A STUDY OF MODEL-BASED CONTROL STRATEGY FOR A GASOLINE TURBOCHARGED DIRECT INJECTION SPARK IGNITED ENGINE

To meet increasingly stringent fuel economy and emissions legislation, more advanced technologies have been added to spark-ignition (SI) engines, thus exponentially increase the complexity and calibration work of traditional map-based engine control. To achieve better engine performance without introducing significant calibration efforts and make the developed control system easily adapt to future engines upgrades and designs, this research proposes a model-based optimal control system for cycle-by-cycle Gasoline Turbocharged Direct Injection (GTDI) SI engine control, which aims to deliver the requested torque output and operate the engine to achieve the best achievable fuel economy and minimum emission under wide range of engine operating conditions. This research develops a model-based ignition timing prediction strategy for combustion phasing (crank angle of fifty percent of the fuel burned, CA50) control. A control-oriented combustion model is developed to predict burn duration from ignition timing to CA50. Using the predicted burn duration, the ignition timing needed for the upcoming cycle to track optimal target CA50 is calculated by a dynamic ignition timing prediction algorithm. A Recursive-Least-Square (RLS) with Variable Forgetting Factor (VFF) based adaptation algorithm is proposed to handle operating-point-dependent model errors caused by inherent errors resulting from modeling assumptions and limited calibration points, which helps to ensure the proper performance of model-based ignition timing prediction strategy throughout the entire engine lifetime. Using the adaptive combustion model, an Adaptive Extended Kalman Filter (AEKF) based CA50 observer is developed to provide filtered CA50 estimation from cyclic variations for the closed-loop combustion phasing control. An economic nonlinear model predictive controller (E-NMPC) based GTDI SI engine control system is developed to simultaneously achieve three objectives: tracking the requested net indicated mean effective pressure (IMEPn), minimizing the SFC, and reducing NOx emissions. The developed E-NMPC engine control system can achieve the above objectives by controlling throttle position, IVC timing, CA50, exhaust valve opening (EVO) timing, and wastegate position at the same time without violating engine operating constraints. A control-oriented engine model is developed and integrated into the E-NMPC to predict future engine behaviors. A high-fidelity 1-D GT-POWER engine model is developed and used as the plant model to tune and validate the developed control system. The performance of the entire model-based engine control system is examined through the software-in-the-loop (SIL) simulation using on-road vehicle test data

