección de la red que mejor pueda soportar un determinado servicio ante la posibilidad de utilización de múltiples tecnologías de acceso; optimización del uso de recursos energéticos en las comunicaciones dentro de la red; protección de la privacidad y la seguridad de las comunicaciones personales del usuario.Desde el punto de vista de las aportaciones, en esta Tesis se ha contribuido mediante el diseño, implementación y validación de una serie de técnicas de optimización de las comunicaciones en redes de dispositivos móviles basadas en información intercapa. Para ello, se propone una arquitectura de protocolos novedosa que permite soportar la heterogeneidad en términos de tecnologías de acceso dentro del mismo terminal. El concepto de aislar las capas superiores de la pila de protocolos de las tecnologías de acceso subyacentes se consigue a través de una Capa de Convergencia Universal (UCL, en sus siglas en inglés). El diseño y la especificación esta arquitectura así como de los bloques funcionales que la componen son la primera contribución que se hace en esta Tesis. La UCL supone el marco en el que el resto de técnicas de optimización que se presentan han sido desarrolladas.Igualmente, se desarrollan una serie de técnicas basadas en optimización intercapa que permiten una gestión eficiente de los recursos disponibles así como una mejora en el uso de la energía. Finalmente, se implementan los mecanismos de autenticación y encriptación que permiten asegurar las comunicaciones dentro de la red. El diseño, implementación y validación de estos mecanismos supone la segunda contribución en esta Tesis. El empleo de técnicas de optimización basadas en información procedentes de diferentes capas de la pila de protocolos es la base de los dos mecanismos que se han propuesto. El primero de ellos se basa en la selección dinámica de la tecnología de acceso a utilizar para obtener un rendimiento óptimo del sistema. La segunda estrategia de optimización consiste en el uso simultáneo de varias tecnologías de acceso para conseguir una mejora en las prestaciones de la red. Aparte de la optimización en cuanto al rendimiento en términos de ancho de banda y calidad de servicio, se ha evaluado la mejora de la eficiencia energética conseguida gracias a las soluciones propuestas. Los resultados obtenidos permiten concluir que las propuestas realizadas en el marco de esta Tesis representan una optimización tanto en parámetros de calidad de servicio como en la eficiencia energética del sistema.El mayor avance respecto del estado del arte se centra en habilitar al usuario para que utilice de manera transparente, eficiente y segura los dispositivos que tiene a su alrededor independientemente de la heterogeneidad que presenten y sin requerir de un conocimiento intensivo de la tecnología. El usuario podrá comunicarse haciendo un uso óptimo de los recursos a su alcance sin preocuparse de tener que gestionarlos él mismo. / In the future, computation will be human-centred: it will enter the human world, handling our goals and needs and helping us to do more by doing less. Next generation wireless systems should provide the user access with a broad range of services in a transparent way, independently of user location, by making the technology invisible and embedded in the natural surroundings. New systems will boost our productivity. They will help us automate repetitive human tasks, control a wide range of physical devices in our environment, find the information we need (when we need it, without obliging us to examine thousands of search-engine hits), and enable us to work together with other people through space and time.The achievement of this paradigm led to the identification of a set of optimizations in intra-cluster communications that were needed to fully support it. Firstly, heterogeneity will be a fundamental characteristic of next generation wireless communications since more and more personal devices are equipped with multiple network access technologies so that the user can have access to the different services that the different operational environments provide. However, Next Generation Networks (NGN) will comprise such a diverse number of possibilities that the users cannot be expected to take technical decisions on their own. It is necessary to provide mechanisms that intelligently select the optimal available access network based on context information such as user preferences, power consumption, link quality, etc. Finally, users need to trust the system that supports their personal communications. Within a personal network the most confidential information might be exchanged and the user need to be sure that this will never be disclosed. If the system fails in these features, NGN in general and PNs in particular will never happen.This Thesis has contributed with the development of the mechanisms that tackle the abovementioned challenges. The design and specification of a convergence framework, the so-called Universal Convergence Layer (UCL), has been the first topic addressed. This framework aims to manage all the network access interfaces with which a device is equipped so that they can be transparently used by upper layers as if the node were equipped with a single access technology. On the other hand, the UCL enables the cross-layer optimization paradigm. Its privileged location within the protocol stack gives the UCL the possibility to support both bottom-up and top-down information flow. In this sense, two different solutions based on cross-layer optimization have been proposed to enhance the performance and energy efficiency of the system. The first one deals with the selection at run-time of the most appropriate wireless interface to be used in order to improve the system performance. The second one leverages the striping concept in order to exploit all the network interfaces available. Finally, the UCL also plays a key role in security issues as an enabler for providing link-layer security mechanisms that ensure data confidentiality and integrity, authenticity and non-repudiation. The techniques implemented for node authentication combined with traffic encryption in ad-hoc networks have been thoroughly assessed and have demonstrated their appropriateness.The biggest advance in the state-of-the-art comes from enabling the user to have easy, affordable and seamless control of their devices over heterogeneous communications networks. They are empowered to communicate efficiently and securely with their selected interaction groups, no matter what kind of access is available for them to use.