La formación de la mezcla aire-combustible es uno de los procesos que tienen un efecto de mayor importancia en las prestaciones y las emisiones de contaminantes de los motores Diesel. Con el objetivo de incrementar el conocimiento respecto a este fenómeno numerosos estudios, tanto teóricos como experimentales, así como de modelado fluidodinámico, han sido desarrollados a lo largo de las últimas décadas. Sin embargo, el estudio del flujo en el interior de las toberas de inyección, así como su efecto sobre la atomización del combustible y el desarrollo del chorro en sus primeras etapas, muestra aún incertidumbres significativas, constituyendo un reto importante para la investigación en este campo. En esta tesis se desarrolla una técnica de visualización a alta resolución para la caracterización del chorro Diesel en campo próximo. De esta forma se puede establecer de forma más directa la relación entre las características del flujo en el interior de los orificios de descarga y la formación del chorro. Además, la obtención de imágenes con una gran resolución espacial permite caracterizar la estructura del chorro de forma más exhaustiva de lo que es habitual con otras técnicas. En este sentido, se ha analizado en primer lugar la influencia que tiene la aparición de cavitación en el interior de los orificios de descarga de las toberas sobre la formación del chorro. Para ello se han utilizado una serie de modelos simplificados de tobera consistentes en láminas de acero taladradas, así como una tobera mono-orificio cilíndrica. Como resultado de este estudio se puede ver que la cavitación aumenta de forma significativa tanto el ángulo de apertura del chorro como las irregularidades del contorno del mismo, favoreciendo el proceso de atomización. Una vez estudiada la influencia de la cavitación se han utilizado tres toberas de geometría cónica, con el fin de realizar un estudio similar en condiciones no cavitantes. / De La Morena Borja, J. (2011). ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL FLUJO INTERNO EN TOBERAS SOBRE EL PROCESO DE INYECCIÓN DIÉSEL EN CAMPO PRÓXIMO [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/11098

Magíster en Meteorología y Climatología / Ingeniera Civil / La precipitación es la principal fuente de agua en ríos, lagos y napas subterráneas. Una de las características hidrológica más importante en la zona del norte-chico de Chile es la variabilidad de las precipitaciones, la que se ha visto que está modulada en parte, por el cambio climático y que aumenta la incertidumbre asociada al pronóstico de caudales. El pronóstico de caudales depende a su vez de la distribución espacial de la precipitación, aspecto muy sensible en regiones de topografía compleja. Con el interés de mejorar el pronóstico de caudales en la cuenca del Elqui (región de Coquimbo) el principal objetivo de esta tesis es efectuar un análisis hidro-meteorológico del Gradiente Orográfico de Precipitación (GOP), pues es este parámetro el que ayuda a determinar la cantidad de precipitación (líquida o sólida) que cae en la parte alta de la cordillera. A partir de una regresión lineal de la precipitación con la altura se obtiene un GOP promedio de 7,4 mm/km para todas las Tormentas Significativas (TS) consideradas (aquellas que aportan más del 20% del total anual promedio). Sin embargo se ve que el GOP por tormenta varía aproximadamente entre 19 y -12 mm/km en promedio. De acuerdo a esto se definen: GOP>5 mm/km para las Tormentas Significativas Típicas (TST), GOP entre -5 y 5 mm/km para Tormentas Significativas Neutras (TSN) y GOP<-5 mm/km para Tormentas Significativas Atípicas (TSA). La hipótesis central es que las TSA y TSN resultan del bloqueo parcial en Los Andes al flujo zonal incidente, que inhibe el desarrollo de la nubosidad y la precipitación en la parte alta de la cuenca. Para cuantificar el grado de bloqueo del flujo, se utiliza el Número de Froude (Fr) calculado a partir del Reanálisis (CSFR) entre los niveles de 500 y 850 hPa, y la posición vertical del Chorro de Barrera Andino (CBA). El Fr, además de mostrar una relación positiva con el GOP, indica que para valores altos (TST) se observa la influencia de una mayor componente de los vientos zonales, lo que implica un aumento del efecto orográfico en la precipitación. En ausencia de mediciones del CBA, se utilizó los datos del Reanálisis (CFSR) los que fueron previamente validados comparando los obtenidos del CFSR con mediciones in-situ para Sierra Nevada (California). Se concluye que el GOP es alto para casos con CBA bajo y con mayor precipitación que en los casos con CBA alto, donde el GOP es bajo. Se concluye también que la circulación secundaria asociada del CBA produce una mejor repartición de la precipitación en la cuenca, disminuyendo el valor del GOP; y que la altura del CBA discrimina mejor los GOP bajos. El análisis meteorológico de escala sinóptica, muestra que para los casos de TST dominan esquemas compatibles con bloqueo al SO del continente, mientras que en los casos de TSA son más frecuentes las Bajas Segregadas. Finalmente se ve que es posible relacionar positivamente la precipitación en la parte alta de la cuenca, con el caudal efluente de la parte media alta y el GOP en escala anual. Esto estrega una potencial herramienta de este concepto para análisis hidrológico en la cuenca del valle del Elqui.

