[EN] Internal combustion engines are in a situation in which they must be cleaner and more efficient than they have ever been. This change is motivated by the global and continuous evolution of the emissions regulations linked to their commercialization, which try to establish the path to protect the human health, and move towards more sustainable energetic models. Framed in this context, the research work developed in this PhD thesis has focused on the way to continue improving the spark ignition engines. To this end, a prototype two-stroke engine has been used, with the idea of studying the Spark Ignited combustion in lean conditions ('lean SI') and the Controlled Auto-Ignition combustion 'CAI'). In this way, the traditional 'SI' operation in stoichiometric conditions of this type of engines is replaced, looking for an improvement in fuel efficiency, and a reduction, at the same time, of the pollutant emissions. This work has been approached mainly from an experimental point of view. Firstly, different works have been performed on the engine: operation of the different combustion modes, definition of the operating strategies, and compilation of experimental data coming from the engine operation in the different regions of the engine map. And, secondly, all this data has been analyzed and studied in detail to define the strengths and weaknesses of each combustion mode applied to the different engine operating conditions. The combination of these two works has led to obtain a large amount of data about the achievable efficiencies and the emissions values obtained in each combustion mode. And, in addition, the influence on the combustion of the burned gases recirculation in the engine ('EGR'), has also been studied as a strategy to reduce emissions, and control the combustion at high loads in both combustion modes. Regarding the analytical part of the work, several problems have been detected. Firstly, the high combustion variability in this engine, and secondly, the coupling of two completely different combustion modes. These issues have generated the need to analyze the data obtained in a more detailed way, in order to get more information about the combustion process. To solve these two aspects, first, a different point of view has been raised when dealing with the combustion diagnosis, the cycle to cycle analysis, and secondly, a combustion analysis methodology has been proposed in order to allow the combustion analysis from a more detailed point of view. In this way the combustion development is studied, and thus, the differentiation between the different combustion events that take place in the engine can be studied. All this work has been useful to define the strategies to operate the whole engine map by combining the 'lean SI' and 'CAI' combustion modes. This solution, compared to the current Euro VI engines, has presented higher efficiency values complying with the established emissions limits, showing in this way, the high potential of these combustion modes applied to 'SI' engines, as well as a real possibility of its implementation in future vehicles. / [ES] Los motores de combustión interna viven un momento en el que deben ser más limpios y eficientes de lo que han sido hasta la fecha. Este cambio viene dado por el endurecimiento global y continuado de las normativas anticontaminación vinculadas a su comercialización, que tratan de establecer el camino para proteger la salud de las personas que conviven con éstos, y avanzar hacia unos modelos más sostenibles de uso de las energías disponibles. Enmarcado en este contexto, el trabajo de investigación desarrollado en esta tesis se ha centrado en continuar avanzando en el camino para la mejora de los motores de encendido provocado. Para este fin se ha empleado un motor prototipo de dos tiempos con la idea de estudiar la combustión por encendido provocado en mezclas pobres 'lean SI') y la combustión mediante el autoencendido controlado de la mezcla ('CAI'). De esta forma la operación tradicional en condiciones estequiométricas de este tipo de motores es reemplazada, en busca de una mejora en la eficiencia energética, y una reducción, al mismo tiempo, de las emisiones contaminantes. Este trabajo se ha abordado desde un punto de vista principalmente experimental. En primer lugar se ha trabajado sobre el motor, operando los diferentes modos de combustión, fijando las estrategias de operación, y obteniendo gran cantidad de datos sobre el funcionamiento del motor en las diferentes regiones del mapa motor. Y, en segundo lugar, estos datos han sido analizados y estudiados en detalle para detectar los potenciales y las debilidades de cada