Este trabalho trata da questão da redução de consumo de combustível fóssil em instalações de máquinas de navios. É um tema de grande interesse no momento, devido ao alto custo operacional e à emissão de poluentes decorrentes do processo da combustão desses derivados de petróleo. Apresenta-se, inicialmente o cenário atual e tendências futuras das instalações propulsoras convencionais que usam óleo pesado ou Diesel. Em seguida, são examinadas alternativas propostas para redução de consumo de combustíveis fósseis nos navios, que são enquadradas em três categorias. A primeira delas envolve possíveis melhorias de projeto para redução da demanda de energia. As outras categorias se referem ao emprego de fontes alternativas de energia, que introduzem uma força propulsora adicional, reduzindo o empuxo requerido do hélice, ou uma potência suplementar no eixo propulsor. Em ambos os casos há também uma redução de demanda de potência requerida do motor Diesel. Na seqüência, são apresentados e discutidos fundamentos termodinâmicos, com ênfase nas análises energética e exergética, como ferramentas para avaliação das máquinas dos navios. A análise exergética, diferentemente do enfoque apenas energético, é a ferramenta mais apropriada para tratar as questões ligadas ao meio ambiente, pois a própria definição de exergia está relacionada com o ambiente de referência. Finalmente, utilizando dados de um navio porta contêineres da frota nacional, é exercitado um exemplo de aplicação com as análises termodinâmicas do motor de propulsão; são também avaliadas e simuladas as diversas alternativas de melhorias e novas fontes de energia, que visam a redução de consumo de combustível fóssil. / This work addresses the issue of reduction of fossil fuel use on ship machinery. Presently it is an interesting topic due to high operational cost and the pollution emissions generated by the combustion process. Initially, it is introduced the present scenario and future trends regarding conventional ship machinery that use heavy or diesel fuel oil. In the sequence, the proposed alternatives for reducing the use of fossil fuel on ships are presented and examined. These alternatives are classified into three categories. The first category comprises possible improvements to the design of ships for reduction of total energy demand. The other categories refer to the use of alternative energy sources, that produce and additional force on the ship reducing the required propeller thrust; or a supplementary power added to the propulsion shaft. For both cases there is also a reduction in the power required from the Diesel engine. Afterwards, the pertaining thermodynamics theory is revised and discussed with focus on the energy and exergy analysis as aid tools for evaluation of ship machinery. The energetic analysis, different from the sole energetic focus, is the most applicable tool to be employed for environmental issues as the self definition of exergy relates to an environment reference. Finally, using data from a typical container ship belonging to the national fleet, an application example using the thermodynamic analysis is performed to the propulsion main engine; as well as it is also simulated several alternative conditions for improvements and new energy sources, aiming to the reduction of fossil fuel consumption.

Föreliggande avhandling studerar kommunala policyprocesser i en fråga där ett flertal olika policyområden ingår: övergången till alternativa drivmedel i kollektivtrafiken. Genom att undersöka hur och varför sådana policyer utvecklats i två kommuner bidrar studien dels till att förklara hur policy utvecklas på kommunal nivå; dels till att skapa förståelse för policyskapande där olika policyområden ingår. Genom fallstudier har policyprocesserna vid övergången till biogas i stadsbusstrafiken i Linköpings och Helsingborgs kommuner undersökts. Studien är processorienterad och fokuserar huvudsakligen på hur och varför aktörer, utifrån sina resurser, intressen, problemdefinitioner och lösningar, kan påverka policy. Resultaten visar hur policyprocesserna vid övergången till biogas präglats av traditionella policyområden där aktörer, intressen och resurser skilt sig åt beroende på sektor. Samtidigt visar avhandlingen att en sammankoppling mellan policyområdena för energi, miljö och transport varit väsentligt för att aktörer skulle kunna driva igenom sina förslag. För att göra detta har gränsgångare – policyentreprenörer som gått över gränserna för de tre policyområdena – varit centrala genom att initiera breda samarbeten där aktörer företrädande energi, miljö och kollektivtrafik identifierat och eftersträvat ett gemensamt mål. / This thesis studies municipal policy processes where several policy sectors are involved: the transition to alternative fuels in public transport. Examining how and why those policies have developed in two municipalities, the study will contribute to explain how policy are shaped on a municipal level and also contribute to further knowledge of policy processes where different sectors are involved. Through case studies, the policy processes concerning the introduction of biogas in city buses in the municipalities of Linköping and Helsingborg have been studied. The study is process oriented and mainly focuses on how and why actors with their resources, interests, problem definitions and solutions, can influence policy. The results show that the processes consisted of traditional policy sectors where actors, interests and resources differed between the sectors. In addition, the thesis shows that a connection between the energy, environment and transport policy sectors has been essential for policy development. Boundary walkers – that is, policy entrepreneurs that crossed the boundaries between the three sectors – have been central to initiate broad collaborations where actors representing energy, environment and public transport identified and strived to a common goal.