In-Cylinder Pressure-Based Control of Premixed Dual-Fuel Combustion

[ES] La actual crisis climática ha instado a la comunidad investigadora y a los fabricantes a brindar soluciones para hacer que el sector del transporte sea más sostenible. De entre las diversas tecnologías propuestas, la combustión a baja temperatura ha sido objeto de una extensa investigación. La combustión premezclada dual-fuel es uno de los conceptos que abordan el compromiso de NOx-hollín en motores de encendido por compresión manteniendo alta eficiencia térmica. Esta combustión hace uso de dos combustibles con diferentes reactividades para mejorar la controlabilidad de este modo de combustión en un amplio rango de funcionamiento. De manera similar a todos los modos de combustión premezclados, esta combustión es sensible a las condiciones de operación y suele estar sujeta a variabilidad cíclica con gradientes de presión significativos. En consecuencia, se requieren estrategias de control avanzadas para garantizar un funcionamiento seguro y preciso del motor. El control en bucle cerrado es una herramienta eficaz para abordar los desafíos que plantea la combustión premezclada dual-fuel. En este tipo de control, para mantener el funcionamiento deseado, las acciones de control se adaptan y corrigen a partir de una retroalimentación con las señales de salida del motor. Esta tesis presenta estrategias de control basadas en la medición de la señal de presión en el cilindro, aplicadas a motores de combustión premezclada dual-fuel. En ella se resuelven diversos aspectos del funcionamiento del motor mediante el diseño de controladores dedicados, haciéndose especial énfasis en analizar e implementar estas soluciones a los diferentes niveles de estratificación de mezcla considerados en estos motores (es decir, totalmente, altamente y parcialmente premezclada). Inicialmente, se diseñan estrategias de control basadas en el procesamiento de la señal de presión en el cilindro y se seleccionan acciones proporcionales-integrales para asegurar el rendimiento deseado del motor sin exceder las limitaciones mecánicas del motor. También se evalúa la técnica extremum seeking para realizar una supervisión de una combustión eficiente y la reducción de emisiones de NOx. Luego se analiza la resonancia de la presión en el cilindro y se implementa un controlador similar a aquel usado para el control de knock para garantizar el funcionamiento seguro del motor. Finalmente, se utilizan modelos matemáticos para diseñar un modelo orientado a control y un observador que tiene como objetivo combinar las señales medidas en el motor para mejorar las capacidades de predicción y diagnóstico en dicha configuración de motor. Los resultados de este trabajo destacan la importancia de considerar el control en bucle cerrado para abordar las limitaciones encontradas en los modos de combustión premezclada. En particular, el uso de la medición de presión en el cilindro muestra la relevancia y el potencial de esta señal para desarrollar estrategias de control complejas y precisas.[CA] L'actual crisi climàtica ha instat a la comunitat investigadora i als fabricants a brindar solucions per a fer que el sector del transport siga més sostenible. D'entre les diverses tecnologies proposades, la combustió a baixa temperatura ha sigut objecte d'una extensa investigació. La combustió premesclada dual-fuel és un dels conceptes que aborden el compromís de NOx-sutge en motors d'encesa per compressió mantenint alta eficiència tèrmica. Aquesta combustió fa ús de dos combustibles amb diferents reactivitats per a millorar la controlabilitat d'aquest tipus de combustió en un ampli rang de funcionament. De manera similar a tots els tipus de combustió premesclada, aquesta combustió és sensible a les condicions d'operació i sol estar subjecta a variabilitat cíclica amb gradients de pressió significatius. En conseqüència, es requereixen estratègies de control avançades per a garantir un funcionament segur i precís del motor. El control en bucle tancat és una eina eficaç per a abordar els desafiaments que planteja la combustió premesclada dual-fuel. En aquesta mena de control, per a mantindre el funcionament desitjat, les accions de control s'adapten i corregeixen a partir d'una retroalimentació amb els senyals d'eixida del motor. Aquesta tesi presenta estratègies de control basades en el mesurament del senyal de pressió en el cilindre, aplicades a motors de combustió