El objetivo del sistema de inyección en los motores Diesel es la formación de una mezcla aire-combustible de calidad, de manera que se logre una combustión eficiente a la vez que se minimicen las emisiones contaminantes. Dentro de los parámetros que controlan el proceso de inyección y la formación del chorro, el flujo de cantidad de movimiento se presenta como uno de los más importantes. Parámetros del chorro tan importantes como penetración, ángulo o aire englobado dependen en gran medida de él. Además, desde el punto de vista del flujo interno en la tobera de inyección, la medida de este parámetro aporta mucha más información que simplemente medir el flujo másico, ya que utilizando estas dos medidas, es posible obtener parámetros tan importantes como la velocidad de salida o la sección de paso efectiva. Sin embargo, pese a su demostrada utilidad, la medida del flujo de cantidad de movimiento ha sido muy poco utilizada hasta ahora, debido principalmente a las dificultades que entraña su medida. Los objetivos alcanzados en esta tesis son básicamente dos. Primero, el desarrollo y puesta en marcha de un sistema para la medida del flujo de cantidad de movimiento, el cual está basado en la medida de la fuerza de impacto del chorro. Y segundo y más importante, la utilización de esta medida en el estudio experimental de los procesos de inyección, donde se ha mostrado como una herramienta muy útil a la hora de entender los fenómenos involucrados en el proceso de inyección. Fruto de este trabajo, se deducen importantes conclusiones acerca de la influencia de la geometría de los orificios y el fenómeno de cavitación sobre la inyección. / Gimeno García, J. (2008). Desarrollo y aplicación de la medida del flujo de cantidad de movimiento de un chorro Diesel [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8306

En el motor Diesel, uno de los temas que ha despertado gran interés en las últimas décadas es el sistema de inyección, debido a su influencia en los procesos de atomización y formación de la mezcla aire-combustible, los cuales repercuten directamente en las prestaciones y emisiones contaminantes del motor. Con el objetivo de disminuir la brecha científica en el conocimiento del comportamiento del flujo interno y del chorro a la salida del orificio se han llevado a cabo numerosos estudios, tanto teóricos como experimentales, así como de modelado fluidodinámico. Sin embargo, el estudio del flujo en el interior de las toberas de inyección, así como su efecto sobre la atomización del combustible y el desarrollo del chorro en sus primeras etapas, muestra aún incertidumbres significativas, constituyendo un reto importante para la investigación en este campo. En esta Tesis se diseña y pone a punto un sistema para la visualización del flujo interno y el chorro utilizando toberas transparentes. Con este diseño, y con la aplicación de una técnica de visualización de alta resolución espacial, es posible establecer de forma más directa la relación entre las características del flujo en el interior de los orificios y la formación del chorro en sus primeros milímetros. Además, el sistema de visualización permite trabajar con diferentes geometrías y secciones de orificio (planas o cilíndricas), lo cual posibilita caracterizar la influencia de la geometría tanto en el flujo interno como en el chorro. De esta manera, se ha analizado en primer lugar la influencia que tiene la geometría en la formación y desarrollo de la cavitación en el interior del orificio, así como su relación con el colapso del gasto másico. Para ello, se han utilizado diferentes geometrías de toberas planas transparentes con dimensiones cercanas a las reales. Como resultado de este estudio se ha podido observar que toberas con una sección de salida más grande son más propensas a cavitar; también se ha observado que toberas con mayor longitud de orificio necesitan de condiciones más criticas para cavitar y que el colapso del gasto másico se presenta en condiciones de supercavitación. Una vez estudiada la influencia de la geometría en el comportamiento del flujo interno, se analiza la influencia que tiene la aparición y desarrollo de la cavitación en el interior de los orificios sobre la atomización y características del chorro. Como resultado de este estudio se pueden apreciar los diferentes regímenes de atomización y se puede ver que la cavitación hace que aumente de forma significativa tanto el ángulo de apertura del chorro en los primeros milímetros como las irregularidades del contorno del mismo, favoreciendo el proceso de atomización. / Venegas Pereira, ÓH. (2014). Estudio del fenómeno de la cavitación en la inyección Diesel mediante la visualización del flujo interno en orificios transparentes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/37375

With the slow but ineluctable depletion of fossil fuels, several avenues are currently being explored in order to define the strategic boundaries for a clean and sustainable energetic future, while accounting for the specificities of each sectors involved. In regard to transport applications, alternative fuels may represent a promising solution, at least at short or middle term, such as the International Energy Agency foresees that their share could account for 9% of the road transport fuel needs by 2030 and 27 % by 2050, with the potential resources to reach 48% beyond. If they have already been included in significant blending proportions with conventional fossil fuel in most of the occidental countries, their introduction also coincides with a long-time established program of continuously more drastic standards for engine emissions of NOX and PM, now even further demanding by the seek for combustion efficiency aiming at reducing CO2 emissions. While several works discuss the alternative fuels effect on exhaust emissions when used directly in production Diesel engines, results and analysis are sometimes contradictory, depending sometimes on the conditions in which they were obtained, and the causes of these results remain unclear. Therefore, in order to better understand their effect on the combustion processes, and thus extract the maximum benefits from these fuels in the optimization of engine design and calibration, a detailed comprehension of their spray and combustion characteristics is essential. The approach of this study is mostly experimental and based on an incremental methodology of tests aiming at isolating injection and combustion processes with the objective to identify and quantify the role of both fuel physical and chemical properties at some key stages of the Diesel combustion process. After obtaining a detailed characterization of their properties, five fuels have been injected in an optical engine enabling a sharp control of the thermodynamic e / Nerva, J. (2013). An Assessment of fuel physical and chemical properties in the combustion of a Diesel spray [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/29767