modo de combustión aplicado a las diferentes condiciones de funcionamiento del motor. La combinación de estos dos trabajos ha servido para obtener gran cantidad de datos sobre las eficiencias alcanzables y los valores de emisiones obtenidos en cada modo de operación. Y, adicionalmente, se ha estudiado también la influencia de la recirculación de gases quemados en el motor ('EGR') sobre la combustión, como estrategia para reducir las emisiones y controlar la combustión a altas cargas en ambos modos de operación. En cuanto a la parte analítica del trabajo, se han detectado diversos problemas. En primer lugar, lidiar con la alta variabilidad de la combustión en este motor, y en segundo lugar, el acople de dos modos de combustión totalmente diferentes. Esto ha generado la necesidad de analizar los datos obtenidos de forma que nos den algo más de información sobre la forma en que se ha desarrollado la combustión. Para dar solución a estos dos aspectos, se ha planteado un punto de vista diferente a la hora de afrontar el diagnóstico de la combustión (análisis ciclo a ciclo) y se ha propuesto una metodología de análisis de la combustión que nos permita estudiar, desde un punto de vista más detallado, la forma en que se ha desarrollado la combustión, y tratar de diferenciar así los diferentes eventos de combustión que se desarrollan en el motor. Todo este trabajo ha dado sus frutos en forma de la definición de las estrategias para operar el motor en su totalidad mediante la combinación de los modos 'lean SI' y 'CAI'. Esta solución, en comparación con los motores actuales Euro VI, ha presentado unos valores de eficiencia superiores cumpliendo con los límites establecidos de emisiones, mostrando de esta forma un elevado potencial de estos modos de combustión aplicados a los motores de encendido provocado, así como una posibilidad real de implementación en los vehículos venideros. / [CA] Els motors de combustió interna alternatius es troben a un moment en el que deuen ser mes nets i eficients que mai. Aquest canvi ve motivat per l'augment de l'exigència de les normatives reguladores d'emissions contaminants vinculades a la seua comercialització, que tracten d'establir el camí per a protegir la salut de les persones que conviuen amb aquests, i avançar cap a uns models mes sostenibles d'aprofitament de les energies disponibles. Dins d'aquest context, el treball d'investigació realitzat en aquesta tesi, ha girat al voltant de la millora dels motors d'encesa provocada. Per a aquesta finalitat, s'ha emprat un prototip de motor de dos temps amb l'idea d'estudiar la combustió per encesa provocada amb dosatges pobres 'lean SI') i la combustió mitjançant una auto-encesa provocada per les condicions termodinàmiques de la cambra de combustió ('CAI'). D'aquesta manera l'operació tradicional en condicions estequiomètriques d'aquest tipus de motors és substituïda, buscant una millora en l'eficiència energètica i una reducció al mateix temps de les emissions contaminants. Aquest treball s'ha abordat des d'un punt de vista fonamentalment experimental. En primer lloc s'ha treballat sobre el motor, operant els diferents modes de combustió, fixant les estratègies d'operació, i obtenint gran quantitat de dades sobre el funcionament del motor en les diferents regions del seu mapa d'operació. I en segon lloc, aquestes dades han sigut analitzades i estudiades en detall per a detectar els potencials i les debilitats de cada mode de combustió aplicat a les diferents condicions de funcionament del motor. La combinació d'aquests dos treballs ha servit per a obtindre gran quantitat de dades sobre les eficiències assolibles i els valors d'emissions obtinguts en cada mode d'operació. I, a més, s'ha estudiat la influència de la recirculació de gasos d'escapament al motor ('EGR') sobre la combustió, com a estratègia per a reduir les emissions contaminants i controlar la combustió a altes càrregues en els dos modes de combustió. Quant a la part analítica del treball, s'han detectat diversos problemes. En primer lloc, tractar amb l'alta variabilitat de la combustió en aquest motor, i en segon lloc, l'acoblament de dos modes de combustió totalment diferents. Açò ha generat la necessitat d'analitzar les dades obtingudes de forma que ens donen més informació sobre la forma en que s'ha desenvolupat la combustió. Per a donar solució a aquests dos aspectes, s'ha plantejat un punt de vista diferent a l'hora de realitzar el diagnòstic de la combustió (un anàlisis cicle a cicle) i s'ha proposat una metodologia d'anàlisi de la combustió que permeta estudiar, des d'un punt de vista més detallat, la forma en que s'ha desenvolupat la combustió, i