Low temperature combustion (LTC) is an appealing new method of combustion that promises low nitric oxides and soot emissions while maintaining or improving on engine performance. The three main points of this study were to develop and validate an engine model in GT-Power capable of implementing LTC, to study parametrically exhaust gas recirculation (EGR) and injection timing effects on performance and emissions, and to investigate methods to decrease pressure rise rates during LTC operation. The model was validated at nine different operating points, 3 speeds and 3 loads, while the parametric studies were conducted on 6 of the 9 operating points, 3 speeds and 2 loads. The model consists of sections that include: cylinders, ports, intake and exhaust manifolds, EGR system, and turbocharger. For this model, GT-Power calculates the combustion using a multi-zone, quasi-dimensional model and a knock-induced combustion model. The main difference between them is that the multi-zone model is directly injected while the knock model is port injected. A variety of sub models calculate the fluid flow and heat transfer. A parametric study varying the EGR and the injection timing to determine the optimal combination was conducted using the multi-zone model while a parametric study that just varies EGR is carried out using the knock model. The first parametric study showed that the optimal EGR and injection timing combination for the low loads occurred at high levels of EGR (60 percent) and advanced injection timings (30 to 40 crank angle degrees before top dead center). The optimal EGR and injection timing combination for the high loads occurred at low levels of EGR (30 percent to 40 percent) and retarded injection timings (7.5 to 5 crank angle degrees before top dead center). The knock model determined that the ideal EGR ratio for homogeneous charge compression ignition (HCCI) operation varied from 30 percent to 45 percent, depending on the operating condition. Three methods were investigated as possible ways to reduce pressure rise rates during LTC operation. The only feasible method was the multiple injection strategy which provided dramatically reduced pressure rise rates across all EGR levels and injection timings.

Several modern marine engines use multiple injectors for lower heat losses and higher efficiency. However, the heavy-duty vehicles still apply a single injector per cylinder. This work investigates how multiple injectors can be operated in compression ignition heavy-duty engines along with potential benefits from such concepts. The studies aimed to avoid high boundary gas temperatures by having two injectors at the rim of the bowl, in addition to the standard injector. A longer injector-wall distance reduces the amount of hot gases at the boundaries for reduced convective heat losses. Additional degrees of freedom also follows from an increased number of injectors to simplify combustion control. The thesis included CFD simulations, metal engine experiments, and optical engine diagnostics to investigate the efficiency –and emission benefits for two –and three-injector concepts compared to the single-injector approach. The CFD simulations aimed to set beneficial spray angles and chamber geometries for reduced heat losses and reasonable emission levels with and without swirl at different load conditions. A flat bowl with two injectors reduced the heat losses by 4.2 %-points resulting in a direct efficiency increase of 1.9 %-points at middle-load conditions. Metal engine studies confirmed the simulation results by testing two -and three-injector concepts. The higher three-injector flow rate raised efficiency and diminished heat losses while providing low nitric oxide levels. Thus, three injectors lessen the typical trade-off between efficiency and nitric oxides. The thesis further performed single-injector optical engine experiments to investigate combustion control limitations. The results concluded that high soot levels occur from the multiple injections used to achieve isobaric combustion. These high soot levels followed by injecting into fuel-rich zones, which can be avoided by using multiple injectors. Finally, the thesis provides a multiple injector design suitable for heavy-duty production engines.