premesclada dual-fuel. En ella es resolen diversos aspectes del funcionament del motor mitjançant el disseny de controladors dedicats, fent-se especial èmfasi a analitzar i implementar aquestes solucions als diferents nivells d'estratificació de mescla considerats en aquests motors (és a dir, totalment, altament i parcialment premesclada). Inicialment, es dissenyen estratègies de control basades en el processament del senyal de pressió en el cilindre i se seleccionen accions proporcionals-integrals per a assegurar el rendiment desitjat del motor sense excedir les limitacions mecàniques del motor. També s'avalua la tècnica extremum seeking per a realitzar una supervisió d'una combustió eficient i la reducció d'emissions de NOx. Després s'analitza la ressonància de la pressió en el cilindre i s'implementa un controlador similar a aquell usat per al control de knock per a garantir el funcionament segur del motor. Finalment, s'utilitzen models matemàtics per a dissenyar un model orientat a control i un observador que té com a objectiu combinar els senyals mesurats en el motor per a millorar les capacitats de predicció i diagnòstic en aquesta configuració de motor. Els resultats d'aquest treball destaquen la importància de considerar el control en bucle tancat per a abordar les limitacions trobades en la combustió premesclada. En particular, l'ús del mesurament de pressió en el cilindre mostra la rellevància i el potencial d'aquest senyal per a desenvolupar estratègies de control complexes i precises.[EN] The current climate crisis has urged the research community and manufacturers to provide solutions to make the transportation sector cleaner. Among the various technologies proposed, low temperature combustion has undergone extensive investigation. Premixed dual-fuel combustion is one of the concepts addressing the NOx-soot trade-off in compression ignited engines, while maintaining high thermal efficiency. This combustion makes use of two fuels with different reactivities in order to improve the controllability of this combustion mode over a wide range of operation. Similarly to all premixed combustion modes, this combustion is nevertheless sensitive to the operating conditions and traditionally exhibits cycle-to-cycle variability with significant pressure gradients. Consequently, advanced control strategies to ensure a safe and accurate operation of the engine are required. Feedback control is a powerful approach to address the challenges raised by the premixed dual-fuel combustion. By measuring the output signals from the engine, strategies can be developed to adapt and correct the control actions to maintain the desired operation. This thesis presents control strategies, based on the in-cylinder pressure signal measurement, applied to premixed dual-fuel combustion engines. Various objectives were addressed by designing dedicated controllers, where a special emphasis was made towards analyzing and implementing these solutions to the different levels of mixture stratification considered in these engines (i.e., fully, highly and partially premixed). At first, feedback control strategies based on the in-cylinder pressure signal processing were designed. Proportional-integral actions were selected to ensure the desired engine performance without exceeding the mechanical constraints of the engine. Extremum seeking was evaluated to track efficient combustion phasing and NOx emissions reduction. The in-cylinder pressure resonance was then analyzed and a knock-like controller was implemented to ensure safe operation of the engine. Finally, mathematical models were used to design a control-oriented model and a state observer that aimed to leverage the signals measured in the engine to improve the prediction and diagnostic capabilities in such engine configuration. The results from this work highlighted the importance of considering feedback control to address the limitations encountered in premixed combustion modes. Particularly, the use of the in-cylinder pressure measurement showed the relevance and potential of this signal to develop complex and accurate control strategies.This thesis was financially supported by the Programa Operativo del Fondo Social Europeo (FSE) de la Comunitat Valenciana 2014-2020 through grant ACIF/2018/141.Barbier, ARS. (2022). In-Cylinder Pressure-Based Control of Premixed Dual-Fuel Combustion [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/18327