Este trabalho trata da questão da redução de consumo de combustível fóssil em instalações de máquinas de navios. É um tema de grande interesse no momento, devido ao alto custo operacional e à emissão de poluentes decorrentes do processo da combustão desses derivados de petróleo. Apresenta-se, inicialmente o cenário atual e tendências futuras das instalações propulsoras convencionais que usam óleo pesado ou Diesel. Em seguida, são examinadas alternativas propostas para redução de consumo de combustíveis fósseis nos navios, que são enquadradas em três categorias. A primeira delas envolve possíveis melhorias de projeto para redução da demanda de energia. As outras categorias se referem ao emprego de fontes alternativas de energia, que introduzem uma força propulsora adicional, reduzindo o empuxo requerido do hélice, ou uma potência suplementar no eixo propulsor. Em ambos os casos há também uma redução de demanda de potência requerida do motor Diesel. Na seqüência, são apresentados e discutidos fundamentos termodinâmicos, com ênfase nas análises energética e exergética, como ferramentas para avaliação das máquinas dos navios. A análise exergética, diferentemente do enfoque apenas energético, é a ferramenta mais apropriada para tratar as questões ligadas ao meio ambiente, pois a própria definição de exergia está relacionada com o ambiente de referência. Finalmente, utilizando dados de um navio porta contêineres da frota nacional, é exercitado um exemplo de aplicação com as análises termodinâmicas do motor de propulsão; são também avaliadas e simuladas as diversas alternativas de melhorias e novas fontes de energia, que visam a redução de consumo de combustível fóssil. / This work addresses the issue of reduction of fossil fuel use on ship machinery. Presently it is an interesting topic due to high operational cost and the pollution emissions generated by the combustion process. Initially, it is introduced the present scenario and future trends regarding conventional ship machinery that use heavy or diesel fuel oil. In the sequence, the proposed alternatives for reducing the use of fossil fuel on ships are presented and examined. These alternatives are classified into three categories. The first category comprises possible improvements to the design of ships for reduction of total energy demand. The other categories refer to the use of alternative energy sources, that produce and additional force on the ship reducing the required propeller thrust; or a supplementary power added to the propulsion shaft. For both cases there is also a reduction in the power required from the Diesel engine. Afterwards, the pertaining thermodynamics theory is revised and discussed with focus on the energy and exergy analysis as aid tools for evaluation of ship machinery. The energetic analysis, different from the sole energetic focus, is the most applicable tool to be employed for environmental issues as the self definition of exergy relates to an environment reference. Finally, using data from a typical container ship belonging to the national fleet, an application example using the thermodynamic analysis is performed to the propulsion main engine; as well as it is also simulated several alternative conditions for improvements and new energy sources, aiming to the reduction of fossil fuel consumption.