En reactores de agua a presión, las secuencias de accidente severo con rotura de tubos del generador de vapor (conocidas por sus siglas en inglés SGTR, Steam Generator Tube Rupture) son dominantes del riesgo, a pesar de ser sucesos de muy baja probabilidad. Su importancia reside en la potencial liberación de radiactividad, en forma de aerosol, que supondrían desde el circuito primario al medio ambiente, sin intervención de la contención. Sin embargo, las partículas radioactivas podrían retenerse parcialmente en el secundario del generador de vapor aun cuando no quedara agua en el mismo. La ausencia de información sobre la capacidad del generador de vapor para atenuar el Término Fuente en condiciones secas, ha impedido su consideración en los estudios probabilistas de seguridad y en las guías de gestión de accidentes severos. Este trabajo describe las principales actividades y resultados de un programa experimental centrado en el estudio de la retención de aerosoles que se produce en la etapa de rotura del secundario de un generador de vapor seco. El trabajo está enmarcado en la contribución del CIEMAT al proyecto ARTIST (2003-2008) que ha sido financiada por el Consejo de Seguridad Nuclear. El objetivo general del trabajo fue desarrollar una base de datos de retención de productos de fisión en la etapa de rotura del secundario de un generador de vapor seco durante una secuencia SGTR de accidente severo. Los objetivos específicos del programa eran estimar tanto la influencia del campo de velocidades del gas, como la influencia de la naturaleza de las partículas en la retención de aerosoles en el haz de tubos. Para ello, se construyó una maqueta de tamaño intermedio con dimensiones y geometría representativas de una etapa un generador de vapor real. La caracterización aerodinámica del flujo en la etapa de rotura se realizó utilizando la técnica de velocimetría por imágenes de partículas (conocida por sus siglas en inglés PIV). La influencia de la naturaleza de la part / Sánchez Velasco, FJ. (2008). Experimental characterization of aerosol retention in the break stage of a dry steam generator in SGTR sequences [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/3839

[ES] La descarga de vapor en forma de chorro en piscinas con agua subenfriada es una forma muy eficiente de condensar vapor y es muy utilizada en diversas aplicaciones industriales, como la industria farmacéutica, metalúrgica, química, sistemas de propulsión sumergida y nuclear. Siendo especialmente esencial en los sistemas de seguridad de las centrales nucleares, concretamente en la piscina de supresión de presión de los Reactores de Agua en Ebullición (BWR, Boiling Water Reactor) y en el tanque de almacenamiento de agua de reabastecimiento en la contención de los reactores avanzados de agua a presión. La eficiencia de esta técnica, denominada Condensación por Contacto Directo (DCC, Direct Contact Condensation), radica en la rápida condensación del vapor proporcionando una alta capacidad de transferencia de calor e intercambio de masa. En las últimas décadas, se han llevado a cabo muchos experimentos sobre los chorros sumergidos de gases no condensables y vapor puro en piscinas, que han proporcionado mucha información de interés, aunque continúan los esfuerzos para adquirir información adicional. Para estudiar en detalle el comportamiento de las descargas de chorros turbulentos se han llevado a cabo una serie de experimentos en una instalación que ha sido diseñada para representar diversos entornos de interés crítico para la seguridad en centrales nucleares. Su singularidad radica en la capacidad de poder reproducir fenomenologías similares a situaciones específicas que podrían surgir en una central nuclear, desde sistemas de despresurización hasta roturas con pérdida de refrigerante. La instalación posibilita el estudio con vapor, aire o una mezcla de ambos utilizando geometrías simples (boquilla) o complejas (sparger) en una piscina con agua en reposo. Se ha utilizado una cámara de alta velocidad con Dispositivo de Carga Acoplada (CCD, Charged-Coupled Device) para capturar imágenes de la descarga del chorro en la piscina y así determinar la interfase entre el gas y el líquido, utilizando técnicas de visualización directa. Para llevar a cabo el procesamiento de dichas imágenes, se han aplicado una serie de procedimientos de procesado, filtrado y post-procesado utilizando una subrutina implementada en MATLAB. Tras la adquisición de las imágenes, se ha caracterizado el comportamiento del chorro de vapor y aire, el efecto de la fracción volumétrica de aire sobre la mezcla y el efecto de la variación del tamaño de la boquilla. Además, se ha medido la longitud del momento del chorro y se ha comprobado su estrecha relación con el diámetro de la boquilla, la velocidad del chorro y el porcentaje de la mezcla. Por otro lado, se ha caracterizado el comportamiento del chorro horizontal en la zona de transición. La transición indica el cambio de un chorro dominado exclusivamente por la fuerza de momento a un régimen en el que las fuerzas de flotación prevalecen. Esta prueba se ha realizado utilizando cinco boquillas intercambiables y para cada caudal de vapor se ha determinado el porcentaje de aire en el que ocurre la transición. Otro de los principales objetivos de esta tesis es la modelación utilizando herramientas de códigos de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), específicamente descargas de chorros de aire en agua subenfriada. Para esto se ha empleado el software ANSYS CFX. El comportamiento del flujo multifásico se ha simulado utilizando el modelo euleriano-euleriano no homogéneo; debido a que es más conveniente para estudiar fluidos interpenetrados. Los resultados CFD se han validado con datos experimentales y resultados teóricos. Las cifras de mérito de la longitud de penetración adimensional y la longitud de flotabilidad adimensional muestran una buena concordancia con las mediciones experimentales. Las correlaciones para estas variables se obtuvieron en función de números adimensionales para dar generalidad utilizando sólo condiciones iniciales de contorno. / [CA] La descàrrega de vapor en forma de xorrat en piscines amb aigua subrefredada és una forma molt eficient de condensar vapor i s'utilitza àmpliament en diverses aplicacions industrials, com la indústria farmacèutica, metal·lúrgica, química, sistemes de propulsió submergida i nuclear. És especialment essencial en els sistemes de seguretat de les centrals nuclears, concretament en la piscina de supressió de pressió dels Reactors d'Aigua en Bulliment (BWR) i en el dipòsit d'aigua de reaprovisionament a la contenció dels reactors avançats d'aigua a pressió. L'eficiència d'aquesta tècnica, anomenada Condensació per Contacte Directe (DCC), rau en la ràpida condensació del vapor proporcionant una alta capacitat de transferència de calor i intercanvi de massa. En les últimes dècades, s'han realitzat molts experiments sobre els raigs submergits de gasos no condensables i vapor pur en piscines, que han proporcionat molta informació d'interès, tot i que continuen els esforços per adquirir informació addicional. Per estudiar amb detall el comportament de les descàrregues de raigs turbulents s'han dut a terme una sèrie d'experiments en una instal·lació que ha estat dissenyada per representar diversos entorns d'interès crític per a la seguretat en centrals nuclears. La seua singularitat rau en la capacitat de poder reproduir fenomenologies semblants a situacions específiques que podrien sorgir en una central nuclear, des de sistemes de despressurització fins a ruptures amb pèrdua de refrigerant. La instal·lació possibilita l'estudi amb