Contribution to the simulation of new standard testing cycles by means of a 0D/1D tool

Abstract

[ES] El objetivo principal de esta tesis es establecer una metodología para predecir el consumo de combustible y las emisiones de un motor de encendido por compresión en condiciones transitorias. Además, su objetivo es explorar cómo las diferentes configuraciones del motor y los factores ambientales impactan el comportamiento del motor utilizando un enfoque de modelado 0D/1D. Además, el estudio pretende extender esta metodología a los motores duales, analizando específicamente las características de combustión de metano-diésel e hidrógeno-diésel. Para lograrlo, la herramienta de modelado 0D/1D se ajustó y validó meticulosamente utilizando un motor diésel de cuatro cilindros. Esta alineación entre la simulación y datos experimentales se centró especialmente en factores cruciales como la presión, la liberación de calor, las temperaturas en los fluidos del motor y el par. Se realizó un análisis exhaustivo del Balance Energético Global (GEB) utilizando VEMOD (Virtual Engine Model). Este análisis proporcionó información detallada sobre el consumo del motor y su reacción en diversas condiciones de funcionamiento, particularmente durante el Ciclo de ensayo mundial armonizado de vehículos ligeros (WLTC). La comparación de términos energéticos entre diferentes condiciones ambientales y de motor destacó aspectos como la fricción, la transferencia de calor y la acumulación de calor. Además, el análisis GEB permitió explorar cómo se distribuía la energía con diferentes temperaturas y altitudes ambientes. El estudio también evaluó las emisiones de NOx, revelando patrones influenciados por factores como las tasas de recirculación de gases de escape (EGR) y la temperatura de admisión. En el ámbito de los motores de combustible dual, se elaboró y validó un modelo de combustión utilizando la herramienta de simulación 0D/1D. La atención inicial se centró en la combustión de metano-Diesel, validada con datos experimentales. Posteriormente, el alcance de este modelo se amplió para simular la combustión de hidrógeno-Diesel. Esta tesis ha introducido con éxito una metodología que utiliza VEMOD para predecir el consumo y las emisiones del motor en distintos escenarios. El análisis exhaustivo arrojó luz sobre cómo funcionan los mecanismos de distribución de energía y cómo diferentes factores influyen en el comportamiento del motor. La aplicación de esta metodología a motores de encendido por compresión ha demostrado su versatilidad y capacidad de predicción, lo que la convierte en una herramienta valiosa para investigar escenarios futuros, también con combustiones duales.

[CA] L'objectiu principal d'aquesta tesi és establir una metodologia per predir el consum de combustible i les emissions d'un motor d'encesa per compressió en condicions transitòries. A més, pretén explorar com diferents configuracions de motors i factors ambientals afecten el comportament del motor mitjançant un enfocament de modelització 0D/1D. A més, l'estudi s'esforça a estendre aquesta metodologia als motors de doble combustible (duals), analitzant específicament les característiques de combustió de metà-dièsel i hidrogendièsel. Per aconseguir-ho, l'eina de modelització 0D/1D es va ajustar minuciosament i es va validar mitjançant un motor dièsel de quatre cilindres. Aquesta alineació entre dades de simulació i món real es va centrar especialment en factors crucials com la pressió, l'alliberament de calor, les temperatures dels fluids del motor i el parell. Es va realitzar una anàlisi completa del Balanç Global d'Energia (GEB) mitjançant VEMOD (Virtual Engine Model). Aquesta anàlisi va proporcionar una visió profunda sobre el consum del motor i la seua reacció en diverses condicions de funcionament, especialment durant el Cicle mundial d'assaig de vehicles lleugers harmonitzats (WLTC). La comparació de termes energètics entre diferents condicions ambientals i del motor van posar de manifest aspectes com la fricció, la transferència de calor i l'acumulació de calor. A més, l'anàlisi GEB va explorar com es va distribuir l'energia amb diferents temperatures i altituds ambientals. L'estudi també va valorar les emissions de NOx, revelant patrons influenciats per factors com la recirculació de gasos d'escapament (EGR) i la temperatura d'admissió. En l'àmbit dels motors duals, es va elaborar i validar un model de combustió mitjançant l'eina de simulació 0D/1D. El focus inicial es va centrar en la combustió metà-Diesel, validada amb dades experimentals. Posteriorment, l'abast d'aquest model es va ampliar per simular la combustió hidrogen-Diesel. Aquesta tesi ha introduït amb èxit una metodologia que utilitza VEMOD per predir el consum i les emissions del motor en diferents escenaris. L'anàlisi completa va donar llum a com funcionen els mecanismes de distribució d'energia i com diferents factors influeixen en el comportament del motor. L'aplicació d'aquesta metodologia als motors d'encesa per compressió va demostrar la seva versatilitat i capacitats de predicció, convertint-la en una valuosa eina per investigar els futurs escenaris, fins i tot amb combustions duals.

[EN] The main aim of this thesis is to establish a methodology for predicting fuel consumption and emissions of a compression ignition engine in transient conditions. Additionally, it aims to explore how different engine setups and environmental factors impact the engine's performance using a 0D/1D modelling approach. Moreover, the study strives to extend this methodology to dual fuel engines, specifically analysing methane-Diesel and hydrogen- Diesel combustion characteristics. The 0D/1D modelling tool was meticulously fine-tuned and validated using a four-cylinder Diesel engine to achieve this. This alignment between simulation and experimental data focused on crucial factors such as pressure, heat release, engine fluid temperatures and torque. A comprehensive Global Energy Balance (GEB) analysis was conducted using VEMOD (Virtual Engine Model). This analysis provided insights into the engine consumption and performance under diverse operating conditions, particularly during the Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle (WLTC). The comparison of energy terms across different engine and boundary conditions highlighted aspects such as friction, heat rejection, and heat accumulation. Additionally, the GEB analysis allowed exploration of how energy was split across varying ambient temperatures and altitudes. The study also assessed NOx emissions, revealing patterns influenced by factors such as Exhaust Gas Recirculation (EGR) rates and intake temperature. A combustion model was developed and validated using the 0D/1D simulation tool in the scope of dual fuel engines. The initial focus was on methane-Diesel combustion, validated against experimental data. Subsequently, this model scope was expanded to simulate hydrogen-Diesel combustion. This thesis has successfully introduced a methodology based on VEMOD to predict engine consumption and emissions across varying scenarios. The comprehensive analysis illuminated how energy distribution mechanisms operate and how factors influence engine performances. The application of this methodology to compression ignition engines demonstrated its versatility and prediction capabilities, making it a valuable tool for investigating future combustion scenarios, including dual fuel operation.