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Contribución al estudio del ruido de combustión en conceptos avanzados de combustión diesel

Mónico Muñoz, Luisa Fernanda 25 January 2013 (has links)
Actualmente, el mundo se enfrenta a dos crisis desde el punto de vista ambiental: la escasez de combustibles fósiles y la degradación ambiental. Según las proyecciones para el año 2020 el uso de vehículos se triplicará y así aumentara la demanda de combustible fósil y por ende, las emisiones de contaminantes. En comparación con el motor de gasolina, el motor Diesel presenta la ventaja de ser un motor más eficiente y por consiguiente, emite menos CO2. No obstante, producen elevados niveles de NOx y partículas. Para encarar estas dificultades, se han propuesto diferentes acciones. Una solución, la constituyen los avanzados conceptos de combustión Diesel. Estos conceptos, permiten reducir los niveles de NOx y partículas. Sin embargo, tienen el inconveniente de producir elevados niveles de ruido de combustión, por el empleo de inyecciones tempranas, las cuales hacen que una mayor cantidad de combustible se queme en condiciones premezcladas. Por otro lado, los combustibles alternativos han ganado gran importancia en los últimos años. Los biodiesel no sólo sobresalen por su facilidad de producción, utilización y almacenamiento, sino también por su potencial para reducir los niveles de partículas, CO, HC y CO2. Sin embargo, las emisiones de NOx aumentan en la mayoría de las condiciones de operación. Los combustibles sintéticos, también disminuyen notablemente las emisiones contaminantes, y debido a su mayor poder calorífico, reducen el consumo específico de combustible. Desde el punto de vista acústico, el ruido de combustión de los motores Diesel es uno de los aspectos más negativos, ya que constituye la principal fuente de ruido en los vehículos que emplean este tipo de motores. En los convencionales y especialmente en los nuevos conceptos de combustión Diesel, el quemado del combustible en condiciones premezcladas, provoca un aumento brusco de la presión, deteriorando de esta forma la calidad del ruido de combustión. Por tales motivos, el objetivo de esta tesis se / Mónico Muñoz, LF. (2013). Contribución al estudio del ruido de combustión en conceptos avanzados de combustión diesel [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/19015 / Palancia
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An Assessment of fuel physical and chemical properties in the combustion of a Diesel spray

Nerva, Jean-Guillaume 18 June 2013 (has links)
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 no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/29767 / Palancia
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Estudio de la optimización de estufas de cocción tradicionales empleadas en países en desarrollo utilizando biomasa leña gasificada (aplicado a la R.D.Congo)

Mulumba Ilunga, Óscar 02 March 2021 (has links)
[ES] Resumen Casi la mitad de la población mundial no tiene acceso a energías como la electricidad o el gas y tienen que utilizar forzosamente biomasa para cocinar, principalmente leña y carbón. Lo que en países desarrollados parece un lujo, en otros muchos es una obligación, ya que no hay otra alternativa. Con un pequeño ahorro en el combustible que utilizan estas estufas de los países sin acceso a otro tipo de energía, el resultado global es extraordinario. En el caso de la República Democrática del Congo más del 80% de la población realiza sus actividades culinarias utilizando biomasa sólida (leña, carbón vegetal, etc.) Para cocinar en las zonas rurales y los extrarradios de las grandes ciudades se utiliza la tradicional estufa de tres piedras TCS-3P y en las zonas urbanas la tradicional estufa de carbón vegetal TCS-C. La principal desventaja de esta práctica es una combustión de baja eficiencia energética, con la consecuencia directa de un consumo excesivo de materias primas como carbón y leña y la correspondiente deforestación. Estos equipos de cocina tradicionales emiten muchos contaminantes perjudiciales para la salud (CO y PM), así como y emisiones que contribuyen al calentamiento global y al cambio climático (CO2 y BC). En este trabajo proponemos modelos para mejorar la eficiencia energética utilizando el modelo tradicional como punto de partida, tal como lo utiliza la comunidad local. Para las poblaciones que viven