Combustion with a high surface area continuous solid immersed within the flame, referred to as combustion in porous media, is an innovative approach to combustion as the solid within the flame acts as an internal regenerator distributing heat from the combustion byproducts to the upstream reactants. By including the solid structure, radiative energy extraction becomes viable, while the solid enables a vast extension of flammability limits compared to conventional flames, while offering dramatically reduced emissions of NOx and CO, and dramatically increased burning velocities. Efforts documented within are used for the development of a streamlined set of design principles, and characterization of the flame's behavior when operating under such conditions, to aid in the development of future combustors for lean burn applications in open flow systems. Principles described herein were developed from a combination of experimental work and reactor network modeling using CHEMKIN-PRO. Experimental work consisted of a parametric analysis of operating conditions pertaining to reactant flow, combustion chamber geometric considerations and the viability of liquid fuel applications. Experimental behavior observed, when utilizing gaseous fuels, was then used to validate model outputs through comparing thermal outputs of both systems. Specific details pertaining to a streamlined chemical mechanism to be used in simulations, included within the appendix, and characterization of surface area of the porous solid are also discussed. Beyond modeling the experimental system, considerations are also undertaken to examine the applicability of exhaust gas recirculation and staged combustion as a means of controlling the thermal and environmental output of porous combustion systems. This work was supported by ACS PRF "51768-ND10 and NSF IIP 1343454.

[ES] El trabajo de investigación presentado en esta tesis es el resultado de varios años dedicados al desarrollo, la implementación y la optimización de dos tecnologías combinadas: un concepto de combustión innovador y una arquitectura de motor de nuevo diseño. Esta investigacion se ha realizado en el marco de una colaboración con Renault SA, como continuación de las actividades realizadas en el proyecto europeo POWERFUL (POWERtrain for FUture Light-duty vehicles) por un lado,y en el marco del proyecto europeo REWARD (Real World Advanced technologies foR Diesel engines), devenido como continuación del proyecto POWERFUL en el marco del programa de investigación Horizonte 2020, por otro lado. Los principales objetivos de estos estudios eran evaluar el potencial del concepto de combustión parcialmente premezclada (PPC) operando con gasolina como combustible en un innovador motor de 2 tiempos de válvulas en culata, y luego diseñar una nueva geometría de motor de 2 tiempos utilizando la arquitectura Uniflujo para superar los principales problemas y limitaciones observados durante la primera etapa, que se pueden resumir principalmente en el rendimiento de barrido (especialmente trabajando en cargas elevadas). La metodología diseñada para este trabajo de investigación sigue un enfoque teórico-experimental. La evaluación del concepto de combustión PPC operando con gasolina se llevó a cabo principalmente con un enfoque experimental con el apoyo del análisis en línea directamente en el banco de ensayo, seguido de un exhaustivo tratamiento posterior de los datos y de un análisis detallado del proceso de combustión utilizando herramientas de diagnóstico. Por el contrario, el desarrollo del nuevo motor Uniflujo de 2 tiempos consistió principalmente en iteraciones sobre modelado 3D-CFD, si bien las actividades experimentales fueron fundamentales para validar las diferentes soluciones propuestas y evaluar su sensibilidad ante diferentes parámetros de interés utilizando una metodología de Diseño de Experimentos (DoE). La primera parte del trabajo se ha dedicado a la comprensión de los procesos termodinámicos involucrados en la combustión operando con el concepto PPC en un motor de 2 tiempos de válvulas en culata utilizando gasolina como combustible, y a evaluar su potencial en términos de emisiones contaminantes, consumo de combustible y ruido. Por último, se ha realizado un trabajo de exploración para ampliar en la medida de lo posible el rango de funcionamiento de este concepto de combustión en esta configuración específica del motor, investigando especialmente el rendimiento en cargas bajas en todo el rango de regímenes de giro del motor, y estableciendo también las principales