In-cylinder pressure resonance analysis for trapped mass estimation in automotive engines

This thesis presents a new application for in-cylinder pressure sensors in internal combustion engines. The new method takes profit of the high-frequency content of the in-cylinder pressure signal to determine the speed of sound evolution during the expansion stroke and combines this estimation with the low-frequency content of the pressure signal and a volume estimation to obtain a measurement of the trapped mass. The new method is based on the studies of the resonance phenomenon in pent-roof combustion chambers and proposes three calibration procedures to determine the resonant frequency evolution when bowl-in-piston geometries are considered. The Fourier transform has been modified in order to include harmonics with frequency variations, which allows a rapid identification of the resonant modes with no need of time-frequency analysis, e.g. STFT or WD. The main limitation of the method resides in the resonance excitation, which may be insufficient in low-load conditions, such as idle. An observer is presented to overcome that problem. The observer takes into account the dynamics of the sensors, the dynamics at the intake manifold, and combines current flow sensors with intermittent measurements, such as the trapped mass obtained by the resonance method, to provide the system with accurate and robust measurements of the trapped mass, the EGR, and the composition at the exhaust. The trapped mass obtained by the resonance method has been compared with auxiliary methods in various experimental facilities: in a SI engine, where no EGR exist, the differences founded were below 1%, in a conventional CI light-duty engine the average of the differences over 808 operating conditions accounted for a 2.64 %, in a research heavy-duty RCCI engine, with EGR, port fuel gasoline, and direct diesel injections, the average difference was 2.17 %, and in a research two-strokes single cylinder engine, where significant short-circuit and residual gases exist, the differences founded were 4.36 %. In all the studied cases the differences founded with the reference estimation can be attributed to the auxiliary method employed and its expected error. In order to demonstrate the potential of the resonance method four applications for control and diagnosis of internal combustion engines have been proposed: the estimation of residuals in engines with NVO, the prediction of knock in SI engines, the estimation of the exhaust gases temperature, and a NOx model for CI engines. In the four applications the method was compared with current methodologies and with additional sensors, demonstrating the improvement in accuracy and a cycle-to-cycle resolution.Esta tesis presenta una nueva aplicación para los sensores de presión en cámara. El nuevo método utiliza el contenido de alta frecuencia de la señal de presión en cámara para estimar la evolución de la velocidad del sonido durante la expansión de los gases de escape y combina esta estimación con el contenido de baja frecuencia de la presión en cámara y el volumen instantáneo de la cámara para obtener una medida de la masa atrapada. El nuevo método está basado en los estudios de la resonancia en cámaras de combustión cilíndricas y propone tres procedimientos de calibración para estimar la evolución de la frecuencia de resonancia en cámaras de combustión con bowl. La transformada de Fourier ha sido modificada para considerar harmónicos con frecuencias que varían en el tiempo, lo que permite una rápida identificación de los modos de resonancia sin necesidad de utilizar un análisis en tiempo frecuencia, como por ejemplo STFT o WD. La principal limitación del método es la necesidad de excitación suficiente de la resonancia, que puede impedir su uso en condiciones de baja carga como el ralentí. Para solventar este problema se ha diseñado un observador. El observador incluye las dinámicas de los sensores, las dinámicas del colector de admisión, y combina los sensores actuales de flujo con medidas intermitentes (como la medida ofrecida por el nuevo método de la resonancia) para obtener medidas de la masa atrapada, del EGR y de la composición en el escape precisas y robustas. La medida de la masa atrapada obtenida por el método de la resonancia ha sido comparado con métodos auxiliares en diferentes instalaciones experimentales: en un motor SI, sin EGR, las diferencias con los sensores eran menores del 1%, en un motor convencional CI la media de las diferencias sobre 808 puntos de operación distintos ha sido de 2.64 %, en un motor de investigación con EGR, con inyección gasolina en el colector e inyección directa de diesel, las diferencias fueron de 2.17 %, y en un motor de investigación de dos tiempos, donde existían grandes cantidades de corto-circuito y gases residuales, las diferencias fueron de 4.36 %. En todos los casos estudiados las diferencias encontradas pueden ser atribuidas a los errores que caracterizan los métodos auxiliares utilizados para obtener la medida de referencia. Finalmente, para demostrar el potencial del método se han desarrollado cuatro aplicaciones para control y diagnóstico de motores de combustión interna alternativos: la estimación de gases residuales en motores con NVO, la predicción de knock en motores SI, la estimación de la temperatura de los gases de escape, y un modelo de NOx para motores CI. En las cuatro aplicaciones el método ha sido comparado con los sistemas de medidas actuales y con sensores adicionales, demostrando mejoras importantes en la precisión de la medida y una resolución de un solo ciclo.Aquesta tesi presenta una nova aplicació per als sensors de pressió en cambra. El nou mètode utilitza el contingut d'alta freqüència del senyal de pressió en cambra per estimar l'evolució de la velocitat del so durant l'expansió dels gasos d'eixida i combina aquesta estimació amb el contingut de baixa freqüència de la pressió en cambra i el volum instantani de la cambra per obtenir una mesura de la massa atrapada. El nou mètode està desenvolupat dels estudis de la ressonància en cambres de combustió cilíndriques i proposa tres procediments de calibratge per estimar l'evolució de la freqüència de ressonància en cambres de combustió amb bowl. La transformada de Fourier ha sigut modificada per considerar harmònics amb freqüències que varien en el temps, el que permet una ràpida identificació dels modes de ressonància sense necessitat d'utilitzar una anàlisi en temps-freqüència, com per exemple la STFT o la WD. La principal limitació del mètode és la necessitat d'excitació suficient de la ressonància, que pot impedir el seu ús en condicions de baixa càrrega, com al ralentí. Per solucionar aquest problema s'ha desenvolupat un observador. L'observador inclou les dinàmiques dels sensors, les dinàmiques del col·lector d'admissió, i combina els sensors actuals de flux amb mesures intermitents (com l'obtinguda pel nou mètode de la ressonància) per obtenir mesures de la massa atrapada, del EGR i de la composició d'eixida precises i robustes. La mesura de la massa atrapada obtinguda pel mètode de la ressonància ha sigut comparada en mètodes auxiliars en diferents instal·lacions experimentals: a un motor SI, sense EGR, les diferencies amb els sensors estaven per davall de l'1 %, a un motor convencional CI la mitja de les diferències sobre 808 punts d'operació diferents ha sigut de 2.64 %, a un motor d'investigació, en EGR, en injecció gasolina en el col·lector i injecció directa de dièsel, les diferències van ser de 2.17 %, i a un motor d'investigació de dos temps, on existien grans quantitats de curtcircuit i residuals, les diferencies foren de 4.36 %. En tots els casos estudiats les diferències trobades poden ser atribuïdes als errors que caracteritzen els mètodes auxiliars utilitzats per obtenir la mesura de referència. Finalment, per demostrar el potencial del mètode s'han desenvolupat quatre aplicacions per al control i diagnòstic de motors de combustió interna alternatius: l'estimació de gasos residuals en motors amb NVO, la predicció de knock en motors SI, l'estimació de la temperatura dels gasos d'eixida, i un model de NOx per a motors CI. En les quatre aplicacions el mètode ha sigut comparat amb els sistemes de mesures actuals i amb sensors addicionals, demostrant millores importants en la precisió de la mesura i una resolució de solament un cicle.Bares Moreno, P. (2017). In-cylinder pressure resonance analysis for trapped mass estimation in automotive engines [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/9042