en condiciones muy críticas y precarias, se han propuesto "insertos de cerámica" que pueden fabricarse y añadirse a las estufas que utilizan en la actualidad. Estos insertos pueden actuar sobre el rendimiento con mejoras del 15%. Se ha propuesto y analizado una segunda mejora basada en la combustión natural de la estufa de carbón ICS-C. El modelo más prometedor es la estufa que utiliza el principio de micro gasificación de la biomasa. Se han diseñado dos modelos de esta estufa, el modelo ICS-G1 con un solo reactor de combustión y el modelo ICS-G2 con dos reactores de combustión, y se han realizado análisis de sostenibilidad con aplicación directa a las comunidades locales. El modelo de micro gasificación propuesto funciona con un suministro de aire forzado con una gran flexibilidad de variación de la potencia de fuego según el tipo de comida a cocinar. El sistema de suministro de aire es provisto por un pequeño motor alimentado por energía solar con autonomía proporcionada por una pequeña batería de litio recargable. Los modelos de gasificación muestran importantes ventajas en comparación con el sistema tradicional, mejor eficiencia energética, al necesitar menos de la mitad de leña que con la tradicional, reducciones drásticas de las emisiones contaminantes y atmosféricas, con un ahorro de emisiones de CO2 en la ciudad de Kinshasa estimadas en 3405 kton/año y una reducción de casi la mitad del tiempo dedicado a la preparación de alimentos. Estas estufas pueden utilizar todo tipo de combustibles sólidos, además del carbón, se realizaron ensayos con combustibles alternativos que provienen de residuos agrícolas (BSW3) de esta forma se limita la presión ejercida sobre los bosques debido al uso de leña para cocinar. Los métodos de prueba utilizados son la prueba de ebullición del agua y la prueba de cocción controlada, con esta última se realiza una preparación de alimentos en un ambiente controlado. Los resultados de estas mejoras se han aplicado a casos reales en Kinshasa y Bandundu. / [CA] Quasi la meitat de la població mundial no té accés a energies com l'electricitat o el gas i han d'utilitzar forçosament biomassa per a cuinar, principalment llenya i carbó. El que en països desenvolupats sembla un luxe, en molts altres és una obligació, ja que no hi ha una altra alternativa. Amb un xicotet estalvi en el combustible que utilitzen aquestes estufes dels països sense accés a una altra mena d'energia, el resultat global és extraordinari. En el cas de la República Democràtica del Congo més del 80% de la població realitza les seues activitats culinàries utilitzant biomassa sòlida (llenya, carbó vegetal, etc.) Per a cuinar en les zones rurals i els extraradis de les grans ciutats s'utilitza la tradicional estufa de tres pedres (TCS-3P) i en les zones urbanes la tradicional estufa de carbó vegetal (TCS-C). El principal desavantatge d'aquesta pràctica és una combustió de baixa eficiència energètica, amb la conseqüència directa d'un consum excessiu de matèries primeres com a carbó i llenya i la corresponent desforestació. Aquests equips de cuina tradicionals emeten molts contaminants perjudicials per a la salut (CO i PM), així com i emissions que contribueixen al calfament global i al canvi climàtic (CO₂ i BC). En aquest treball proposem models per a millorar l'eficiència energètica utilitzant el model tradicional com a punt de partida, tal com ho utilitza la comunitat local. Per a les poblacions que viuen en condicions molt crítiques i precàries, s'han proposat "inserits de ceràmica" que poden fabricar-se i afegir-se a les estufes que utilitzen en l'actualitat. Aquests inserits poden actuar sobre el rendiment amb millores del 15%. S'ha proposat i analitzat una segona millora basada en la combustió natural de l'estufa de carbó ICS-C. El model més prometedor és l'estufa que utilitza el principi de micro gasificació de la biomassa. S'han dissenyat dos models d'aquesta estufa, el model (ICS-G1) amb un sol reactor de combustió i el model (ICS-G2) amb dos reactors de combustió, i s'han realitzat anàlisi de sostenibilitat amb aplicació directa a les comunitats locals. El model de micro gasificació proposat funciona amb un subministrament d'aire forçat amb una gran flexibilitat de variació de la potència de foc segons la mena de menjar a cuinar. El sistema de subministrament d'aire és proveït per un xicotet motor alimentat per energia solar amb autonomia