Atomization of fuel is an important pre-requisite for efficient combustion in devices such as gas turbines, liquid propellant rocket engines, internal combustion engines and incinerators. The overall objective of the present work is to explore air-assisted atomization strategies for high viscosity fuels and liquids. Air-assisted atomization is a twin-fluid atomization method in which energy of the gas is used to assist the atomization of liquids. Broadly, three categories of air-assisted injection, i.e., effervescent, impinging jet and pre-filming air-blast are studied. Laser-based diagnostics are used to characterize the spray structure in terms of cone angle, penetration and drop size distribution. A backlit direct imaging method is used to study the macroscopic spray characteristics such as spray structure and spray cone angle while the microscopic characteristics are measured using the Particle/droplet imaging analysis (PDIA) technique. Effervescent atomization is a technique in which a small amount of gas is injected into the liquid at high pressure in the form of bubbles. Upon injection, the two-phase mixture expands rapidly and shatters the liquid into droplets and ligaments. Effervescent spray characteristics of viscous fuels such as Jatropha and Pongamia pure plant oils and diesel are studied. Measurements are made at various gas-to-liquid ratios (GLRs) and injection pressures. A Sauter Mean Diameter (SMD) of the order of 20 µm is achieved at an injection pressure of 10 bar and GLR of 0.2 with viscous fuels. An image-based method is proposed and applied to evaluate the unsteadiness in the spray. A map indicating steady/unsteady regime of operation has been generated. An optically accessible injector tip is developed which has enabled visualization of the two-phase flow structure inside the exit orifice of the atomizer. An important contribution of the present work is the correlation of the two-phase flow regime in the orifice with the external spray structure. For viscous fuels, the spray is observed to be steady only in the annular two-phase flow regime. Unexpanded gas bubbles observed in the liquid core even at an injection pressure of 10 bar indicate that the bubbly flow regime may not be beneficial for high viscosity oils. A novel method of external mixing twin-fluid atomization is developed. In this method, two identical liquid jets impinging at an angle are atomized using a gas jet. The effect of liquid viscosity (1 cP to 39 cP) and surface tension (22 mN/m to 72 mN/m) on this mode of atomization is studied by using water-glycerol and water-ethanol mixtures, respectively. An SMD of the order of 40 µm is achieved for a viscosity of 39 cP at a GLR of 0.13 at a liquid pressure of 8 bar and gas pressure of 5 bar. It is observed that the effect of liquid properties is minimal at high GLRs where the liquid jets are broken before the impingement as in the prompt atomization mode. Finally, a pre-filming air-blast technique is explored for transient spray applications. An SMD of 22 µm is obtained with diesel at liquid and gas pressures as low as 10 bar and 8.5 bar, respectively. With this technique, an SMD of 44 µm is achieved for Jatropha oil having a viscosity 10 times higher than that of diesel.

This master thesis covers the development of a high-pressure fuel system for compression ignitedfuels such as diesel and diesel-like fuels that will be deployed into a single cylinder test cell at AVLMTC Södertälje, Sweden. The test cell is used by AVL to conduct research and testing of new fuelsfor their customers and this new fuel system will widen the span of fuels able to be tested by theequipment.This thesis focuses on pumping and pressurizing of the fuel, ensuring that all ingoing materialsare non-corrosive in this environment and compatible with the necessary fuels and lastly a safetyanalysis of the system with respect to operator and process safety. Other aspects of the projectsuch as mass flow measurements and fuel conditioning is covered in a sister thesis Mass flowrate measurement of compression ignition fuels in high-pressure stand-alone pump unit for singlecylinder test cell written by C. Aksoy [1].The goal of this thesis project was to deliver a finished manufactured fuel system and if the timeallowed for it, also validate its performance and finally installing and incorporating it into the singlecylinder test cell. The development process started with the writing of a product specificationoutlining the requirements and request on the product in a specification of requirements matrix andrelate these to product