vapor, aire o una barreja de tots dos utilitzant geometries simples (busseta) o complexes (sparger) en una piscina amb aigua en repòs. A més, és possible combinar aquestes situacions amb diferents condicions de cabal, pressió o temperatura. S'ha utilitzat una càmera de alta velocitat (CCD) per capturar imatges de la descàrrega del raig a la piscina i així determinar la interfase entre el gas i el líquid, emprant tècniques de visualització directa. Per dur a terme el processament d'aquestes imatges, s'han aplicat una sèrie de procediments complexes de processat, filtrat i post-processat mitjançant una subrutina implementada en MATLAB. Després de l'adquisició de les imatges, s'ha caracteritzat el comportament del raig de vapor i aire, l'efecte de la fracció volumètrica d'aire sobre la barreja i l'efecte de la variació de la grandària de la busseta. A més, s'ha mesurat la longitud del moment del raig i s'ha comprovat la seua estreta relació amb el diàmetre de la busseta, la velocitat del raig i el percentatge de la barreja. D'altra banda, s'ha caracteritzat el comportament del raig horitzontal en la zona de transició. La transició indica el canvi d'un raig dominat exclusivament per la força de moment a un règim en què les forces de flotació prevalen. Aquesta prova s'ha realitzat utilitzant cinc bussetes intercanviables i per a cada cabal de vapor s'ha determinat el percentatge d'aire en què ocorre la transició. Un altre dels principals objectius d'aquesta tesi és la modelització utilitzant eines de codis de Dinàmica de Fluids Computacionals (CFD), específicament descàrregues de xorrades d'aire en aigua subrefredada. Per a això s'ha utilitzat el software ANSYS CFX. El comportament del flux multifàsic s'ha simulat utilitzant el model eulerià-eulerià no homogeni, ja que és més convenient per estudiar fluids interpenetrats. Els resultats CFD s'han validat amb dades experimentals i resultats teòrics. Les figures de mèrit de la longitud de penetració adimensional i la longitud de flotabilitat adimensional mostren una bona concordança amb les mesures experimentals. Les correlacions per a aquestes variables s'han obtingut en funció de nombres adimensionals per donar generalitat utilitzant només condicions inicials de contorn. El model numèric CFD desenvolupat té la capacitat de simular el comportament de gasos no condensables descarregats en aigua. / [EN] The discharge of steam in the form of a jet in pools with subcooled water is a highly efficient way to condense steam and is widely used in various industrial applications, such as the pharmaceutical, metallurgical, chemical, submerged propulsion, and nuclear industries. It is particularly essential in the safety systems of nuclear power plants, specifically in the pressure suppression pool of Boiling Water Reactors (BWR) and in the water replenishment tank in the containment of advanced pressurized water reactors. The efficiency of this technique, known as Direct Contact Condensation (DCC), lies in the rapid condensation of steam, providing a high heat transfer and mass exchange capacity. In recent decades, numerous experiments have been conducted on submerged jets of non-condensable gases and pure steam in pools, yielding valuable information, although efforts continue to gather additional data. To study in detail the behavior of turbulent jet discharges, a series of experiments have been carried out in a facility designed to simulate various critical environments for safety in nuclear power plants. Its uniqueness lies in the ability to reproduce phenomenologies like specific situations that could arise in a nuclear power plant, from depressurization systems to ruptures with coolant loss. The facility enables the study with steam, air, or a mixture of both using simple geometries (nozzle) or complex geometries (sparger) in a pool with quiescent water. Additionally, it is possible to combine these situations with different flow, pressure, or temperature conditions. A high-speed camera with Charge-Couple Device (CCD) has been used to capture images of the jet discharge in the pool, aiming to determine the gas-liquid interface through direct visualization techniques. Following the image acquisition, a series of complex processing, filtering, and post-processing procedures have been applied using a subroutine implemented in MATLAB. After obtaining the images, the behavior of the steam and air jet, the effect of the volumetric fraction of air on the mixture, and the impact of varying the nozzle size have been characterized. Additionally, the length of the jet momentum has been measured, establishing its close relationship with the nozzle diameter, jet velocity, and mixture percentage. Furthermore, the behavior of the horizontal jet in the transition zone has been characterized. The transition denotes the shift from a jet dominated exclusively by momentum force to a regime where buoyancy forces prevail. This test has been conducted using five interchangeable nozzles, and for each steam flow rate, the percentage of air at which the transition occurs has been determined. Another main objective of this thesis is modeling using Computational Fluid Dynamics (CFD) tools, specifically jet discharges of air into subcooled water. The ANSYS CFX software has been employed for this purpose. Multiphase flow behavior has been simulated using the non-homogeneous Eulerian-Eulerian model, as it is more convenient for studying interpenetrated fluids. CFD results have been validated with experimental data and theoretical results. The dimensionless penetration length and dimensionless buoyancy length merit figures show good agreement with experimental measurements. Correlations for these variables were obtained as a function of dimensionless numbers to provide generality using only initial boundary conditions. The developed CFD numerical model has the capability to simulate the behavior of non-condensable gases discharged into water. / Córdova Chávez, Y. (2024). Experimentación y modelación de mezcla de vapor y gases no-condensables [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207266

[ES] Debido a las regulaciones en materia de emisiones y CO2 la industria automotriz a desarrollado diferentes tecnologías innovadoras. Estas tecnologías incluyen combustibles alternativos y nuevos modos de combustión, entre otros. De aquí surge la necesidad del desarrollo de nuevos métodos para el control de la combustión en estas condiciones mencionadas. Por este motivo, en este trabajo se han desarrollado diferentes modelos e indicadores orientados al diagnóstico y control de la combustión tanto en condiciones normales como anormales. Para los casos de combustión normal, se ha desarrollado un modelo de combustión, cuyo objetivo es estimar la media de la evolución de la fracción de la masa quemada y la presión dentro del cilindro. Se implementó un observador, basado en la señal de knock, con la finalidad de mejorar la estimación en condiciones transitorias y poder aplicar así el modelo a diferentes tipos de combustibles. También se presenta un modelo de variabilidad cíclica, en el cual, a partir del modelo de combustión, se propaga una distribución en dos de los parámetros de dicho modelo. Ambos modelos han sido aplicados para un motor de encendido provocado y un motor de combustión de encendido