Fuel Economy and Greenhouse Gas Reduction Potentials of Advanced Combustion Modes in Light-Duty Vehicles: A Well-to-Wheel Analysis using Vehicle Systems Simulations with Experimental Engine Data

Vehicle fuel efficiency and emissions regulations are driving a radical shift in the need for high efficiency powertrains along with control of criteria air pollutants and greenhouse gases. High efficiency powertrains including vehicle electrification, engine downsizing, and advanced combustion concepts all seek to accomplish these goals. Homogeneous charge compression ignition (HCCI) concepts have been proposed have not been able to demonstrate the controllability to operate over a sufficient engine speed and load range to make it practical for implementation in production vehicles. In-cylinder blending of gasoline and diesel to achieve reactivity controlled compression ignition (RCCI) has been shown to reduce NOX and PM emissions while maintaining or improving brake thermal efficiency as compared to conventional diesel combustion (CDC). The RCCI concept has an advantage over many advanced combustion strategies in that the fuel reactivity can be tailored to the engine speed and load allowing stable low-temperature combustion to be extended over more of the light-duty drive cycle load range. The potential for advanced combustion concepts such as RCCI to reduce drive cycle fuel economy and emissions is not clearly understood and is explored in this research by simulating the fuel economy and emissions for a multi-mode RCCI-enabled vehicle operating over a variety of U.S. drive cycles using experimental engine maps for multi-mode RCCI, CDC and a 2009 port-fuel injected (PFI) gasoline engine. Simulations are completed assuming a conventional mid-size passenger vehicle with an automatic transmission. RCCI fuel economy simulation results are compared to the same vehicle powered by a representative 2009 PFI gasoline engine over multiple drive cycles Engine-out drive cycle emissions are compared to CDC and observations regarding relative gasoline and diesel tank sizes needed for the various drive cycles are also summarized. The well-to-wheel energy and greenhouse gas emissions from these drive cycle simulations running carious amounts of biofuels are examined and compared to the state-of-the art in conventional, electric and hybrid powertrains

Assessment of fuel consumption reduction strategies on a gasoline turbocharged direct injection engine with a cooled EGR system