limitaciones para la operación en cargas altas. La segunda parte de la tesis se ha centrado en el desarrollo y optimización teórica de un motor Uniflujo de 2 tiempos de nuevo diseño, incluyendo su fabricación y validación experimental. El objetivo principal era optimizar, utilizando principalmente simulaciones 3D-CFD, el rendimiento de barrido de esta arquitectura de 2 tiempos mediante el diseño de nuevas geometrías de puertos de admisión, permitiendo un gran control sobre el flujo de aire hacia y a través del cilindro para barrer al máximo los gases quemados y minimizar el cortocircuito de aire fresco hacia el escape. Las soluciones óptimas se evaluaron experimentalmente siguiendo la metodología DoE, antes de comparar finalmente los resultados de rendimiento de barrido con la anterior arquitectura de motor de 2 tiempos con válvulas en culata. / [CA] El treball de recerca presentat en aquesta tesi és el resultat de diversos anys dedicats al desenvolupament, la implementació i l'optimització de dues tecnologies combinades: un concepte de combustió innovador i una arquitectura de motor de nou disseny. Aquesta recerca s'ha realitzat en el marc d'una col·laboració amb Renault SA, com a continuació de les activitats del projecte europeu *POWERFUL (*POWERtrain *for *FUture Light-*duty *vehicles) d'una banda, i en el marc del projecte europeu *REWARD (Real *World *Advanced *technologies *foR Dièsel *engines), es devingut com a continuació del projecte *POWERFUL en el marc del programa d'investigació Horitzó 2020, d'altra banda. Els principals objectius d'aquests estudis eren avaluar el potencial del concepte de combustió parcialment premesclada (PPC) operant amb gasolina com a combustible en un innovador motor de 2 temps de vàlvules en culata, i després dissenyar una nova geometria de motor de 2 temps utilitzant l'arquitectura Uniflux per a superar els principals problemes i limitacions observats durant la primera etapa, que es poden resumir principalment en el rendiment d'escombratge (especialment treballant en càrregues elevades). La metodologia dissenyada per a realitzar aquests treballs de recerca segueix un enfocament tant experimental com teòric. L'avaluació del concepte de combustió PPC operant amb gasolina es va dur a terme principalment amb un enfocament experimental, però sempre amb el suport de l'anàlisi en línia directament en el banc d'assaig, seguit d'un exhaustiu tractament posterior de les dades combinat amb una anàlisi detallada del procés de combustió utilitzant eines de diagnòstic. Per contra, el desenvolupament i el disseny del nou motor Uniflux de 2 temps va consistir principalment en iteracions sobre modelatge 3D-CFD, si bé les activitats experimentals van ser fonamentals per a validar les diferents solucions proposades i avaluar la seua sensibilitat davant una sèrie de paràmetres d'interés utilitzant una metodologia de Disseny d'Experiments (DoE). La primera part del treball s'ha dedicat a la comprensió dels processos termodinàmics involucrats en la combustió operant amb el concepte de combustió PPC en un motor de 2 temps de vàlvules en culata utilitzant gasolina com a combustible, i a avaluar el seu potencial en termes d'emissions contaminants, consum de combustible i també de soroll. Finalment, s'ha fet un treball d'exploració per a ampliar en la mesura que siga possible el rang de funcionament d'aquest concepte de combustió utilitzant eixa configuració específica del motor, investigant especialment el rendiment en càrregues baixes en tot el rang de règims de gir del motor, i establint també les principals limitacions per a l'operació en càrregues altes. La segona part de la tesi s'ha centrat en el desenvolupament i optimització teòrica d'un motor Uniflux de 2 temps de nou disseny, incloent la seua fabricació i validació experimental. L'objectiu principal era optimitzar, utilitzant principalment simulacions 3D-CFD, el rendiment d'escombratge d'aquesta arquitectura de 2 temps mitjançant el disseny de noves geometries de ports d'admissió, permetent un gran control sobre el flux d'aire cap a i a través del cilindre per a escombrar al màxim els gasos cremats i minimitzar el curtcircuit d'aire fresc cap a l'escapament. Les solucions òptimes es van fabricar i van avaluar experimentalment seguint la metodologia DoE, abans de comparar finalment els resultats de rendiment d'escombratge amb l'anterior arquitectura de motor de 2 temps amb vàlvules en culata. / [EN] The research work presented in this thesis is the result of several years dedicated to the development, implementation and