proporcionada per una xicoteta bateria de liti recarregable. Els models de gasificació mostren importants avantatges en comparació amb el sistema tradicional, millor eficiència energètica, en necessitar menys de la meitat de llenya que amb la tradicional, reduccions dràstiques de les emissions contaminants i atmosfèriques, amb un estalvi d'emissions de CO₂ a la ciutat de Kinshasa estimades en 3405 kton/any i una reducció de quasi la meitat del temps dedicat a la preparació d'aliments. Aquestes estufes poden utilitzar tot tipus de combustibles sòlids, a més del carbó, es van realitzar assajos amb combustibles alternatius que provenen de residus agrícoles (BSW3) d'aquesta forma es limita la pressió exercida sobre els boscos a causa de l'ús de llenya per a cuinar. Els mètodes de prova utilitzats són la prova d'ebullició de l'aigua i la prova de cocció controlada, amb aquesta última es realitza una preparació d'aliments en un ambient controlat. Els resultats d'aquestes millores s'han aplicat a casos reals a Kinshasa i Bandundu. / [EN] Abstract Almost half of the world's population does not have access to energy such as electricity or gas and they have to use biomass for cooking, mainly firewood and charcoal. What in developed countries seems a luxury, in many others is an obligation, since there is no other alternative. With a small saving in the fuel used by these stoves in countries without access to other types of energy, the overall result is extraordinary. In the case of the Democratic Republic of the Congo, more than 80% of the population carries out their culinary activities using solid biomass (firewood, charcoal, etc.). The traditional stove is used to cook in rural areas and on the outskirts of large cities. three-stone TCS-3P and in urban areas the traditional TCS-C charcoal stove. The main disadvantage of this practice is low energy efficiency combustion, with the direct consequence of excessive consumption of raw materials such as coal and firewood and the corresponding deforestation. These traditional kitchen equipment emits many harmful pollutants for health (CO and PM), as well as emissions that contribute to global warming and climate change (CO2 and BC). In this work we propose models to improve energy efficiency using the traditional model as a starting point, as used by the local community. For populations living in very critical and precarious conditions, "ceramic inserts" have been proposed that can be manufactured and added to the stoves they use today. These inserts can act on performance with improvements of 15%. A second improvement based on the natural combustion of the ICS-C coal stove has been proposed and analyzed. The most promising model is the stove that uses the principle of microgasification of biomass. Two models of this stove have been designed, the ICS-G1 model with a single combustion reactor and the ICS-G2 model with two combustion reactors, and sustainability analyzes have been carried out with direct application to local communities. The proposed micro gasification model works with a forced air supply with great flexibility of variation of the fire power according to the type of food to be cooked. The air supply system is provided by a small motor powered by solar energy with autonomy provided by a small rechargeable lithium battery. The gasification models show important advantages compared to the traditional system, better energy efficiency, since it requires less than half as much firewood than with the traditional system, drastic reductions in pollutant and atmospheric emissions, with savings in CO2 emissions in the city of Kinshasa estimated at 3405 kton / year and a reduction of almost half the time spent on food preparation. These stoves can use all types of solid fuels, in addition to coal, tests were carried out with alternative fuels that come from agricultural residues (BSW3) in this way the pressure exerted on the forests due to the use of firewood for cooking is limited. The test methods used are the water boiling test and the controlled cooking test, with the latter a food preparation is performed in a controlled environment. The results of these improvements have been applied to real cases in Kinshasa and Bandundu. / Mulumba Ilunga, Ó. (2021). Estudio de la optimización de estufas de cocción tradicionales empleadas en países en desarrollo utilizando biomasa leña gasificada (aplicado a la R.D.Congo) [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/163655 / TESIS