Como consecuencia de las exigentes legislaciones medioambientales actualmente en vigor, como las Euro Emission Standards en Europa, los investigadores e ingenieros se ven forzados a "re-desarrollar" el proceso de combustión diésel para hacerlo menos contaminante. Uno de los principales contaminantes y más dañinos para la salud son los óxidos de nitrógeno (NOx) que están principalmente compuestos por: monóxido de nitrógeno (NO), dióxido de nitrógeno (NO2) y trióxido de dinitrógeno (N2O3). Centrándose en los NOx generados en una combustión diésel, una de las técnicas más populares para mitigar su formación es mediante la dilución de la corriente oxidante con productos de la combustión, previamente generados. De este modo, al reducir la reactividad de la corriente oxidante se consigue una disminución considerable de la temperatura de combustión y por extensión de los NOx. Sin embargo, dicha técnica causa nuevas interacciones físico-químicas entre los hidrocarburos y los NOx así como principalmente un notable cambio en la estructura del chorro diésel. Es por ello necesario considerar las diferentes vías de formación de éstos para poder predecir su generación. El hecho de considerar las diferentes vías de formación implica un incremento considerable de los recursos computacionales destinados a realizar las simulaciones, siendo en algunos casos inviable. Es por ello que el objetivo principal de esta tesis consiste en: desarrollar herramientas capaces de tener en consideración todas estas vías sin incrementar de manera considerable el coste computacional. Para ello inicialmente se realiza una exhaustiva revisión bibliográfica en donde se repasan las diferentes herramientas desarrolladas para la predicción de los NOx y se analizan sus puntos débiles. Éstos radican en simplificaciones de dudosa validez, que solamente tienen efectos positivos a altas y no a bajas temperaturas, o bien procesos demasiado tediosos y complejos para caracterizar los diferentes estados de una combustión. Posteriormente se diseña una metodología capaz de satisfacer el objetivo principal, basada en tres estudios. El primero permite profundizar en el proceso de formación de este contaminante a través de estudiar el incremento de la proporción de NO2 en los NOx debido a la recirculación masiva de estos productos. Por otro lado, los otros dos consisten en desarrollar diversas herramientas predictivas centradas exclusivamente en el NO, ya que como se dedujo del estudio anterior el NO2 se forma principalmente a partir del NO a través de un proceso de enfriamiento. La primera de estas herramientas está basada en una correlación empírica que a modo de ecuación correctiva mejora la capacidad predictiva, especialmente en condiciones de recirculación masiva, del mecanismo más implementado mundialmente, mientras que la segunda se sustenta en tabular únicamente la velocidad de formación del NO y el NO en equilibrio en función de la temperatura y de la cantidad de oxígeno disponible inicialmente para reaccionar. Finalmente para poder llevar a cabo estos estudios y cumplir con el objetivo principal se hace uso de un software comercial cinético-químico Chemkin, en su versión Professional, que sirve tanto de herramienta desarrolladora como de referencia. / Redón Lurbe, P. (2013). Modeling of the nitrogen oxides formation process applicable to several diesel combustion modes [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/33183 / TESIS

Dans cette thèse, un modèle numérique a été proposé pour simuler la combustion liquide des carburants conventionnels et non-conventionnels, en particulier le mélange de biodiesel B20. La matrice de test numérique constitue de quatre cas d’écoulement réactifs c.à.d. avec combustion et d’un cinquième avec injection liquide sans combustion (écoulement non-réactif). Les modèles sont calculés à l’aide du logiciel FLUENT™ v.14 en 3D et a l’état stationnaire. Les flammes de diffusion turbulentes sont modélisées en utilisant l’approche de flammelette laminaire stable, avec une fonction de densité de probabilité jointe (PDF). La Validation est effectuée en comparant les mesures expérimentales disponibles avec les résultats obtenus de la CFD. L’aérodynamique de la chambre de combustion, ainsi que les températures de parois extérieures sont captures avec un degré de précision satisfaisant. La validation des principaux produits de combustion, tels que : CO2, H2O et O2, montre des résultats satisfaisants pour tous les cas d'écoulement réactifs, mais certaines incohérences ont été relevées pour les émissions de CO. On pense que le banc d'essai (la géométrie de la chambre de combustion et son état de fonctionnement) n'est pas suffisamment adéquat pour la combustion de combustibles liquides. D’autre part, et d’un point de vue numérique, l’approche de flammelette laminaire stable a été trouvé raisonnablement hors mesure de saisir les effets profonds du non-équilibre chimique qui sont souvent associés au processus de lente formation d’un polluant, comme le CO. / In this thesis, a CFD model was proposed to simulate the liquid combustion of conventional and non-conventional biodiesel fuels, in particularly the B20 biodiesel blend. The numerical test matrix consists of four reacting flow cases, and one non-reacting liquid fuel injection case. The models are computed using FLUENT™ v.14 in a 3D steady-state fashion. The turbulent non-premixed diffusion flames are modeled using the steady laminar flamelet approach; with a joint presumed Probability density function (PDF) distribution. Validation is achieved by comparing available experimental measurements with the obtained CFD results. Combustor aerodynamics and the outer wall temperatures are captured with a satisfactory degree of accuracy. Validation of the main combustion products, such as: CO2, H2O, and O2, shows satisfactory results for all the reacting flow cases; however, some inconsistencies were found for the CO emissions. It is believed that the test rig (combustor geometry and operating condition) is not sufficiently adequate for burning liquid fuels. On the other hand, from a numerical combustion point of view, the steady laminar flamelet approach was found not reasonably able to capture the deep non-equilibrium effects associated with the slow formation process of a pollutant, such as CO.