properties of the system using a quality function deployment (QFD) matrix.This document was then used as a base for further advancement in developing concepts to solveeach product property and weighing these concepts against each other using Pugh’s matrices. Thechosen concepts were then further developed, a flow chart for the system was developed as well asfuel lines and other supporting components were analyzed and chosen.In the end the high-pressure fuel pump from Scania’s XPI fuel system were chosen as well asa pressure transducer in the HP1000 series from ESI. Within the time frame of this thesis, theproject did not end up getting finished to the degree planned, but due to time constraints werehalted before starting manufacturing of the system. Some minor component choices remained aswell as documentation such as drawings and finalizing the physical layout of the system remained.All information regarding the remaining work needed to finalize the project and deploying thesystem in the test cell were outlined and with more time, the fuel system should fulfill its purposeof allowing testing and research of compression ignited fuel to be possible in the test cell. / Kontentan för denna mastersavhandling är utvecklingsprocessen för ett högtrycksbränslesystemför kompressionsbränslen såsom diesel och diesellika bränslen som kommer att installeras i enencylindertestcell hos AVL MTC Södertälje, Sverige. Testcellen används av AVL för forskningoch testning av nya bränslen åt deras kunder och detta nya bränslesystem kommer att utöka typernaav bränslen som kan testas med utrustningen till att inkludera kompressionsantända bränslen.Denna avhandling fokuserar på utvecklingen av tillförseln och trycksättnigen av bränslet, säkerställnigenav att ingående material är icke-korrosiva i den avsedda miljön och kompatibla med allanödvändiga bränsletyper och slutligen en säkerhetsanalys av systemet med avseende på operatörsochprocessäkerhet. Andra aspekter såsom massflödesmätning och bränslekonditionering presenterasi systeravhandlingen Flödesmätning och konditionering av högtryckantända bränslen för encylindertestcellskriven av C. Aksoy [1].Målet med denna avhandling var att leverera ett färdigtillverkad bränslesystem och om tiden tillät,även validera systemets prestanda och slutligen integrera och installera systemet i testcellen. Utvecklingsprocesseninleddes med att skriva en produktspecifikation som innehöll en sammanställningav kundens krav och önskemål för produkten och relaterade dessa till produktegenskaper med hjälpav en quality function deployment (QFD) matris. Detta dokument användes vidare som en bas förfortsatt utveckling av produkten i konceptgenereringsprocessen och för att väga de olika konceptenmot varandra med hjälp av Pugh’s matriser. De valda koncepten blev sedan analyserade ytterligare,ett flödesschema för de ingående komponenterna framtaget och övriga sekundära komponenteranalyserade och valda.Till slut valdes högtrycksbränslepumpen från Scanias XPI system och en tryckgivare från HP1000-serien från ESI. Inom tidsramen för avhandlingen färdigställdes aldrig projektet till den grad somhade planerats, men blev istället avbrutet innan tillverkningen av systemet han påbörjas på grund avtidsbegränsningar. Vissa sekundära komponentval, dokumentation såsom ritningar och färdigställningav den fysiska layouten av systemet kvarstod vid avhandlingens slut. All information angåendeallt nödvändigt fortsatt arbete för att färdigställa projektet och integrera systemet i encylindertestcellendokumenterades och med mer tid borde bränslesystemet kunna uppfylla sitt syfte att möjliggöratestning och forskning av kompressionsbränslen i testcellen.

This diploma thesis deals with the operational and economic assessment of the installation of new TG3 turbines in the Perov Heating Plant. The beginning of this thesis deals with a brief theoretical introduction of this investment and describes the classical economic evaluation methods and the Monte Carlo method. Subsequently, the investment project was analyzed and inputs for the economic model were created. The economic model was then evaluated using classical methods and Monte Carlo methods, the results are then compared with each other. Based on the results of the economic evaluation, the most efficient variant of the Perov Heating Plant technology was chosen.