tractar de diferenciar així, les diferents combustions al motor. Tot aquest treball ha donat uns resultats en forma de la definició de les estratègies per a operar el motor en la seva totalitat mitjançant la combinació dels modes de combustió 'lean SI' i 'CAI'. Aquesta solució, en comparació amb els actuals motors Euro VI, ha ofert uns valors d'eficiència superiors, acomplint amb les limitacions establertes d'emissions, mostrant d'aquesta manera un elevat potencial d'aquests modes aplicats als motors d'encesa provocada, així com una possibilitat real d'implantació en els vehicles que estan per vindre. / Valero Marco, J. (2020). Analysis of the potential of SI lean combustion and CAI combustion in a two-stroke spark-assisted gasoline engine [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/138556

[EN] In the current work, the characterization of the combustion process inside a stratified pre-chamber spark ignition (PCSI) system is performed. An extensive bibliographical review about the pre-chamber systems developed from the second half of the 20th century until modern times is presented. The review shows that the latest generation systems have the potential to accomplish the emissions limits while providing high performance and low fuel consumption. Nevertheless, many efforts of the scientific community are still needed to allow the large-scale application of the technology. Indeed, based on the outstanding challenges observed, the investigation plan is developed including both experimental and numerical parts. All experiments were performed by means of the rapid compressionexpansion machine (RCEM) in the CMT-Motores Térmicos laboratory. The original cylinder head layout was modified to allow the housing of the prechamber itself, fuel injectors, spark plug, pressure transducers in both chamber, and a thermocouple. The test methodology involved the acquisition of the pressure evolution in both main chamber and pre-chamber, the piston position (used to compute the instantaneous cylinder volume), the duration of the auxiliary injection, and the spark ignition point. These are used as input for the zero-dimensional thermodynamic model which simulates the fundamental parameters aims to characterize the PCSI system working cycle. Therefore, a deeper knowledge of the mass interchanged process, induced turbulence field, heat release rate, combustion speed, and flame regime is generated. Subsequently, to calibrate the zero-dimensional model coefficients under motoring conditions, several 3D CFD simulations were carried out by means of Converge software. Hence, the results of the simulations in terms of interchanged mass and pre-chamber turbulent kinetic energy have been used to calibrate the nozzle discharge coefficient and the turbulence sub-model coefficients for all the pre-chamber geometries. Furthermore, the 3D CFD simulations outputs are analysed to fully understand the flow field structure and the local effect induced by the different nozzles at the spark activation time. The turbulent kinetic energy in terms of intensity and orientation is investigated over several relevant pre-chamber sections. The results reveal a clear relationship between the turbulence developed within the pre-chamber and the orifices structure. Straight orifices or perpendicular jets impact, promote more intense local turbulence due to direct collision while tilted orifices guarantee more homogeneity due to the swirling motion. Additionally, increase the orifice numbers shows benefits on the fluid dynamic homogeneity. Thus, preceding the experimental campaign several fundamental aspects of the system are evaluated. The cycle-to-cycle dispersion is explored by means of the statistical assessment showing low pressure peak deviation. The auxiliary injection pressure and timing are optimized for avoiding wall wetting phenomena while ensuring proper air/fuel mixing. Finally, the spark activation point is chosen as a function of the theoretically maximum turbulent flame speed. Thereby, the experimental campaign is carried out according to tests matrix, in order to evaluate the effect of the equivalence ratio of both chambers, and how the orifices diameter, number, and distribution affect the combustion process. Moreover, chemiluminescence visualization tests, performed by means of the available optical access of the RCEM, are combined with zerodimensional and 3D CFD results to shed light on the work cycle. Conclusions suggest a slightly rich mixture inside the pre-chamber combined with the highest number of tilted orifices as the better configuration for improving combustion efficiency under lean and ultra-lean