<p>The current interest regarding how to stop the global warming has put focus on the automobile industry and forced them to produce vehicles/engines that are more environmental friendly. This has led to the development of increasingly complex controlsystem of the engines. The introduction of common-rail systems in regular automotives increased the demand of physical models that in an accurate way can describe the complex cycle within the combustion chamber. With these models implemented it is possible to test new strategies on engine steering in a cost- and time efficient way.</p><p>The main purpose with this report is to, build our own model based on the existing theoretical models in diesel engine combustion. The model has then been evaluated in a simulation environment using Matlab/Simulink. The model that has been implemented is a multi-zone type and is able to handle multiple injections.</p><p>The model that this thesis results in can in a good way predict both pressure and torque generated in the cylinder. More investigation in how the parameter settings behave in other work-points must be done to enhance the models accuracy. There is also some work left to do in the validation of the model but to make this possible more experimental data must be accessible.</p>

The current interest regarding how to stop the global warming has put focus on the automobile industry and forced them to produce vehicles/engines that are more environmental friendly. This has led to the development of increasingly complex controlsystem of the engines. The introduction of common-rail systems in regular automotives increased the demand of physical models that in an accurate way can describe the complex cycle within the combustion chamber. With these models implemented it is possible to test new strategies on engine steering in a cost- and time efficient way. The main purpose with this report is to, build our own model based on the existing theoretical models in diesel engine combustion. The model has then been evaluated in a simulation environment using Matlab/Simulink. The model that has been implemented is a multi-zone type and is able to handle multiple injections. The model that this thesis results in can in a good way predict both pressure and torque generated in the cylinder. More investigation in how the parameter settings behave in other work-points must be done to enhance the models accuracy. There is also some work left to do in the validation of the model but to make this possible more experimental data must be accessible.

[EN] The main objective of this thesis is the analysis and comprehension of the association of two different combustion concepts (premixed and diffusive combustion) on the pollutant emissions and engine performance in a mid-size Diesel engine. The evaluation is performed at mid and high load conditions, where the implementation of premixed combustion is generally challenging. The association of the two combustion modes is hard to attain in a conventional Diesel engine, especially the preparation of the premixed charge with early pilot injection. Therefore, the approach followed during the study has been divided in two main steps: first, the bibliography on the subject is reviewed and two strategies avoiding the main issues mentioned in the literature are grossly evaluated in order to estimate their potential for emission reduction. Second, a deeper study of the combustion processes and emissions formation is performed, focusing only on the partially premixed combustion strategies that actually have the potential for emissions reduction. Along the second part of the study, the association of premixed and diffusive combustion is evaluated together with variation of conventional calibration parameters such as the intake oxygen concentration (via exhaust gas recirculation), the boost pressure and the start of the main injection timing, at different engine speed and load conditions. A cross analysis of the results obtained is performed in order to understand the key reasons that permit the reduction of the pollutant emissions with this strategy. In a final part of the thesis, the partially premixed combustion strategies studied are confronted with the challenges they might face when really considered for their introduction in a production engine (oil-dilution, noise...) to finally conclude on their technological potential. / [ES] El objetivo principal de la Tesis es el an álisis y la comprensi ón de la asociaci ón de dos conceptos de combusti ón diferentes (combusti ón en premezcla y por difusi ón) en las emisiones contaminantes y las prestaciones en un motor Diesel de cilindrada media. La evaluaci ón se realiza en condiciones de media y alta carga, en la cuales la implementaci ón de una combusti ón premezclada es generalmente complicada. La asociaci ón de los dos modos de combusti ón es dif cil de conseguir