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Analysis and CFD-Guided optimization of advanced combustion systems in compression-ignited engines

Spohr Fernandes, Cássio 12 May 2023 (has links)
[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
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Modelling and analysis of conversion efficiency in flow-through catalysts for lean-burn combustion engines

Ruiz Lucas, María José 09 June 2023 (has links)
[ES] La preocupación mundial por el cambio climático y la calidad del aire se refleja en normativas para la regulación de emisiones en el sector del transporte cada vez más estrictas, situando el desarrollo de sistemas propulsivos sostenibles como el objetivo fundamental. En el caso de los motores de combustión interna, el uso de sistemas de postratamiento de gases de escape, necesario para cumplir con los límites impuestos a las emisiones contaminantes, ha añadido mayor complejidad a la línea de escape. Una correcta comprensión de la respuesta de estos sistemas y su interacción con el motor requiere un profundo conocimiento de los procesos termo-fluidodinámicos y químicos que tienen lugar en los mismos. Su estudio indica que las mayores contribuciones a la reducción de las emisiones consisten en conseguir una activación más rápida de los catalizadores. Sin embargo, por lo general, las estrategias empleadas para alcanzar este fin se traducen en una penalización del consumo de combustible y, por consiguiente, de las emisiones de CO2. En este contexto, el objetivo de esta tesis doctoral es contribuir a la comprensión de los fenómenos presentes en los reactores monolíticos de flujo continuo utilizados en los motores de combustión pobre. En primer lugar, se presenta el desarrollo de una herramienta computacional para el modelado de los reactores estándar, es decir, los monolitos con recubrimiento catalítico monocapa, con un coste computacional bajo que permite responder de manera oportuna a las nuevas condiciones de contorno. El modelo se construyó dentro del entorno de modelo de motor virtual VEMOD, un software de dinámica de gases desarrollado por el I.U.I. CMT-Motores Térmicos para la simulación termo-fluidodinámica de motores de combustión interna y sus componentes. Apoyada sobre experimentos específicos para su calibración y validación en catalizadores de oxidación y de reducción de NOx, la herramienta computacional permite la identificación y el estudio de los parámetros que determinan la eficiencia de conversión de los sistemas de postratamiento. De esta forma, se aplica, con un enfoque de cálculo de valor medio, al análisis, en primer lugar, del impacto de la meso-geometría y el material de catalizadores de oxidación en condiciones dinámicas en función de la forma del canal. También se aborda el estudio de la sensibilidad a la composición de los gases de escape considerando diversas estrategias de combustión comparadas con el diésel convencional, así como el empleo de combustibles alternativos. Por último, se explora experimentalmente la importancia de la ubicación en la línea de escape de un catalizador de oxidación para discutir el efecto sobre las emisiones y el rendimiento del motor de la ubicación pre-turbina, por los beneficios que a nivel térmico tiene esta localización para el postratamiento. Todo ello sirve como fuente de desarrollos tecnológicos y científicos en el área de control de emisiones para el uso y comprensión de la nueva generación de sistemas de postratamiento. / [CA] La preocupació mundial pel canvi climàtic i la qualitat de l'aire es reflecteix en normatives per a la regulació d'emissions en el sector del transport cada vegada més estrictes, situant el desenvolupament de sistemes propulsius sostenibles com l'objectiu fonamental. En el cas dels motors de combustió interna, l'ús de sistemes de posttractament de gasos de fuita, necessari per a complir amb els límits imposats a les emissions contaminants, ha afegit major complexitat a la línia de fuita. Una correcta comprensió de la resposta d'aquests sistemes i la seua interacció amb el motor requereix un profund coneixement dels processos termo-fluidodinámicos i químics que tenen lloc en aquests. El seu estudi indica que les majors contribucions a la reducció de les emissions consisteix a aconseguir una activació més