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden die laminaren Flammengeschwindigkeit und die Zündverzugszeit für verschiedene alternative Treibstoffe und Treibstoffkomponenten experimentell bestimmt. Mit Farnesan, Alcohol-to-Jet SPK, Alcohol-to-Jet SKA und ReadiJet wurden vier verschiedene alternative Treibstoffe untersucht, die sich durch ihre Herkunft und in ihrer Zusammensetzung unterscheiden. Die Betrachtung einzelner Treibstoffkomponenten diente der Untersuchung inwieweit die Molekülstruktur einen Einfluss auf die Verbrennungseigenschaften hat. Dazu wurde aus jeder der vier Hauptstrukturgruppen (n-Alkane, iso-Alkane, Cycloalkane und Aromaten) jeweils ein Vertreter ausgewählt: n-Dodecan, Isooctan, n-Propylcyclohexan und n-Propylbenzol. Alle erhaltenen Ergebnisse worden mit Jet A-1, einem realen Treibstoff, verglichen. Aus den einzelnen Komponenten wurde auch ein aromatenfreies Surrogat hergestellt von welchem die Verbrennungseigenschaften ebenfalls experimentell untersucht wurden. Für das Surrogat wie auch seine Komponenten wurden die laminare Flammengeschwindigkeit und die Zündverzugszeit zusätzlich in einer Modellierung berechnet.:SYMBOLVERZEICHNIS ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 1 EINLEITUNG 2 GRUNDLAGEN ZUR VERBRENNUNG VON TREIBSTOFFEN 2.1 Laminare Flammen und Zündprozesse 2.2 Vorgänge bei der Oxidation von Kohlenwasserstoffen 2.3 Schadstoffbildung 3 UNTERSUCHTE TREIBSTOFFE 3.1 Jet A‐1 3.2 Alternative Treibstoffe 3.3 Treibstoffkomponenten 4 EXPERIMENTE 4.1 Einführung 4.2 Laminare Flammengeschwindigkeit 4.2.1 Einführung zur Messung der laminaren Flammengeschwindigkeit 4.2.2 Anwendung der Winkelmethode 4.2.3 Einfluss der Streckung auf laminare Flammen 4.2.4 Versuchsaufbau und Durchführung der Messung 4.2.5 Messergebnisse 4.3 Zündverzugszeit 4.3.1 Einführung zur Messung der Zündverzugszeit 4.3.2 Funktionsprinzip eines Stoßrohres 4.3.3 Versuchsaufbau und Durchführung der Messung 4.3.4 Messergebnisse 5 ZUSAMMENHANG ZWISCHEN STRUKTUR UND REAKTIVITÄT 5.1 Vergleich von n‐Dodecan und Isooctan 5.2 Vergleich von n‐Propylcyclohexan und n‐Propylbenzol 6 BERECHNUNG DER VERBRENNUNGSEIGENSCHAFTEN 6.1 DLR‐Mechanismus 6.2 Berechnung der laminaren Flammengeschwindigkeit 6.3 Berechnung der Zündverzugszeit 7 ZUSAMMENFASSUNG 8 FAZIT UND AUSBLICK 9 LITERATURVERZEICHNIS ABBILDUNGSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS ANHANG

Idag är marinindustrin helt beroende av fossila bränslen. I detta arbete har en kvalitativ litteraturstudie genomförts i syfte att presentera ett perspektiv på vad som skulle kunna vara realistiskt möjligt idag när det gäller användning av alternativa bränslen för att begränsa växthusgasutsläppen från sjöfartsindustrin. Det finns många olika bränslen som kan användas i antingen en förbränningsmotor eller i bränsleceller. Vätgas har den ultimata lösningen när det gäller hållbarhet på grund av den tekniska enkelheten i utvinningen och förutsägbara utsläpp. På grund av bristen på tekniska lösningar som säkerställer driftstabilitet och tillgång är vätgas inte möjligt att införa i stor industriell skala för närvarande. Metanol verkar ha en mer lovande framtid på kort sikt och sekundärt biobränslen, inklusive förnybar metanol, på lång sikt. Metanol har redan en befintlig infrastruktur och används redan som framdrivningsmedel i vissa fartyg. Just nu kommer nästan all metanol från fossila bränslen. Även om tillgången på metanol är fossil, bidrar den ändå till mindre utsläpp i en livscykel än av konventionellt marint bränsle gör. För det andra kan den produceras via en förnybar process som involverar biomassa bland annat. Andra biobränslen som biodiesel har liknande egenskaper som konventionell marin diesel och är förnybar, koldioxidneutral och kan produceras från en rad olika råvaror. Den geografiska spridningen av råvaror kan dock vara en utmaning för den lokala tillgången, men det betyder inte automatiskt att det inte kan distribueras över hela världen. Ett annat problem som är förknippat med biobränslen är tillgången på biomassa. Tillgången till biomassa är begränsad på grund av efterfrågan på mat, därför kommer produktion av icke-ätbara grödor som odlas för det enda syftet att producera biobränsle att behövas för att överkomma en eventuell tillgångsproblematik i framtiden. Mängden bränsle som marinindustrin efterfrågar kan sannolikt inte produceras från ett enda råmaterial i framtiden, så det är troligt att en blandning av olika biobränslen som produceras från olika råvaror kan vara en realistisk möjlighet i framtiden. / Today the marine industry is fully dependent on fossil fuels. In this paper a qualitative literature study has been performed to present a perspective of what could be realistically possible today in terms of usage of alternative fuels to limit the GHG-emissions caused by the marine shipping industry. There are a lot