por chorro turbulento. En los casos de combustión anormal, se ha incluido un análisis de la resonancia dentro de la cámara de combustión, en donde también se desarrollaron dos modelos capaces de estimar la evolución de la resonancia. Estos modelos, tanto para condiciones normales como anormales, se utilizaron para el diagnóstico de la combustión. Por una parte, para la detección de knock, en donde tres estrategias de detección de knock fueron desarrolladas: dos basadas en el sensor de presión en cámara y una en el sensor de knock. Por otra parte, se realizó una aplicación de un modelo de resonancia para la mejora de la estimación de la masa atrapada a partir de la resonancia. Finalmente, para mostrar el potencial de los modelos de diagnóstico, dos aplicaciones a control se desarrollaron: una para el control de knock a través de la actuación de la chispa, y otra para el control de gases residuales, a través de la actuación de la distribución variable, realizando paralelamente una optimización de la combustión a través de la actuación de la chispa. / [CA] Impulsada per les regulacions en matèria d'emissions i CO2 la indústria automotriu a desenvolupat diferents tecnologies inovadore. Aquestes tecnologies inclouen combustibles alternatius i nous modes de combustió, entre altres. D'ací sorgix la necessitat posar en pràctica nous mètodes per al control de la combustió. En aquest context, el present trevall proposa diferents models i indicadors orientats al diagnòstic i control de la combustió tant en condicions normals com anormals. Per als casos de combustió normal, es proposa un model de combustió, l'objectiu del qual és estimar la mitjana de l'evolució de la fracció de la massa cremada i la pressió dins del cilindre. Es va implementar un observador, basat en la senyal de knock, amb la finalitat de millorar l'estimació en condicions transitòries i poder aplicar així el model a diferents tipus de combustibles. També es presenta un model de variabilitat cíclica, en el qual, a partir del model de combustió, es propaga una distribució en dos dels parametres del dit model. Ambdós models han sigut aplicats a un motor d'encesa provocada i un motor de combustió d'encesa per doll turbulent. Als casos de combustió anormal, s'ha inclos un anàlisi de la ressonància dins de la cambra de combustió, on també es van desenvolupar dos models capaços d'estimar l'evolució de la ressonància. Aquests models, tant per a condicions normals com anormals, s'utilitzen per al diagnòstic de la combustió. Per una part, per a la detecció de knock, on tres estratègies de detecció de knock s'han desenvolupat: dues basades en el sensor de pressió a la cambra de combustió i una altra basada en el sensor de knock. Per altra part, es va realitzar una aplicació d'un model de ressonància per a la millora de l'estimació de la massa atrapada a partir de la ressonància. Finalment, per a mostrar el potencial dels models de diagnòstic, dos aplicacions de control es van desenvolupar: una per al control de knock a través de l'actuació de l'espurna, i una altra per al control de gasos residuals, a través de l'actuació de la distribució variable, realitzant paral·lelament una optimització de la combustió a través de l'actuació de l'espurna. / [EN] The need to satisfy emissions and CO2 regulations is pushing the automotive industry to develop different innovative technologies. These technologies include alternative fuels and new modes of combustion, among others. Therefore, the need for the development of new methods for combustion control in these mentioned conditions arises. For this reason, in this work different models and indicators have been developed aimed at the diagnosis and control of combustion in both normal and abnormal conditions. For normal combustion cases, a combustion model has been developed, the objective of this model is to estimate the mean of evolution of the mass fraction burned and the in-cylinder pressure. An observer had been implemented, based on knock sensor signal, in order to improve the estimation in transient conditions and also to be able to make use of the model with different fuels. A cyclic variability model is also presented, where from the combustion model, a probability distribution is propagated over two of the parameters of such model. Both models had been applied for a spark ignition engine and a turbulent jet ignition combustion engine. For the abnormal combustion cases, an analysis of the resonance within the combustion chamber had been included, where two models capable of estimating the evolution of the resonance were also developed. These models, for both normal and abnormal conditions, were used for the diagnosis of combustion: on the one hand, for knock recognition, where three knock detection strategies were developed: two based on the in-cylinder pressure sensor and one on the knock sensor. On the other hand, an application of a resonance model was carried out in order to improve the estimation of the trapped mass from the resonance excitation. Finally, to show the potential of such models and applications, two control strategies were developed: one for the control of knock through the actuation of the spark advance, and a second for the control of residual gases, through the actuation of the variable valve timing, while optimizing the combustion through the actuation of the spark advance. / El trabajo desarrollado en esta tesis ha sido posible gracias a la financiación de la Generalitat Valenciana y el fondo social europeo a través de la beca 132 GRISO- LIAP/2018/132 y BEFPI/2021/042. / Jiménez, IA. (2022). Development of Combustion Indicators for Control of Multi-Fuel Engines Based on New Combustion Concepts [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181561

[ES] La creciente aversión pública contra los motores de combustión interna ha llevado a un fuerte deseo de cambio hacia fuentes de energía renovables y más limpias. Sin embargo, todavía es difícil reemplazar los combustibles líquidos derivados del petróleo como fuente primaria de energía, principalmente debido a su gran disponibilidad, confiabilidad, y asequibilidad. Por lo tanto, la comunidad científica debe mantener los esfuerzos para aumentar la eficiencia de estos motores en beneficio de la sociedad. Con respecto a los motores diésel, una técnica implementada ha sido aumentar el número de orificios de salida del inyector y reducir sus diámetros, mejorando el proceso de mezcla aire/combustible. Sin embargo, a medida que aumenta el número de orificios en la boquilla, también aumenta la proximidad entre ellos, lo que lleva a una reducción en el espacio disponible para que cada chorro se desarrolle sin interactuar con los chorros adyacentes. Esta interacción podría afectar el evento de combustión y sus implicaciones no se han definido por completo. De esta manera, la presente tesis tuvo como objetivo analizar la influencia del espaciamiento entre chorros en el desarrollo de la inyección, y mejorar la metodología empleada en el instituto para estudiar el chorro en inyectores multi-orificios, teniendo en cuenta las interacciones entre chorros. Con este objetivo, Continental fabricó dos inyectores diésel idénticos excepto por la distribución geométrica de los orificios de salida de cada boquilla, ya que se destinaron específicamente a