optimization of two combined technologies: an innovative combustion concept and a newly designed engine architecture. These investigations have been performed in the framework of a research collaboration with Renault SA following up the activities performed along the European POWERFUL project (POWERtrain for FUture Light-duty vehicles) on the one hand, and in the framework of the European REWARD project (REal World Advanced technologies foR Diesel engines), brought as a continuation of the POWERFUL project in the frame of the Horizon 2020 research program, on the other hand. The main objectives of these studies were to evaluate the potential of the Partially Premixed Combustion (PPC) concept operating with gasoline fuel in an innovative 2-Stroke poppet-valve engine, and then to design a new 2-Stroke engine geometry using the Uniflow architecture to overcome the main problems and limitations observed during the first stage, which can be mainly summarized to the scavenging performance (especially at high loads). The methodology designed for performing these investigation is based on both experimental and theoretical approaches. The evaluation of the gasoline PPC concept was carried out mainly experimentally, but always supported by online analysis directly on the test-bench and followed by a thorough post-processing of the data combined with a detailed analysis of the combustion using combustion diagnostic tools. On the contrary, the development and design of the new 2-Stroke Uniflow engine consisted mainly of 3D-CFD iterations, but experimental testing was crucial to validate the different solutions proposed and evaluate their sensitivity to a set of parameters of interest using a Design of Experiments (DoE) methodology. The first part of the work has been dedicated to the understanding of the thermodynamical processes involved in the combustion in a poppet-valve 2-Stroke engine operating with the gasoline PPC concept, and to evaluate its potential in terms of pollutant emissions, fuel consumption and also noise. Finally, a wide exploration has been performed to extend as much as possible the operating range of this combustion concept using that specific engine configuration, especially investigating the low loads performance throughout the full range of engine speeds, and also laying out the main limitations for high-to-full load operations. The second part of the thesis has been focused on the development and theoretical optimization of a newly designed 2-Stroke Uniflow engine, leading to manufacture and experimental validation. The main objective was to optimize, using mainly 3D-CFD modeling simulations, the scavenging performance of this 2-Stroke architecture by designing new intake ports geometries and to enable a great control over the air flow into and through the cylinder in order to scavenge the burnt gases as much as possible while minimizing the fresh air short-circuit to the exhaust. The optimum solutions were then manufactured and experimentally tested following a DoE methodology, before finally comparing the results of the scavenging performance to the previous 2-Stroke poppet-valve engine architecture. / Thein, KJL. (2021). Evaluation of combustion concepts and scavenging configurations in a 2-Stroke compression-ignition engine for future automotive powerplants [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/164044

[EN] The research work presented on this thesis has been performed in the framework of the development and optimization of the combustion system of a novel two-stroke CI engine, with a scavenging configuration through poppet-valves, which has been specifically designed for a light-duty vehicle application. The main objective of this investigation is to improve the existing understanding about two-stroke poppet-valves engines, and assess the main relationships between the gas exchange and combustion processes in this type of architecture, with the aim of evaluating their impact on the exhaust emissions formation processes and on final engine efficiency. Then, the performance of this two-stroke engine is going to be optimized while operating in conventional diesel mixing-controlled controlled combustion; and in a second step, two advanced premixed combustion concepts will be evaluated to identify their potential for decreasing NOx and soot emissions compared to CDC as well as its main technological limitations. The methodology proposed on this thesis combines both a theoretical and experimental approach, that allows maximizing the available information about the