of different fuels than can be applied in either an internal combustion engine or in fuel cells. Hydrogen possesses the ultimate solution in terms of sustainability because of the technical simplicity of extraction and predictable emissions. However, due to the lack of technical solutions that will ensure operational stability and supply, hydrogen is not feasible on a large industrial scale at this time. Methanol seems to have a more promising future in short term and secondly biofuels, including renewable methanol, in the long term. Methanol already has an existing infrastructure and is already being used in ships. However, as of right now almost all methanol is derived from fossil fuels. Even though the supply of methanol is fossil, it still contributes to less emissions than of conventional marine fuel. Secondly it can be produced with a renewable process involving biomass. Other biofuels like biodiesel possess similar properties that of conventional marine diesel and is renewable, carbon neutral and can be produced from a range of different feedstocks. However, the geographic diffusion of feedstocks can be a challenge to local supply, but that does not automatically mean that it can’t be distributed worldwide. Another problem that is associated is with biofuels is the availability of biomass. Biomass availability is limited due to demand of food, hence production of non-edible crops that are grown for the sole purpose of biofuel production will be needed to overcome supply issues in the future. The volume of fuel that the marine industry demands likely can’t be produced from a single feedstock in the future so it’s likely that a blend of different biofuels produced from different feedstocks could be a possibility in the future.

[ES] Reducir las emisiones de gases contaminantes de los motores de combustión interna alternativos (MCIA) es uno de los mayores retos para combatir el calentamiento global. Dado que los motores seguirán siendo utilizados por la industria durante décadas, es necesario desarrollar nuevas tecnologías. En este contexto, la presente tesis doctoral viene motivada por la necesidad de seguir mejorando los motores, tanto desde el punto de vista de la ingeniería técnica como desde el punto de vista social, debido a los efectos de los gases de efecto invernadero. El objetivo principal de esta tesis es desarrollar una metodología de optimización para sistemas de combustión de motores de encendido por compresión (MEC) mediante el acoplamiento de algoritmos de optimización con simulación por ordenador. Con la optimización de los sistemas de combustión es posible aumentar la eficiencia de los motores, reduciendo así el consumo de combustible junto con la reducción de emisiones contaminantes, en particular óxidos de nitrógeno (NOx) y hollín. En el primer paso, se abordan diferentes algoritmos de optimización con el fin de elegir el mejor candidato para esta metodología. A partir de aquí, la primera optimización se centra en un motor de encendido por compresión que funciona con combustible convencional para validar la metodología y también para evaluar el estado actual de evolución de estos motores. Con el objetivo de reducir el consumo de combustible manteniendo los niveles de NOx y hollín por debajo de los valores de un motor real, se inicia el proceso de optimización. Los resultados obtenidos confirman que un nuevo sistema de combustión específico para este motor podría generar una reducción del consumo de combustible manteniendo las emisiones de gases por debajo del valor estipulado. Además, se concluye que los motores MEC que utilizan combustible convencional se encuentran ya en un nivel de eficiencia muy elevado, y es difícil mejorarlos sin utilizar un sistema de postratamiento. Así pues, el segundo bloque de optimización se basa en el uso de motores MEC que funcionan con un combustible alternativo, que en este caso es el OME. El objetivo de este estudio es diseñar un sistema de combustión específico para un motor que utilice este combustible y que ofrezca un rendimiento del mismo orden de magnitud que un motor diésel. En la búsqueda de una mayor eficiencia, las emisiones de NOx son una restricción del sistema de optimización para que el sistema de combustión no emita más gases que un motor real. En este caso, el hollín no se tiene en cuenta debido a que las características del combustible no producen este tipo de contaminante. Los resultados mostraron que un sistema de combustión diseñado específicamente para esta operación podía ofrecer altas eficiencias, incluso la eficiencia obtenida fue alrededor de 2,2 % mayor