en un motor Diesel convencional, especialmente la preparaci ón de la carga premezclada con inyecci ón piloto adelantada. Por esa raz ón, el estudio se divide en dos partes principales: primero se revisa la bibliograf ía acerca del tema, centrando la atenci ón en dos estrategias que permiten evitar los principales problemas evocados en la literatura, determinando su potencial para la reducci ón de las emisiones contaminantes. En un segundo lugar, se realiza un estudio m as profundo de los procesos de combusti ón y de formaci ón de contaminantes, centr ándose únicamente en las estrategias de combusti ón parcialmente premezclada que sí tienen el potencial para reducir las emisiones contaminantes. En la segunda parte del estudio, se aborda la asociaci ón de combustiones premezclada y por difusi ón junto con la variaci ón de par ametros de calibraci on convencionales como la concentraci ón de ox ígeno en la admisi ón (por medio de recirculaci ón de los gases de escape), la presi ón de sobrealimentaci ón y el inicio de la inyecci ón principal, en diferentes condiciones de r egimen y de carga del motor. El an álisis cruzado de los resultados se realiza con el af án de entender las razones claves de los procesos que permiten la reducci ón de las emisiones contaminantes con esta estrategia. Como etapa final de esta tesis, se confrontan las estrategias de combusti ón parcialmente premezclada estudiadas con los problemas a los cuales podr ían llevar si realmente se considerar a su implementaci ón y un motor de serie (diluci ón de aceite, ruido...) para finalmente concluir sobre su potencial tecnol ógico. / [CAT] L'objectiu principal de la tesi es l'an alisi i la comprensi o de l'associaci o de dos conceptes de combusti o diferents (combusti o en premescla i per difusi o) en les emissions contaminants i les prestacions en un motor Di esel de cilindrada mitjana. L'avaluaci o es realitza en condicions de mitja i alta c arrega, en las quals la implementaci o d'una combusti o premesclada es generalment complicada. L'associaci o dels dos modes de combusti o es dif cil d'aconseguir en un motor Di esel convencional, especialment la preparaci o de la c arrega premesclada amb injecci o pilot avan cada. Per eixa ra o, l'estudi es divideix en dos parts principals: primer es revisa la bibliogra a sobre el tema, centrant l'atenci o en dos estrat egies que permeten evitar els principals problemes evocats en la literatura, determinant el seu potencial per a la reducci o de les emissions contaminants. En un segon lloc, es realitza un estudi m es profund dels processos de combusti o i de formaci o de contaminants, centrant-se unicament en les estrat egies de combusti o parcialment premesclada que si que tenen el potencial per a reduir les emissions contaminants. En la segona part de l'estudi, s'aborda l'associaci o de combustions premesclada i per difusi o junt amb la variaci o de par ametres de calibratge convencionals com la concentraci o d'oxigen en l'admissi o (per mitj a de recirculaci o dels gasos d'escapament), la pressi o de sobrealimentaci o i l'inici de la injecci o principal, en diferents condicions de r egim i de c arrega del motor. L'an alisi creuat dels resultats es realitza amb l'afany d'entendre les raons claus dels processos que permeten la reducci o de les emissions contaminants amb esta estrat egia. Com a etapa final d'esta tesi, es confronten les estrat egies de combusti o parcialment premesclada estudiades amb els problemes als quals podrien portar si realment es consideraria la seua implementaci o en un motor de s erie (diluci o d'oli, soroll...) per a finalment concloure sobre el seu potencial tecnol ogic. / Arthozoul, SJL. (2016). Study of the association of premixed and diffusive combustion processes on the combustion and pollutant emissions in a mid-size Diesel engine [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63262 / TESIS

[ES] En los últimos años, la evolución de las tecnologías de inyección ha permitido no solo mejorar el proceso de mezcla, sino también controlar con precisión los parámetros de inyección, agregando flexibilidad a los sistemas para nuevas estrategias y un grado adicional de complejidad para los investigadores. Más aún, las estrategias de inyecciones múltiples han demostrado ser capaces de reducir el consumo de combustible, así como también la emisión de partículas, los óxidos de carbono, los óxidos de nitrógeno, el hollín y los hidrocarburos no quemados, convirtiéndose en un estándar en la industria. Esta tesis presenta una metodología experimental para estudiar los efectos de dos estrategias diferentes de inyección múltiple (piloto-principal y principal-post) sobre el desarrollo fundamental y la combustión del chorro. Primero, se caracterizó hidráulicamente el inyector midiendo su tasa de inyección y flujo de cantidad de movimiento. Para una masa inyectada objetivo, se obtuvo la