estudiar la influencia del espaciamiento entre chorros en el evento de inyección. Concretamente, el primer inyector permitió estudiar, durante el mismo evento de inyección, el desarrollo de un chorro aislado en un lado de la boquilla y, en la cara opuesta, cinco chorros con un espaciamiento entre ellos de 30°. Por otro lado, el segundo inyector tiene dos distribuciones de orificios adicionales, por lo que un total de tres configuraciones de espaciado entre chorros (30° - 36° - 45°) fueron comparadas con el rendimiento del chorro aislado (espaciado = 120°). Además, se probaron con éxito una nueva ventana óptica y un espejo de cerámica de alta temperatura. Con respecto al retraso de la ignición, los chorros con chorros vecinos tendieron a tener valores de retraso de la ignición iguales o ligeramente inferiores a los del chorro aislado en condiciones pobres de contorno (baja presión del raíl, temperatura, o densidad de la cámara). Por otro lado, el efecto contrario se observó al aumentar los valores de las condiciones de contorno, con valores de retraso de la ignición iguales o más altos para los chorros con chorros vecinos. No obstante, no se observó una tendencia clara, con interacciones complejas y múltiples factores afectando simultáneamente el evento de ignición. Sobre la longitud de levantamiento de llama, los resultados mostraron que al alcanzar cierta proximidad entre los chorros, la interacción entre ellos se convierte en un factor predominante en su comportamiento, y dicha longitud se reduce considerablemente. Por otro lado, a medida que aumentaba el espaciado entre chorros, la longitud se aproximaba gradualmente a la obtenida con el chorro aislado. En cuanto a la formación de hollín, los chorros con menor espaciado con sus chorros vecinos (30° y 36°) generalmente tuvieron mayor espesor óptico KL y valores máximos de masa de hollín para una condición de contorno dada, en comparación con el desarrollo del chorro aislado. Estas tendencias están en línea con los resultados de la longitud de levantamiento de llama observados, en los que los chorros estrechamente espaciados tuevieron una longitud más corta debido (posiblemente) al englobamiento de gases calientes. Esta reducción deterioraría el proceso de mezcla de aire/combustible y, en consecuencia, la combustión ocurriría en condiciones de mezcla más ricas que son propicias para la formación de hollín. / [CA] La creixent aversió pública contra els motors de combustió interna ha portat a un fort desig de canvi cap a fonts d'energia renovables i més netes. Tot i aixó, encara és difícil substituir els combustibles líquids derivats del petroli com a font primària d'energia, principalment per la seva gran disponibilitat, seguretat, i assequibilitat. Per tant, la comunitat científica ha de mantenir la investigació per tal d'augmentar l'eficiència d'aquests motors en benefici de la societat. Pel que fa als motors dièsel, una tècnica implementada ha estat augmentar el nombre d'orificis de sortida de l'injector i reduir els seus diàmetres, millorant el procés de barreja aire/combustible. No obstant això, a mesura que augmenta el nombre d'orificis a la tovera, també augmenta la proximitat entre ells, fet que porta a una reducció a l'espai disponible perquè cada raig es desenvolupi sense interactuar amb els dolls adjacents. Aquesta interacció podria afectar l'esdeveniment de la combustió i les seves implicacions no s'han definit del tot. D'aquesta manera, aquesta tesi va tenir com a objectiu analitzar la influència de l'espaiament entre dolls en el desenvolupament de la injecció, i millorar la metodologia emprada a l'institut per a estudiar els esdeveniments d'injecció d'injectors de múltiples orificis, tenint en compte les interaccions entre dolls. Amb aquest objectiu, Continental va fabricar dos injectors dièsel amb idèntic disseny intern excepte per la distribució geomètrica dels orificis de sortida de cada tovera, ja que es van destinar específicament a estudiar la influència de l'espaiament entre dolls a l'esdeveniment d'injecció. Concretament, el primer injector va permetre estudiar, durant el mateix esdeveniment d'injecció, el desenvolupament d'un raig solitari en un costat del tovera i, a la cara oposada, cinc raigs amb un espai entre ells de 30°. D'altra banda, el segon injector té dues distribucions d'orificis addicionals, aconseguint que un total de tres configuracions d'espaiat entre dolls (30°-36°-45°) es compararen amb el rendiment del raig solitari (espaiat = 120°). A més, es van provar amb èxit una nova finestra òptica i un mirall de ceràmica d'alta temperatura. Pel que fa al retard de la ignició, els dolls amb dolls adjacents van tendir a tenir valors de retard de la ignició iguals o lleugerament inferiors als del raig solitari en condicions pobres de contorn (baixa pressió del rail, temperatura, o densitat de la càmera). D'altra banda, l'efecte contrari es va observar augmentant els valors de les condicions de contorn, amb valors de retard de la ignició iguals o més alts per als dolls amb dolls adjacents. Tot i això, no es va apreciar un efecte constant, amb interaccions complexes i múltiples factors afectant simultàniament l'esdeveniment d'ignició. Sobre la longitud d'aixecament de flama, els resultats van mostrar que en assolir certa proximitat entre els dolls, la interacció entre ells es converteix en un factor predominant en el seu comportament, reduint-se considerablement aquesta longitud. D'altra banda, a mesura que augmentava l'espaiat entre dolls, la longitud s'aproximava gradualment a l'obtinguda amb el raig solitari. Quant a la formació de sutge, els raigs amb menor espaiat amb els seus raigs adjacents (30° i 36°) generalment van tenir més gruix òptic KL i valors màxims de massa de sutge per a una condició de contorn donada, en comparació amb el desenvolupament del raig solitari. Aquestes tendències estan aliniades amb els resultats de la longitud d'aixecament de flama observats, en què els dolls estretament espaiats van tenir una longitud més curta degut (possiblement) a l'englobament de gasos calents. Aquesta reducció deterioraria el procés de barreja d'aire/combustible i, en per tant, la combustió ocorreria en condicions de mescla més riques que són propícies per a la formació de sutge. / [EN] The growing public aversion to internal combustion engines has led to a strong desire to shift towards renewable and cleaner energy sources. However, it is still hard to replace petroleum-derived liquid fuels as the primary energy source, mainly due to their plenty of availability, reliability, and affordability. Then, efforts have to come from the research community to increase the efficiency of these engines for the benefit of society. Regarding diesel engines, one implemented technique has been to increase the number of outlet holes of the injector and reduce their diameters, enhancing the air/fuel mixing process. Nevertheless, as the number of holes in the nozzle increases, so does the proximity between them, leading to a reduction in the space available for each jet to develop without interacting with the neighbor sprays. This interaction could affect the combustion event, and its implications have not been entirely defined. Thus, the present thesis aimed to analyze the influence of inter-jet spacing on the injection development and enhance