[EN] This research work presents the study of a low pressure EGR loop influence on a SI gasoline turbocharged direct injection engine in steady and transient testing conditions, with an optimization process of the original engine calibration in order to minimize the engine fuel consumption when cooled EGR is introduced in steady testing conditions. The cooled EGR strategy was also evaluated operating in synergy with other fuel consumption reduction strategies, such as: lean burn, multi-injection, higher coolant temperature and in-cylinder induced swirl motion. To fulfill the main objectives of this research work, firstly, a methodical process was followed, where a global methodology was first developed in order to obtain high accuracy engine tests, based on the experimental tools chosen that could comply with the requirements of the testing conditions, and the appropriate theoretical tools and procedure to post-process the tests performed. Secondly, a specific methodology was developed for each stage of the study and testing conditions, taking into account optimization processes or parametric tests in order to study the effect of a single parameter on engine's outputs or optimize an engine parameter in order to minimize the engine fuel consumption. As a first stage of the study, a basic analysis of the impact of cooled EGR on the engine combustion, performance, air management and exhaust emissions is presented. Afterwards, an optimization of the combustion phasing in order to minimize the fuel consumption was performed, and therefore the potential of cooled EGR in order to reduce the engine fuel consumption was observed for low load, part load and full load engine conditions, for two different engine speeds. In addition, a study in transient conditions of the engine operating with cooled EGR was performed. NEDC cycles were performed with different EGR valve openings and therefore a comparison of different cooled EGR rates influence on the engine performance, air management and accumulated exhaust emissions was presented. The second stage, consisted in a methodology developed to optimize the VVT setting and injection timing, for part load engine conditions, in order to maximize the cooled EGR potential to reduce engine fuel consumption. After this optimization, a synergy analysis of the optimum engine condition operating with cooled EGR and three other engine fuel consumption reduction strategies was performed. These strategies were tested to investigate and evaluate the potential of increasing the cooled EGR operational range to further decrease the engine fuel consumption. Furthermore, a basic study of the potential to reduce the engine fuel consumption and impact on combustion, air management and exhaust emissions of a lean burn strategy, in part load engine conditions, was presented as introduction of the final study of the cooled EGR strategy operating in synergy with the lean burn strategy in order to investigate the potential to control the exhaust emissions and reduce the engine fuel consumption.[ES] El objetivo de este trabajo de investigación es estudiar la influencia de un lazo de baja presión de EGR en las prestaciones de un motor de gasolina de encendido provocado turbosobrealimentado e inyección directa, en condiciones de ensayos estacionarios y transitorios, con un proceso de optimización de la calibración original del motor para minimizar el consumo de combustible del motor. La estrategia de "cooled EGR" fue también evaluada operando en sinergia con otras estrategias usadas para reducir el consumo de combustible del motor, entre ellas: mezcla pobre, múltiples inyecciones, operación a alta temperatura del fluido refrigerante del motor y movimiento de "swirl" inducido en el cilindro. Para cumplir con los objetivos mencionados, se siguió un proceso metódico donde previamente se desarrolló una metodología global para obtener resultados de indudable calidad, basados en el uso de herramientas experimentales que cumplieran con los requerimientos de las condiciones de ensayo, y las apropiadas herramientas teóricas y procedimiento para post-procesar los ensayos realizados. En segundo lugar, se desarrolló una metodología específica para cada etapa del estudio, teniendo en cuenta los procesos de optimización o estudios paramétricos que se pudieran realizar. Como primera etapa, se presenta un estudio básico del impacto del "cooled EGR" en la combustión, prestaciones, renovación de la carga y emisiones contaminantes del motor. Seguidamente, se procedió a la optimización del centrado de la combustión con la finalidad de minimizar el consumo de combustible del motor y poder analizar el potencial del "cooled EGR" como estrategia de reducción de consumo de combustible. El estudio presentado se realizó para baja, media y alta carga del motor con dos diferentes regímenes de giro del motor. Adicionalmente, se llevó a cabo un estudio del motor operando en condiciones