en comparación con el motor diesel real. Además, fue posible reducir a la mitad las emisiones de NOx cuando el motor funciona con OME. El último bloque de optimización se refiere a una nueva arquitectura de motor que permite eliminar las emisiones de NOx. El modelo de oxicombustión resulta apasionante, ya que se elimina el nitrógeno de la mezcla de admisión y, por tanto, no se generan emisiones que contengan N2. Además, con el uso de este modo de combustión, es posible capturar CO$_{2}$ de los gases de escape, que luego puede venderse en el mercado. Dado que se trata de un tema nuevo y poco investigado, los resultados son prometedores. Demuestran que fue posible obtener un sistema de combustión específico capaz de ofrecer niveles de eficiencia cercanos a los de los motores convencionales. Además, se eliminaron las emisiones de NOx, así como las de hollín. Adicionalmente, este sistema fue capaz de reducir las emisiones de CO y HC a niveles similares a los motores convencionales. Por otra parte, los resultados presentados en esta tesis doctoral proporcionan una base de datos ampliada para explorar el funcionamiento del motor CI. / [CAT] Reduir les emissions de gasos contaminants dels motors de combustió interna alternatius (MCIA) és un dels majors reptes per a combatre el camvi climàtic. Atés que els motors continuaran sent utilitzats per la indústria durant dècades, és necessari desenvolupar noves tecnologies. En aquest context, la present tesi doctoral ve motivada per la necessitat de continuar millorant els motors, tant des del punt de vista de l'enginyeria tècnica com des del punt de vista social, degut a l'efecte dels gasos d'efecte d'hivernacle. L'objectiu principal d'aquesta tesi és desenvolupar una metodologia d'optimització per a sistemes de combustió de motors d'encesa provocada mitjançant l'acoblament d'algorismes d'optimització amb simulació per ordinador. Amb l'optimització dels sistemes de combustió és possible augmentar l'eficiència dels motors, reduint així el consum de combustible, concomitantment amb la reducció d'emissions de gasos, en particular òxids de nitrogen (NOx) i sutge. En el primer pas, s'aborden diferents algorismes d'optimització amb la finalitat d'elegir el millor candidat per a aquesta metodologia. A partir d'ací, la primera optimització se centra en un motor d'encesa per compressió que funciona amb combustible convencional per a validar la metodologia i també per a avaluar l'estat actual d'evolució d'aquests motors. Amb l'objectiu de reduir el consum de combustible mantenint els nivells de NOx i sutge per davall dels valors d'un motor real, s'inicia el procés d'optimització. Els resultats obtinguts confirmen que un nou sistema de combustió específic per a aquest motor podria generar una reducció del consum de combustible mantenint les emissions de gasos per davall del valor estipulat. A més, es conclou que els motors d'encesa per compressió que utilitzen combustible convencional es troben ja en un nivell d'eficiència molt elevat, i és difícil millorar-los sense utilitzar un sistema de posttractament. Així doncs, el segon bloc d'optimització es basa en l'ús de motors d'encesa per compressió que funcionen amb un combustible alternatiu, que en aquest cas és el OME. L'objectiu d'aquest estudi és dissenyar un sistema de combustió específic per a un motor que utilitze aquest combustible i que oferisca un rendiment del mateix ordre de magnitud que un motor dièsel. En la cerca d'una major eficiència, les emissions de NOx són una restricció del sistema d'optimització perquè el sistema de combustió no emeta més gasos que un motor real. En aquest cas, el sutge no es té en compte pel fet que les característiques del combustible no produeixen aquest tipus de contaminant. Els resultats van mostrar que un sistema de combustió dissenyat específicament per a aquesta operació podia oferir altes eficiències, fins i tot l'eficiència obtinguda va ser al voltant de 2,2 % major en comparació amb el motor dièsel real. A més, va ser possible reduir a la meitat les emissions de NOx quan el motor funciona amb OME. L'últim bloc d'optimització es refereix a una nova arquitectura del motor que permet eliminar les emissions de NOx. El model de oxicombustió resulta apassionant, ja que s'elimina el nitrogen de la mescla d'admissió i, per tant, no es generen emissions que continguen N2. A més, amb l'ús d'aquesta manera de combustió, és possible capturar CO$_{2}$ dels gasos de fuita, que després pot vendre's en el mercat. Atés que es tracta d'un tema nou i poc investigat, els resultats són prometedors. Demostren que va ser possible