the methodology employed in the institute to study injection events of multi-holes injectors, accounting for the interactions between jets. To this end, two diesel injectors with six outlet orifices were manufactured by Continental with identical design, except for the geometric distribution of the outlet holes of each nozzle, as they were specifically allocated to study the influence of inter-jet spacing on the injection event. Concretely, the first injector allowed the study of the development of an isolated spray on one side and a spray with an inter-jet spacing of 30° on the other side during the same injection event. Moreover, the second injector has two additional orifices distributions, so a total of three inter-jet spacing configurations (30°- 36° - 45°) were compared to the performance of the isolated spray (spacing = 120°). Additionally, a novel optical window and high-temperature ceramic mirror were successfully tested. Regarding the ignition delay, sprays with neighbor jets tended to have equal or slightly smaller ignition delay values under poor mixing and ignition conditions (low rail pressure, chamber temperature, or chamber density conditions). On the other hand, the opposite effect was generally observed as the boundary conditions were overall increased, with equal or higher ignition delay values within sprays with neighbor jets, compared to that of the isolated spray. Nonetheless, no clear trend was defined, with complex interactions and multiple factors simultaneously affecting the ignition event. On the lift-off length, the results showed that after certain proximity between sprays is reached, the interaction between the jets becomes a predominant factor in their behavior, and the lift-off length is considerably reduced. Moreover, as the inter-jet spacing increases, the performance gradually approaches that obtained from the isolated spray. Respecting the soot formation, the sprays with closely spaced neighbor jets (30° and 36°) generally had higher optical thickness KL and peak soot mass values for a given boundary condition when compared to the development of the isolated spray. These trends are in line with the lift-off length results observed, in which the closely spaced jets had a shorter lift-off length due to (plausibly) hot gases re-entrainment. This shortening would deteriorate the air/fuel mixing process and, consequently, combustion happens in richer mixture conditions that are suitable for soot formation. / I want to express my gratitude to Generalitat Valenciana and European Social Fund for the financial support provided through the research grant (ACIF/2018/122) / Montiel Prieto, TE. (2022). Influence of Inter-Jet Spacing on the Diesel Spray Formation and Combustion [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181608

[ES] La industria y la comunidad investigadora están trabajando para desarrollar herramientas y tecnologías que contribuyan a la reducción de emisiones contaminantes. Uno de los sectores afectados por la normativa anticontaminación es el transporte. Nuevas tecnologías están evolucionando, especialmente componentes de los sistemas de inyección, diseño de cámaras de combustión, elementos de postratamiento, la hibridación, entre otros. Los sistemas de reducción catalítica selectiva (SCR) han sido una de las claves para alcanzar los objetivos de las normativas de emisiones, especialmente de Óxidos Nitrosos (NO𝑥). La tecnología SCR se emplea para eliminar los NO𝑥 presentes en los gases de escape de un motor. El proceso de inyección de la solución de urea-agua (UWS) determina las condiciones iniciales para la mezcla y evaporación del fluido en el sistema de reducción catalítica selectiva. Para un correcto funcionamiento, el inyector UWS debe dosificar una cantidad adecuada de líquido en el tubo de escape para evitar la formación de depósitos y garantizar la eficiencia del post-tratamiento. Esta tarea requiere la caracterización hidráulica del inyector y de la evolución del spray. El objetivo de esta tesis es la comprensión de los procesos de inyección de solución urea-agua en condiciones de funcionamiento realistas, similares a las que se encuentran en un tubo de escape de motor. Para ello, este trabajo se centra en el desarrollo de nuevas instalaciones experimentales que permitan realizar la caracterización hidráulica combinando medidas de flujo de cantidad de movimiento y masa inyectada. Posteriormente, el chorro de UWS se visualiza aplicando técnicas ópticas a varios niveles de temperatura y flujo másico de aire, en un banco de pruebas diseñado para este propósito. En cuanto a la caracterización hidráulica del inyector de UWS, el método se basa en medir el flujo de cantidad de movimiento para comprender la influencia de diferentes variables como el fluido inyectado, la presión de inyección, entre otros. Las medidas se realizaron utilizando una instalación experimental desarrollada en CMT-Motores Térmicos para la determinación del flujo de cantidad de movimiento, la cual fue modificada para cumplir con los requisitos de operación de estos inyectores. Además, la masa inyectada se obtiene experimentalmente para las mismas condiciones de funcionamiento. La metodología propuesta permitió calcular el flujo másico de estos atomizadores de baja presión, así como el coeficiente de descarga, que son datos útiles para futuras actividades de modelado. Se diseñó una instalación experimental para estudiar la atomización del fluido UWS en condiciones similares a las del tubo de escape del motor. La evolución del spray se caracterizó desde el punto de vista macroscópico, desarrollando una metodología para la determinación de la penetración y del ángulo del chorro. El método se basa en la configuración óptica conocida como diffused-back-light en una configuración de campo lejano. La penetración del spray se dividió en dos zonas: el inicio del chorro y el cuerpo principal. Se observó que la parte inicial del spray inyectado no se ve particularmente afectada por la presión de inyección sino más bien por la temperatura de la camisa de enfriamiento del inyector. El proceso de atomización se investigó mediante la misma técnica de diagnóstico óptico, diffused-back-lighting, acoplado a una lente microscópica especial. Se cuantificó la distribución del diámetro de las gotas y la velocidad de las gotas (en los componentes axial y tangencial) del chorro, en diferentes niveles de presión de inyección y flujo de aire. Se empleó una cámara de alta velocidad para capturar las imágenes de la fase líquida, comparando las gotas de líquido atomizado en tres regiones diferentes del chorro. Como resultado de este estudio, se puede observar que una mayor presión de inyección produce más gotas con diámetros menores favoreciendo el proceso de atomización. / [CA] Noves tecnologies estan evolucionant, especialment components dels sistemes d'injecció, disseny de cambres de combustió, elements de posttractament, la hibridació, entre altres. Els sistemes de reducció catalítica selectiva (SCR) han sigut una de les claus per a aconseguir els objectius de les normatives d'emissions, especialment d'Òxids Nitrosos (NO𝑥). La tecnologia SCR s'empra per a eliminar els NO𝑥 presents en els gasos de fuita d'un motor. El procés d'injecció de la solució d'urea aigua (UWS) determina les condicions inicials