ràpida dels catalitzadors. No obstant això, en general, les estratègies emprades per a aconseguir aquest objectiu es tradueixen en una penalització del consum de combustible i, per consegüent, de les emissions de CO2. En aquest context, l'objectiu d'aquesta tesi doctoral és contribuir a la comprensió dels fenòmens presents en els reactors monolítics de flux continu utilitzats en els motors de combustió pobra. En primer lloc, es presenta el desenvolupament d'una eina computacional per al modelatge dels reactors estàndard, és a dir, els monòlits amb recobriment catalític monocapa, amb un cost computacional baix que permet respondre de manera oportuna a les noves condicions de contorn. El model es va construir dins de l'entorn de model de motor virtual VEMOD, un programari de dinàmica de gasos desenvolupat per l'I.U.I. CMT-Motors Tèrmics per a la simulació termo-fluidodinámica de motors de combustió interna i els seus components. Recolzada sobre experiments específics per al seu calibratge i validació en catalitzadors d'oxidació i de reducció de NOx, l'eina computacional permet la identificació l'estudi dels paràmetres que determinen l'eficiència de conversió dels sistemes de posttractament. D'aquesta manera, s'aplica, amb un enfocament de càlcul de valor mitjà, a l'anàlisi, en primer lloc, de l'impacte de la meso-geometria i el material de catalitzadors d'oxidació en condicions dinàmiques en funció de la forma del canal. També s'aborda l'estudi de la sensibilitat a la composició dels gasos de fuita considerant diverses estratègies de combustió comparades amb el dièsel convencional, així com l'ús de combustibles alternatius. Finalment, s'explora experimentalment la importància de la ubicació en la línia de fuita d'un catalitzador d'oxidació per a discutir l'efecte sobre les emissions i el rendiment del motor de la ubicació pre-turbina, pels beneficis que a nivell tèrmic té aquesta localització per al posttractament. Tot això serveix com a font de desenvolupaments tecnològics i científics en l'àrea de control d'emissions per a l'ús i comprensió de la nova generació de sistemes de posttractament. / [EN] The global concern on climate change and air quality is reflected over increasingly strict emission regulations in the transportation sector, making the development of sustainable propulsion systems the key objective. In the case of internal combustion engines, the use of aftertreatment systems (ATS), necessary to comply with the limits imposed on pollutant emissions, has added further complexity to the exhaust line. A correct comprehension of the response of these systems and their interaction with the engine requires an in-depth knowledge of the thermo-fluid-dynamic and chemical processes taking place inside them. Their study indicates that the major contributions to emission reduction rely on driving the catalysts to a faster light-off. However, in general, the strategies employed to achieve this goal involve a fuel consumption penalty and, consequently, CO2 emissions increase. In this context, the aim of this Ph.D. thesis is to contribute to the understanding of the phenomena present in flow-through catalysts used in lean burn combustion engines. First, the development of a computational tool for modelling the standard devices, i.e. mono-layers washcoat catalysts, is presented, with flexible and low computational cost, enabling timely response to the new boundary conditions. The model was built inside the Virtual Engine Model VEMOD, an open-source gas dynamics software developed by I.U.I. CMT-Motores Térmicos for thermo-fluid-dynamic simulation of internal combustion engines and their components. Supported by specific experiments for its calibration and validation on oxidation and NOx reduction catalysts, the computational tool allows the identification and study of the parameters that determine the conversion efficiency of the ATS. In the first instance it is used to analyze the impact of meso-geometry and oxidation catalyst material under dynamic conditions as a function of the channel shape. The study of the sensitivity to exhaust gas composition is also addressed considering various combustion strategies compared to conventional diesel, as well as the use of alternative fuels. Finally, the importance of the position in the exhaust line of an oxidation catalyst is explored experimentally to discuss the effect on emissions and engine performance of the pre-turbine location, because of the thermal benefits of this location for the aftertreatment. All of this serves as a source of technological and scientific developments in the area of emissions control for the use and comprehension of the new generation of aftertreatment systems. / Ruiz Lucas, MJ. (2023). Modelling and analysis of conversion efficiency in flow-through catalysts for lean-burn combustion engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/194012