transitorias con "cooled EGR". Se realizaron una serie de ensayos usando el ciclo NEDC como base y se probaron diferentes estrategias sencillas de control de la apertura de la válvula de EGR para analizar la influencia del "cooled EGR" en condiciones transitorias. La segunda etapa consiste en el desarrollo de una metodología para optimizar los parámetros del diagrama de distribución (VVT) y el inicio de inyección, para cargas medias del motor, con la finalidad de maximizar el potencial de reducción de consumo de combustible de la estrategia "cooled EGR". Una vez realizada la optimización, se llevó a cabo un estudio usando la configuración óptima encontrada, operando en sinergia con otras tres estrategias usadas para reducir el consumo de combustible del motor. Estas estrategias fueron evaluadas con la finalidad de incrementar el rango de operación de la estrategia "cooled EGR" para lograr reducir aún más el consumo de combustible del motor. Adicionalmente, se llevó a cabo un estudio básico sobre la influencia de operar con mezcla pobre en la combustión, prestaciones, renovación de la carga y emisiones contaminantes del motor, como introducción al último estudio llevado a cabo sobre la posibilidad de usar la estrategia de mezcla pobre en conjunto con la estrategia de "cooled EGR", con la finalidad de analizar el potencial de controlar las emisiones contaminantes y reducir el consumo de combustible del motor al mismo tiempo.[CA] L'objectiu d'este treball d'investigació és estudiar la influència d'un llaç de baixa pressió d'EGR en les prestacions d'un motor de gasolina d'encesa provocat turbosobrealimentat i injecció directa, en condicions d'assajos estacionaris i transitoris, amb un procés d'optimització del calibratge original del motor per a minimitzar el consum de combustible del motor. L'estratègia de "cooled EGR" va ser també avaluada operand en sinergia amb altres estratègies usades per a reduir el consum de combustible del motor, entre elles: mescla pobra, múltiples injeccions, operació a alta temperatura del fluid refrigerant del motor i moviment de `"swirl" induït en el cilindre. Per a complir amb els objectius mencionats, es va seguir un procés metòdic on prèviament es va desenrotllar una metodologia global per a obtindre resultats d'indubtable qualitat, basats en l'ús de ferramentes experimentals que compliren amb els requeriments de les condicions d'assaig, i les apropiades ferramentes teòriques i procediment per a post- processar els assajos realitzats. En segon lloc, es va desenrotllar una metodologia específica per a cada etapa de l'estudi, tenint en compte els processos d'optimització o estudis paramètrics que es pogueren realitzar. Com a primera etapa, es presenta un estudi bàsic de l'impacte del "cooled EGR" en la combustió, prestacions, renovació de la càrrega i emissions contaminants del motor. A continuació, es va procedir a l'optimització del centrat de la combustió amb la finalitat de minimitzar el consum de combustible del motor i poder analitzar el potencial del "cooled EGR" com a estratègia de reducció de consum de combustible. L'estudi presentat es va realitzar per a baixa, mitja i alta càrrega del motor amb dos diferents règims de gir del motor. Addicionalment, es va dur a terme un estudi del motor operand en condicions transitòries amb "cooled EGR". Es van realitzar una sèrie d'assajos usant el cicle NEDC com a base i es van provar diferents estratègies senzilles de control de l'obertura de la vàlvula d'EGR per a analitzar la influència del "cooled EGR" en condicions transitòries. La segona etapa consistix en el desenrotllament d'una metodologia per a optimitzar els paràmetres del diagrama de distribució (VVT) i l'inici d'injecció, per a càrregues mitges del motor, amb la finalitat de maximitzar el potencial de reducció de consum de combustible de l'estratègia "cooled EGR". Una vegada realitzada l'optimització, es va dur a terme un estudi usant la configuració òptima trobada, operant en sinergia amb altres tres estratègies usades per a reduir el consum de combustible del motor. Estes estratègies van ser avaluades amb la finalitat d'incrementar el rang d'operació de l'estratègia "cooled EGR" per a aconseguir reduir encara més el consum de combustible del motor. Addicionalment, es va dur a terme un estudi bàsic sobre la influència d'operar amb mescla pobra en la combustió, prestacions, renovació de la càrrega i emissions contaminants del motor, com a introducció a l'últim estudi dut a terme sobre la possibilitat d'usar l'estratègia de mescla pobra en conjunt amb l'estratègia de "cooled EGR", amb la finalitat d'analitzar el potencial de controlar les emissions contaminants i reduir el consum de combustible del motor al mateix temps.Rivas Perea, ME. (2016). Assessment of fuel consumption reduction strategies on a gasoline turbocharged direct injection engine with a cooled EGR system [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/68497TESI