per a la mescla i evaporació del fluid en el sistema de reducció catalítica selectiva. Per a un correcte funcionament, l'injector UWS ha de dosar una quantitat adequada de líquid en el tub d'escapament per a evitar la formació de depòsits i garantir l'eficiència del post-tractament. Aquesta tasca requereix la caracterització hidràulica de l'injector i de l'evolució de l'esprai. L'objectiu d'aquesta tesi és la comprensió dels processos d'injecció de solució urea-aigua en condicions de funcionament realistes, similars a les que es troben en un tub d'escapament de motor. Per a això, aquest treball se centra en el desenvolupament de noves instal·lacions experimentals que permeten realitzar la caracterització hidràulica combinant mesures de flux de quantitat de moviment i massa injectada. Posteriorment, el doll de UWS es visualitza aplicant tècniques òptiques a diversos nivells de temperatura i flux màssic d'aire, en un banc de proves dissenyat per a aquest propòsit. Quant a la caracterització hidràulica de l'injector de UWS, el mètode es basa a mesurar el flux de quantitat de moviment per a comprendre la influencia de diferents variables com el fluid injectat, la pressió d'injecció, la contrapressió i la temperatura del sistema sobre les característiques del flux. Les mesures es van realitzar utilitzant una instal·lació experimental desenvolupada en CMT-Motores Térmicos per a la determinació del flux de quantitat de moviment, la qual va ser modificada per a complir amb els requisits d'operació d'aquests injectors. A més, la massa injectada s'obté experimentalment per a les mateixes condicions de funcionament. La metodologia proposada va permetre calcular el flux màssic d'aquests atomitzadors de baixa pressió, així com el coeficient de descàrrega, que són dades útils per a futures activitats de modelatge. Es va dissenyar una instal·lació experimental per a estudiar l'atomització del fluid UWS en condicions similars a les del tub d'escapament del motor. L'evolució de l'esprai es va caracteritzar des del punt de vista macroscòpic, desenvolupant una metodologia per a la determinació de la penetració i de l'angle del doll. El mètode es basa en la configuració òptica coneguda com diffusedback-light en una configuració de camp llunyà. La penetració de l'esprai es va dividir en dues zones: l'inici del doll i el cos principal. Es va observar que la part inicial de l'esprai injectat no es veu particularment afectada per la pressió d'injecció sinó més aviat per la temperatura de la camisa de refredament de l'injector. El procés d'atomització es va investigar mitjançant la mateixa tècnica de diagnòstic òptic, diffused-back-lighting, acoblat a una lent microscòpica especial. Es va quantificar la distribució del diàmetre de les gotes i la velocitat de les gotes (en els components axial i tangencial) del doll, en diferents nivells de pressió d'injecció i flux d'aire. Es va emprar una càmera d'alta velocitat per a capturar les imatges de la fase líquida, comparant les gotes de líquid atomitzat en tres regions diferents del doll: la primera prop de l'eixida de la tovera i les altres dues a la regió desenvolupada de l'esprai, una alineada amb l'eix de l'injector i l'altra en la perifèria del mateix. Com a resultat d'aquest estudi, es pot observar que una major pressió d'injecció produeix més gotes amb diàmetres menors afavorint el procés d'atomització. / [EN] One of the sectors affected by the anti-pollution regulations is the transportation, since it is responsible for around 20% of the green house gases emissions production. New technologies are evolving, especially subsystems as fuel injection components, combustion design, after-treatment and hybridization. The SCR has been one of the most important to reach the emission targets, specially for Nitrous Oxides (NO𝑥). The SCR technology is employed in the elimination of the NO𝑥 present in the exhaust gases of a combustion engine. The injection process of the urea-water solution (UWS) determines the initial conditions for the mixing and evaporation of the fluid in the selective catalytic reduction system. For a proper operation, the UWS injector must dose an adequate amount of liquid into the exhaust pipe to avoid deposit formation and to guarantee the SCR system efficiency. This task requires the knowledge of the performance of the injector and the evolution of the spray. The goal of this thesis is the comprehension of the urea-water solution injection processes under realistic operating conditions, similar to those of an engine exhaust pipe. To this end, this work focuses on the development of new experimental facilities that enable to perform the hydraulic characterization combining momentum flux measurements and injected mass. Afterwards, the UWS jet is visualized by applying optical techniques at various levels of air temperature and mass flow, in a novel test rig designed for this purpose. Regarding to the hydraulic performance of the UWS injector, the approach is based on measuring the spray momentum flux in order to understand the influence of different variables as injected mass, injection pressure, back pressure and cooling temperature on the flow characteristics. The measurements were carried out using an experimental facility developed at CMT-Motores Térmicos for the determination of spray momentum flux, where the configuration of the system was customized to fulfill the injector operation requirements. Also, the injected mass is obtained experimentally for the same operating conditions. The proposed methodology allowed to calculate the mass flow rate of this low pressure atomizers and the discharge coefficients, which are useful data for future computer modeling activities. A dedicated test facility was designed to study UWS spray under conditions that resemble those of the engine exhaust pipe. The liquid spray evolution is characterized from the macroscopic point of view, developing a methodology for the determination of the spray penetration and spreading angle. The method is based on the optical setup known as back-light in a far-field configuration. The spray penetration was divided in two zones, the spray burst and the body, where it was observed that the initial part of the injected spray is not particularly affected by the injection pressure but was rather influenced by the cooling temperature of the injector. Besides, the liquid atomization process of the UWS dosing system is investigated using optical diagnosis through back-light imaging coupled with a special lens. The droplet diameter distribution and the droplet velocity (in the injector axial and tangential components) of the liquid spray are quantified under different air flow and injection pressure levels. A high-speed camera was used for capturing the liquid phase images, comparing the atomized liquid drops in three different regions of the plume: the first one near the nozzle exit, and the other two in the developed region of the spray, one aligned with the injector axis and the other at the spray periphery. The results of this study demonstrated that injection pressure produces more droplets with smaller diameters favoring the atomization process. / Moreno, AE. (2022). Experimental Study of the Urea-Water Solution Injection Process [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181637