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Experimental Study of the Fuel Effect on Diffusion Combustion and Soot Formation under Diesel Engine-Like Conditions

García Carrero, Alba Andreina 17 January 2022 (has links)
[ES] Las emisiones de CO2 en el sector transporte se han incrementado considerablemente durante los últimos años debido al desarrollo económico mundial. El crecimiento de las flotas de transporte, junto con otros factores, ha contribuido al desequilibrio del ciclo de carbono del planeta. Es por ello que el CO2 se considera un gas de efecto invernadero de origen antropogénico que debe ser reducido para evitar el calentamiento global. Las estrategias para reducir el CO2 en el sector transporte están enfocadas a la electrificación y al uso de combustibles neutros o de bajo impacto al ambiente. Sin embargo, una efectiva implementación de esta última requiere un profundo entendimiento de la combustión con tales combustibles. En la presente tesis doctoral, se ha caracterizado experimentalmente la combustión de diferentes tipos de combustibles, entre ellos, algunos de bajo impacto en emisiones de CO2 como lo son el Aceite Vegetal Hidrotratado (HVO) y dos éteres de oximetileno (OME1 y OMEx).Además, por su potencial en la reducción de contaminantes se han evaluado mezclas de diésel y gasolina y de HVO y Gas Licuado de Petróleo (LPG), lo que requirió adecuar el sistema de inyección para evitar la evaporación a lo largo de la línea. Todos estos combustibles y mezclas han sido inyectados con una tobera mono-orificio y han sido evaluados mediante técnicas de visualización a alta velocidad bajo diferentes condiciones termodinámicas típicas de un motor de encendido por compresión operando en condiciones de combustión a baja temperatura, en instalaciones con accesos ópticos. Se ha analizado el efecto de las propiedades físico químicas de estos combustibles y mezclas sobre los parámetros característicos de un chorro como lo son la longitud líquida y la penetración de vapor. La combustión ha sido evaluada mediante la caracterización del tiempo de retraso, de la liberación de calor y la longitud del despegue de la llama, que viene condicionada por el proceso de mezcla. Igualmente, el estudio de la formación de hollín en función de las propiedades del combustible y de las características del proceso de mezcla, representa un aporte importante de esta tesis. En adición a los beneficios en reducción de CO2 que brindan los combustibles y mezclas utilizados en este estudio, estos también redujeron la formación de hollín en la cámara de combustión, destacándose entre ellos los combustibles oxigenados, especialmente el OMEx que además de no formar hollín, fue el de mayor reactividad en todas las condiciones de operación evaluadas. / [CA] Les emissions de CO2 en el sector transport s'han incrementat considerablement durant els últims anys a causa del desenvolupament econòmic mundial. El creixement de les flotes de transport, juntament amb altres factors, ha contribuït al desequilibri del cicle de carboni del planeta. És per això, que el CO2 es considera un gas d'efecte hivernacle d'origen antropogènic que ha de ser reduït per evitar l'escalfament global. Les estratègies per reduir el CO2 dins el sector transport, estan enfocades a l'electrificació i a l'ús de combustibles neutres o de baix impacte ambiental. No obstant això, una efectiva implementació d'aquesta última, requereix un profund coneixement del procés de combustió d'aquests combustibles. En la present tesi doctoral, s'ha caracteritzat experimentalment la combustió de diferents tipus de combustibles, entre ells, alguns de baix impacte en emissions de CO2 com són l'Oli Vegetal Hidrotratat (HVO) i dos èters de oximetileno (OME1 i OMEx) .A més , degut al seu alt potencial en la reducció de contaminants, s'han avaluat mescles de dièsel i gasolina, i de HVO i Gas Liquat de Petroli (LPG), el que va requerir