Investigation of the influence of engine settings on the heat flux in a hydrogen- and methane-fueled spark ignition engine

Hydrogen-fueled internal combustion engines are a possible solution to make transportation more ecological. Only emissions of oxides of nitrogen (NOx) occur at high loads, being a constraint for power and efficiency optimization. A thermodynamic model of the engine cycle enables a cheap and fast optimization of engine settings. It needs to accurately predict the heat transfer in the engine because the NOx emissions are influenced by the maximum gas temperature. However, the existing engine heat transfer models in the literature are developed for fossil fuels and they have been cited to be inaccurate for hydrogen. We have measured the heat transfer inside a spark ignited engine with a thermopile to investigate the heat transfer process of hydrogen and to find the differences with a fossil fuel. This paper describes the effects of the compression ratio, ignition timing and mixture richness on the heat transfer process, comparing hydrogen with methane. A convection coefficient is used to separate the effect of the temperature difference between the gas and the wall from the influence of the gas movement and combustion. The paper shows that the convection coefficient gives more insight in the heat transfer process in a combustion engine despite the assumptions involved in its definition. The comparison between hydrogen and methane demonstrates, in contrast to what is believed, that the heat loss of hydrogen can be lower

Cylinder charge composition observation based on in-cylinder pressure measurement

[EN] Accurate cylinder charge and composition estimation is crucial for proper combustion control, however, current sensors and models show different issues for transient estimation. The work presented in this paper combines a novel technique for trapped mass estimation, which relies on the in-cylinder pressure resonance, with on-board engine sensors by taking into account the intake manifold dynamics with a closed-loop observer. The resonance method provides a measurement of trapped mass with one cycle resolution. This measurement feeds a Kalman filter to improve the transient and steady response of the intake charge and composition estimation. The observer was validated in a four stroke heavy-duty engine, showing fast transient capabilities and an adequate steady-state accuracy.This work was partially supported by Ministerio de Economia y Competitividad through Project TRA2016-78717-R. C. Guardiola research has been partially financed by the Fulbright Commission and the Spanish Ministerio de Educacion, Cultura y Deporte through grant PRX14/00274.Guardiola, C.; Pla Moreno, B.; Bares-Moreno, P.; Stefanopoulou, A. (2019). Cylinder charge composition observation based on in-cylinder pressure measurement. Measurement. 131:559-568. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2018.08.024S55956813

THIESEL 2020.Thermo-and Fluid Dynamic Processes in Direct Injection Engines.8th-11th September

'The THIESEL 2020 Conference on Thermo-and Fluid Dynamic Processes in Direct Injection Engines planned in Valencia (Spain) for 8th to 11th September 2020 has been successfully held in a virtual format, due to the COVID19 pandemic. In spite of the very tough environmental demands, combustion engines will probably remain the main propulsion system in transport for the next 20 to 50 years, at least for as long as alternative solutions cannot provide the flexibility expected by customers of the 21st century. But it needs to adapt to the new times, and so research in combustion engines is nowadays mostly focused on the new challenges posed by hybridization and downsizing. The topics presented in the papers of the conference include traditional ones, such as Injection & Sprays, Combustion, but also Alternative Fuels, as well as papers dedicated specifically to CO2 Reduction and Emissions Abatement.Papers stem from the Academic Research sector as well as from the IndustryXandra Marcelle, M.; Desantes Fernández, JM. (2020). THIESEL 2020.Thermo-and Fluid Dynamic Processes in Direct Injection Engines.8th-11th September. Editorial Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/150759EDITORIA

General aviation piston-engine exhaust emission reduction

To support the promulgation of aircraft regulations, two airports were examined, Van Nuys and Tamiami. It was determined that the carbon monoxide (CO) emissions from piston-engine aircraft have a significant influence on the CO levels in the ambient air in and around airports, where workers and travelers would be exposed. Emissions standards were set up for control of emissions from aircraft piston engines manufactured after December 31, 1979. The standards selected were based on a technologically feasible and economically reasonable control of carbon monoxide. It was concluded that substantial CO reductions could be realized if the range of typical fuel-air ratios could be narrowed. Thus, improvements in fuel management were determined as reasonable controls