main chamber mixture conditions. Nevertheless, axial orifices should be considered for further investigations. Finally, the author proposes a series of developments considered interesting in both the experimental and numerical fields. / [ES] En el presente trabajo se realiza la caracterización del proceso de combustión dentro de un sistema de encendido por pre-cámara bajo carga estratificada. Por lo tanto, se presenta una extensa revisión bibliográfica sobre los sistemas de pre-cámara desarrollados desde la segunda mitad del siglo XX hasta los tiempos modernos. El resumen muestra que los sistemas de última generación tienen el potencial de cumplir con los límites de las emisiones, al tiempo que proporcionan un alto rendimiento y un bajo consumo de combustible. No obstante, todavía se necesitan muchos esfuerzos de la comunidad científica para permitir la difusión a gran escala de la tecnología. De hecho, sobre la base de los desafíos abiertos observados, se desarrolla el plan de investigación incluyendo tanto una parte experimental como numérica. Todos los experimentos se realizan mediante la máquina de compresión-expansión rápida (RCEM) de que dispone el laboratorio CMT-Motores Térmicos . La disposición original de la culata se modificó para permitir el alojamiento de la propia pre-cámara, los inyectores , la bujía, los sensores de presión y un termopar. La metodología de ensayo implica la adquisición de la evolución de la presión tanto en cámara principal como en pre-cámara, el volumen del cilindro, la duración de la inyección auxiliar y el punto de ignición de la bujía. Estos se utilizan como parámetros de entrada para el modelo termodinámico cero-dimensional que devuelve los parámetros fundamentales que caracterizan ciclo de trabajo del sistema PCSI. Por lo tanto, se genera un conocimiento más profundo del proceso de intercambio de masas, del campo de turbulencias inducidas, de la tasa de liberación de calor, de la velocidad de combustión y del régimen de la llama. Posteriormente, para calibrar los coeficientes del modelo cero-dimensional bajo condiciones de arrastre, se llevaron a cabo varias simulaciones CFD en 3D mediante el software Converge. Por lo tanto, los resultados de las simulaciones en términos de masa intercambiada y energía cinética turbulenta de la precámara se han utilizado para calibrar el coeficiente de descarga de la tobera y los coeficientes del sub-modelo de turbulencia para todas las geometrías de la pre-cámara. Además, se analizan los resultados de las simulaciones CFD para comprender plenamente la estructura del campo de flujo y el efecto local inducido por las diferentes geometriás en el tiempo de activación de la chispa. La energía cinética turbulenta en términos de intensidad y orientación se investiga en varias secciones relevantes de la pre-cámara. Los resultados revelan una clara relación entre la turbulencia desarrollada dentro de la pre-cámara y la estructura de los orificios. Los orificios rectos o los chorros perpendiculares, promueven una turbulencia local más intensa debido a la colisión directa mientras que los orificios inclinados del campo fluido y del dosado. Precedentemente al desarrollo de la campaña experimental se evalúan varios aspectos fundamentales del sistema. La dispersión ciclo a ciclo se explora por medio de la evaluación estadística que muestra una baja desviación de los picos de presión. La presión y el punto de inyección auxiliar se optimizan para evitar los fenómenos de mojado de las paredes, asegurando al mismo tiempo una mezcla adecuada de aire/combustible. Finalmente, el punto de activación de la chispa se elige en función de la velocidad máxima teórica de la llama turbulenta. De este modo, la campaña experimental se lleva a cabo de acuerdo con la matriz de pruebas, con el fin de evaluar el efecto del dosado equivalente de ambas cámaras, y cómo el diámetro, el número y la distribución de los orificios afectan al proceso de combustión. Además, las pruebas de visualización de quimioluminiscencia, realizadas mediante el acceso óptico disponible de la RCEM, se combinan con resultados de CFD y resultados del modelo cerodimen para arrojar luz sobre el ciclo de trabajo. Las conclusiones sugieren que una mezcla ligeramente rica dentro de la pre-cámaracombinadaconelmayornúmerodeorificiosdesfasadoseslamejor configuración para garantizar un elevada eficiencia de la combustión en condiciones de mezcla pobre y ultra-pobre de la cámara principal. No obstante, los orificios axiales deben ser considerados para investigaciones futuras. Por último, el autor propone una serie de desarrollos considerados interesantes tanto en el campo experimental