basic phenomena involved in the various processes under study, while also keeping an efficient optimization approach to reduce as much as possible the number of necessary experimental tests. Additionally, to analyze in detail the physical relationships between the local cylinder gas conditions (such as the oxygen concentration, the combustion temperature and the equivalence ratio) and the formation of exhaust emissions, particularly NOx and soot, it was necessary to develop and setup different theoretical tools to complement and support the experimentally measured trends. To achieve these objectives, the research work has been divided in two sequential stages: first, the conventional diesel combustion is studied and optimized, based on a proper combination of engine settings that have a strong influence over the characteristics of the mixing-controlled combustion; and in a second step, two advanced combustion concepts are implemented and analyzed, the highly-premixed combustion (HPC) of diesel and the partially premixed combustion (PPC) using a fuel with higher resistance to autoignition (in this case it has been used a RON95 gasoline). In this phase of the research, special emphasis has been made to the gasoline PPC concept, since this combustion mode showed the highest potential and most promising results during the initial implementation studies. Accordingly, the last stage of the research was mainly focused on the detailed study of the effect of different injection settings over the characteristics of the gasoline PPC concept. Finally, the main results obtained with the gasoline PPC concept have been compared against the optimized points found in CDC, in regards to the final exhaust emissions levels, specific fuel consumption and indicated efficiency. / [ES] El trabajo de investigación presentado en esta tesis doctoral está enmarcado en el desarrollo y optimización del sistema de combustión de un novedoso motor de dos tiempos de encendido por compresión, que presenta una arquitectura de barrido por válvulas en culata, y que ha sido diseñado para aplicaciones de automoción dentro de la gama de coches compactos. El objetivo principal de esta investigación ha consistido en mejorar el conocimiento existente sobre los motores dos tiempos con arquitectura de barrido por válvulas, y a la vez identificar los principales vínculos entre los procesos de renovación de la carga y de combustión, con el fin de cuantificar su impacto sobre la formación de emisiones contaminantes y el rendimiento térmico del motor. Adicionalmente, se desea optimizar las prestaciones de este motor de dos tiempos operando con el proceso de combustión diésel convencional controlada por mezcla, así como evaluar el potencial de distintos conceptos avanzados de combustión de baja temperatura con fase de premezcla extendida, con el fin de reducir los niveles de emisiones contaminantes y mejorar el consumo específico de combustible del motor. La metodología utilizada en esta tesis ha sido concebida combinando un enfoque teórico-experimental, que permite maximizar la información que se puede obtener acerca de los fenómenos físicos involucrados en los diferentes procesos objeto de estudio, y a la vez conservar un enfoque de optimización eficiente reduciendo en la medida de lo posible el número de ensayos experimentales requeridos. Con la finalidad de analizar en detalle la relación que existe entre las condiciones en el cilindro (como lo es la concentración de oxígeno, la temperatura de combustión y el dosado local) y el proceso de formación de emisiones contaminantes, especialmente de NOx y hollín, se desarrollaron y utilizaron distintas herramientas teóricas para complementar y sustentar los comportamientos y tendencias observadas mediante los ensayos experimentales, tanto para el modo de combustión diésel convencional como para los conceptos avanzados de combustión. Para la consecución de dichos objetivos se ha seguido una estructura secuencial en la cual el trabajo de investigación ha sido desarrollado en dos grandes bloques: primero, se analizó y optimizó el proceso de combustión diésel convencional, mediante la combinación adecuada de parámetros de operación del motor que modifican apreciablemente las características del proceso de combustión controlada por mezcla; y segundo, se logró implementar y evaluar el desempeño de dos conceptos avanzados de combustión, específicamente el modo combustión altamente premezclado de tipo HPC utilizando diésel como combustible (acrónimo de "Highly-Premixed Combustion") y el modo de combustión