[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