como en el numérico. / [CA] En el present treball es realitza la caracterització del procés de combustió dins d'un sistema d'encesa de pre-cambra soto càrrega estratifi-cada. Per tant, es presenta una extensa revisió bibliogràfica sobre els sistemes de precambra desenvolupats des de la segona meitat del segle XX fins als temps moderns. El resum mostra que els sistemes d'última generació tenen el potencial de complir amb els límits de les emissions, al mateix temps que proporcionen un alt rendiment i un baix consum de combustible. No obstant això, encara es necessiten molts esforços de la comunitat científica per a permetre la difusió a gran escala de la tecnologia. De fet, sobre la base dels desafiaments oberts observats, es desenvolupa el pla d'investigació incloent tant una part experimental com numèrica. Tots els experiments es realitzen mitjançant la màquina de compressió-expansió ràpida (RCEM) de què disposa el laboratori CMT-Motors Tèrmics. La disposició original de la culata es va modificar per a permetre l'allotjament de la pròpia pre-cambra, els injectors , la bugia, els sensors de pressió i un termoparell. La metodologia d'assaig implica l'adquisició de l'evolució de la pressió tant en cambra principal com en pre-cambra, el volum del cilindre, la duració de la injecció auxiliar i el punt d'ignició de l'espurna. Aquests s'utilitzen com a paràmetres d'entrada per al model termodinàic zero-dimensional que retorna els paràmetres fonamen-tals que caracteritzen cicle de treball del sistema PCSI. Per tant, es genera un coneixement més profund del procés d'intercanvi de masses, del camp de turbulències induïdes, de la taxa d'alliberament de calor, de la velocitat de combustió i del règim de la flama. Posteriorment, per a calibrar els coefi-cients del model zerodimensional sota condicions d'arrossegament, es van dur a terme diverses simulacions CFD en 3D mitjançant el programari Converge. Per tant, els resultats de les simulacions en termes de massa intercanviada i energia cinètica turbulenta de la pre-cambra s'han utilitzat per a calibrar el coeficient de descàrrega de la tovera i els coeficients del sub-model de turbulència per a totes les geometries de la pre-cambra. A més, s'analitzen els resultats de les simulacions CFD per a comprendre plenament l'estructura del camp de flux i l'efecte local induït per les diferents geometries en el temps d'activació de l'espurna. L'energia cinètica turbulenta en termes d'intensitat i orientació s'investiga en diverses seccions rellevants de la pre-cambra. Els resultats revelen una clara relació entre la turbulència desenvolupada dins de la pre-cambra i l'estructura dels orificis. Els orificis rectes o els dolls perpendiculars, promouen una turbulència local més intensa a causa de la col·lisió directa mentre que els orificis inclinats garanteixen una major homogeneïtat a causa de la generació d'un macro-remolì. A més, l'augment del nombre d'orificis mostra beneficis en l'homogeneïtat fluid-dinàmica. Llavors, abans de la campanya experimental s'avaluen diversos aspectes fonamentals del sistema. La dispersió cicle a cicle s'explora per mitjà de l'avaluació estadística que mostra una baixa desviació dels pics de pressió. La pressió i el punt d'injecció auxiliar s'optimitzen per a evitar els fenòmens de mullat de les parets, assegurant al mateix temps una mescla adequada d'aire/combustible. Finalment, el punt d'activació de l'espurna es tria en funció de la velocitat màxima teòrica de la flama turbulenta. D'aquesta manera, la campanya experimental es duu a terme d'acord amb la matriu de proves, amb la finalitat d'avaluar l'efecte del dosatge equivalent de totes dues cambres, i com el diàmetre, el numero i la distribució dels orificis afecten el procés de combustió. A més, les proves de visualització de quimioluminescència, realitzades mitjançant l’accés òptic disponible de la RCEM, es combinen amb resultats de CFD i resultats del model zero-dimensional per a llançar llum sobre el cicle de treball. Les conclusions suggereixen que una mescla lleugerament rica dins de la pre-cambra combinada amb el major nombre d’orificis desfasats és la millor configuració per a garantir un elevada eficiència de la combustió en condicions de mescla pobra i ultra-pobre de la cambra principal. No obstant això, els orificis axials han de ser considerats per a investigacions futures. Finalment, l’autor proposa una sèrie de desenvolupaments considerats interessants tant en el camp experimental com en el numèric. / Pagano, V. (2020). Analysis of a stratified pre-chamber spark ignition system under lean mixture conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/152486