parcialmente premezclada de tipo PPC ("Partially Premixed Combustion") utilizando un combustible con mayor resistencia a la auto-ignición (en este caso se utilizó gasolina de octanaje 95). En esta segunda fase, se hizo énfasis en el análisis del concepto de combustión PPC con gasolina, ya que este arrojó los resultados más prometedores durante la fase inicial de implementación. Consecuentemente, la última etapa de la investigación se centró en el estudio detallado del efecto de distintos parámetros de inyección sobre las características del proceso de combustión de tipo PPC. Finalmente, se ha comparado críticamente dicha operación en modo PPC con los resultados obtenidos operando con el modo de combustión diésel convencional, en cuanto al nivel final de emisiones contaminantes, al consumo de combustible y rendimiento indicado y al desempeño general del motor. / [CA] El treball d'investigació presentat en esta tesi està emmarcat en el desenvolupament i optimització del sistema de combustió d'un nou motor dos temps d'encesa per compressió, amb configuració d'escombratge per vàlvules, i que ha estat dissenyat per a aplicacions d'automoció dins de la gamma de cotxes compactes. L'objectiu principal d'esta investigació ha consistit a millorar el coneixement existent sobre els motors dos temps amb configuració d'escombratge per vàlvules, així com també identificar els principals vincles entre els processos de renovació de la càrrega i de combustió, a fi de quantificar el seu impacte sobre la formació d'emissions contaminants i el rendiment tèrmic del motor. Addicionalment, es desitja optimitzar les prestacions d'este nou motor operant amb el mode convencional de combustió dièsel per difusió, així com avaluar el potencial de noves maneres de combustió de baixa temperatura amb fase de premescla extesa, per a controlar el nivell d'emissions i el consum de combustible. La metodologia utilitzada en esta tesi s'ha plantejat des d'un punt de vista teóric experimental, que permet maximitzar la informació que es pot obtindre sobre els fenòmens basics involucrats en els diferents processos objecte d'estudi, i al mateix temps conservar un enfocament d'optimització eficient reduïnt en la mesura del possible el nombre d'proves experimentals requerit. Amb la finalitat d'analitzar en detall la relació que existeix entre les condicions en el cilindre (com ho és la concentració d'oxigen, la temperatura de combustió i el dosatge local) i el procés de formació d'emissions contaminants, especialment de NOx i sutge, es van desenvolupar i van utilitzar distintes eines teòriques per a complementar i sustentar els comportaments i tendències observades per mitjà dels assajos experimentals, tant per al mode de combustió dièsel convencional com per als conceptes avançats de combustió. Per a abordar eixe objectiu, s'ha seguit una estructura seqüencial, en la qual el treball d'investigació s'ha desenvolupat en en dos grans blocs: en primer lloc, es va analitzar i va optimitzar el procés de combustió dièsel convencional, per mitjà de la combinació adequada de paràmetres d'operació del motor que modifiquen apreciablement les característiques del procés de combustió controlada per difusió; i en segon lloc, es va aconseguir implementar i avaluar les prestacions de dos conceptes avançats de combustió de baixa temperatura premesclats, específicament el mode combustió altament premesclat HPC (acrònim de "Highly-Premixed Combustion") utilitzant dièsel com a combustible i el mode de combustió parcialment premesclat PPC ("Partially Premixed Combustion") utilitzant un combustible amb major resistència a l'autoignició (en aquest cas s'ha utilitzat gasolina d'octanatge 95). En esta segona etapa, es va fer èmfasi en l'anàlisi del concepte de combustió PPC amb gasolina, ja que aquest va presentar els resultats més prometedors durant la fase inicial d'implementació. Conseqüentment, l'última etapa de la investigació es va centrar en l'estudi detallat de l'efecte de distints paràmetres d'injecció sobre les característiques del mode de combustió PPC. Finalment, s'ha comparat críticament la dita operació en mode PPC amb els resultats obtinguts operant amb el mode de combustió dièsel convencional, quant al nivell final d'emissions contaminants, al consum de combustible i rendiment indicat, i a les prestacions generals del motor. / De Lima Moradell, DA. (2016). Analysis of combustion concepts in a poppet valve two-stroke downsized compression ignition engine designed for passenger car applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/68502