obtindre un sistema de combustió específic capaç d'oferir nivells d'eficiència pròxims als dels motors convencionals. A més, es van eliminar les emissions de NOx, així com les de sutge. Addicionalment, aquest sistema va ser capaç de reduir les emissions de CO i HC a nivells similars als motors convencionals. D'altra banda, els resultats presentats en aquesta tesi doctoral proporcionen una base de dades ampliada per a explorar el funcionament del motor CI. / [EN] Reducing emissions of pollutant gases from internal combustion engines (ICE) is one of the biggest challenges to combat global warming. As the engines will continue to be used by industry for decades, it is necessary to develop new technologies. In this context, the present doctoral thesis was motivated by the need to further improve engines, both from a technical engineering and social point of view, due to the effects of greenhouse gases. The main objective of this thesis is to develop an optimization methodology for compression ignition (CI) engine combustion systems by coupling optimization algorithms with computer simulation. With the optimization of the combustion systems, it is possible to increase the efficiency of the engines, thus reducing fuel consumption, concomitantly with the reduction of gas emissions, in particular nitrogen oxides (NOx) and soot. In the first step, different optimization algorithms are addressed in order to elect the best candidate for this methodology. From this point on, the first optimization is focused on a CI engine operating with conventional fuel in order to validate the methodology and also to evaluate the current state of evolution of these engines. With the goal of reducing fuel consumption while keeping NOx and soot levels below the values of a real engine, the optimization process begins. The results obtained confirm that a new combustion system specifically for this engine could generate a reduction in fuel consumption while keeping gas emissions below the stipulated value. Furthermore, it is concluded that CI engines using conventional fuel are already at a very high-efficiency level, and it is difficult to improve them without the use of an after-treatment system. Thus, the second optimization block is based on the use of CI engines operating on an alternative fuel, which in this case is OME. This study aimed to design a specific combustion system for an engine using this fuel that delivers efficiency on the same order of magnitude as a diesel engine. While searching for better efficiency, the NOx emissions are a restriction of the optimization system so that the combustion system does not emit more gases than a real engine. In this case, soot is not considered due to the characteristics of the fuel not producing this kind of pollutant. The results showed that a combustion system designed specifically for this operation could deliver high efficiencies, including the efficiency obtained was around 2.2 \% higher compared to the real diesel engine. In addition, it was possible to halve the NOx emissions when the engine operates with OME. The last optimization block concerns a new engine architecture that makes it possible to eliminate NOx emissions. The oxy-fuel combustion model is exciting since nitrogen is eliminated from the intake mixture, and thus no emissions containing N2 are generated. Furthermore, with the use of this combustion mode, it is possible to capture CO$_{2}$ from the exhaust gas, which can then be sold to the market. Since this is a new and little-researched topic, the results are promising. They show that it was possible to obtain a specific combustion system capable of delivering efficiency levels close to conventional engines. Furthermore, NOx emissions were eliminated, as well as soot emissions. Additionally, this system was able to reduce CO and HC emissions to levels similar to conventional engines. Moreover, the results presented in this doctoral thesis provide an extended database to explore the CI engine operation. Additionally, this work showed the potential of computational simulation allied with mathematical methods in order to design combustion systems for different applications. / I want to thanks the Universitat Politecnica de Valencia for his predoctoral contract (FPI-2019-S2-20-555), which is included within the framework of Programa de Apoyo para la Investigacion y Desarrollo (PAID). / Spohr Fernandes, C. (2023). Analysis and CFD-Guided optimization of advanced combustion systems in compression-ignited engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/193292

No description available.