adequar el sistema d'injecció per evitar l'evaporació al llarg de la línia. Tots aquests combustibles i mescles han estat injectats amb una tovera mono-orifici i han estat avaluats mitjançant tècniques de visualització a alta velocitat a través dels accessos òptics del que disposa la instal·lació. Les diferents condicions termodinàmiques utilitzades son típiques d'un motor d'encesa per compressió operant en condicions de combustió a baixa temperatura. S'ha analitzat l'efecte de les propietats fisicoquímiques d'aquests combustibles i de les mescles sobre els paràmetres característics d'un raig com són la longitud líquida i la penetració de vapor. La combustió ha estat avaluada mitjançant la caracterització del temps de retard, de l'alliberació de calor i de la longitud de l'enlairament de la flama que ve condicionada pel procés de mescla. A més, l'estudi de la formació de sutge en funció de les propietats del combustible i de les característiques del procés de mescla, representa una aportació important d'aquesta tesi evidenciant que a més dels beneficis en reducció de CO2 que brinden tots aquests combustibles i mescles, també varen reduir la formació de sutge a la cambra de combustió, destacant-se entre ells els combustibles oxigenats, especialment el OMEx, que a més de no formar sutge, va ser el de major reactivitat en totes les condicions d'operació avaluades. / [EN] CO2 emissions in the transport sector have increased considerably in recent years due to global economic development. The growth of transport fleets, along with other factors, has contributed to the imbalance of the planet's carbon cycle. For that, CO2 is considered a greenhouse gas from anthropogenic origin that must be reduced to avoid global warming. Strategies to reduce CO2 in the transport sector are focused on electrification and the use of neutral fuels or those with a low impact on the environment. However, an effective implementation of the latter requires a deep understanding of the combustion with those fuels. In this doctoral thesis, the combustion of different types of fuels has been experimentally characterized, including some with low impact on CO2 emissions such as Hydrotreated Vegetable Oil (HVO) and two oxymethylene ethers (OME1 and OMEx). Furthermore, due to their potential in reducing pollutants, blends of diesel and gasoline and HVO and Liquefied Petroleum Gas (LPG) have also been evaluated, which required adapting the injection system to avoid evaporation along the injection line. All these fuels and blends have been injected with a single-hole nozzle and they have been evaluated using high speed visualization techniques under different thermodynamic conditions typical of a compression ignition engine operating under low-temperature combustion conditions in installations with optical accesses. The effect of the physical-chemical properties of these fuels and blends on the characteristic parameters of a jet, such as the liquid length and the vapor penetration, has been analyzed. Combustion has been evaluated by characterizing the ignition delay, the heat release and the flame Lift-off length that is conditioned by the mixing process. Furthermore, the study of soot formation based on the fuel properties and the characteristics of the mixing process represents an important contribution of this thesis, showing that in addition to the benefits in CO2 reduction provided by the different fuels and blends used in this study, these fuels also reduced the soot formation in the combustion chamber, highlighting among them the oxygenated fuels, especially OMEx which, in addition to not forming soot, was the most reactive in all conditions of operation evaluated. / This research has been partly funded by the Government of Spain and FEDER under TRANCO project (TRA2017-87694-R), by the European Union’s Horizon 2020 Programme through the ENERXICO project, grant agreement n° 828947, and from the Mexican Department of Energy, CONACYT-SENER Hidrocarburos grant agreement n° B-S-69926 and by Universitat Politècnica de València through the Programa de Ayudas de Investigación y Desarrollo (PAID-01-18 and PAID-06-18). / García Carrero, AA. (2021). Experimental Study of the Fuel Effect on Diffusion Combustion and Soot Formation under Diesel Engine-Like Conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/179997 / TESIS

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