distribución de combustible para los diferentes tiempos de separación y las cantidades de piloto/post. Se implementó un nuevo enfoque para evaluar la distribución de combustible utilizando la señal de flujo de cantidad de movimiento. Se pudo observar que las inyecciones de piloto/post que se realizan en un estado totalmente transitorio presentan mayor desviación entre disparos. El aumento de la cantidad inyectada redujo la dispersión, con un ligero descenso al disminuir también la presión del rail. La repetibilidad de las inyecciones post se vio afectada significativamente por el tiempo de separación entre pulsos. Luego, se aplicaron diagnósticos ópticos de alta velocidad para visualizar el desarrollo del chorro en atmósferas tanto inerte como reactiva. Se utilizaron dos nuevas soluciones de procesado de imágenes: una para desacoplar dos eventos de inyección que coexisten en un solo cuadro, y otra para estimar el tiempo de retraso al autoencendido de múltiples inyecciónes. En cuanto al desarrollo del chorro en condiciones inertes, no se observó ninguna influencia en la longitud líquida estabilizada y el ángulo del chorro, respecto a la cantidad inyectada por la piloto, ni de su separación al pulso principal. Con respecto a la fase vapor, el aumento de la masa inyectada del primer pulso empujó la zona de transición más allá del límite óptico. En general, el segundo pulso penetró a una mayor velocidad, comparado con el caso de una inyección única. El ángulo de dispersión de la fase de vapor aumentó con la inclusión de la inyección piloto, pero no se observó una tendencia clara con respecto a la cantidad de la piloto ni a su tiempo de separación. En cuanto al desarrollo del chorro en condiciones reactivas, el tiempo de retraso al autoencendido del segundo pulso disminuyó en referencia a su inicio de inyección. En promedio, las estrategias piloto-principal vieron reducciones del 30% al 40%, mientras que las principal-post del 40% al 50%. Con respecto a la longitud de despegue estabilizada, no se observó una tendencia definida con respecto a los efectos tanto del tiempo de separación como de la cantidad de la piloto. La imagen promedio tomada por la cámara intensificada no consideró que la longitud de despegue puede cambiar desde el inicio de la combustión hasta el establecimiento de la llama de difusión. En general se observó que las estrategias piloto-principal producen más hollín que cada uno de sus casos de referencia. Se observó una ligera disminución en el grosor óptico de la sección transversal cerca del inicio de la combustión al aumentar la masa de la piloto. No se observó una clara dependencia del hollín con respecto al tiempo de separación entre pulsos. En contraste a la literatura, las estrategias principal-post mostraron una formación de hollín ligeramente más alta (o similar) que una sola inyección. En cámaras de combustión con un volumen tan grande, la post / [CAT] En els últims anys, l'evolució de les tecnologies d'injecció ha permés no només millorar el procés de mescla, sinó també controlar amb precisió els paràmetres d'injecció, afegint flexibilitat als sistemes per a noves estratègies i un grau addicional de complexitat per als investigadors. A més a més, amb les estratègies d'injeccions múltiples s'ha demostrat la possibilitat de reduir el consum de combustible, així com les partícules, els òxids de carboni, els òxids de nitrogen, el sutge i els hidrocarburs no cremats; a més, aquestes estratègies s'han convertit en un estàndard en la indústria. Aquesta tesi estudia els efectes de dues estratègies diferents d'injecció múltiple (pilot-principal i principal-post) sobre el desenvolupament fonamental i la combustió del doll. Primer, es caracteritzar hidràulicament l'injector, mesurant la seua taxa d'injecció i flux de quantitat de moviment. Per a una massa injectada objectiu, es va obtindre la distribució de combustible per als diferents temps de separació i les quantitats de pilot/post. Es va implementar un nou enfocament per tal d'avaluar la distribució de combustible utilitzant el senyal de flux de quantitat de moviment. Es va poder observar que les injeccions de pilot/post injecció que es realitzen en un estat totalment transitori presenten major desviació entre trets. L'augment de la quantitat injectada va reduir la dispersió, observant un lleuger descens en disminuir també la pressió de rail. La repetitivitat de les injeccions post es va veure afectada significativament pel temps de separació entre polsos. Després, es van aplicar diagnòstics òptics d'alta velocitat per a visual-itzar el desenvolupament del doll en atmosferes tant inerts com reactives. Es van utilitzar dues noves solucions de processament d'imatges: una, per a desacoblar dos esdeveniments d'injecció que coexisteixen en un sol quadre, i una altra per a estimar òpticament el retard a l'encesa amb múltiples polsos d'injecció. Pel que fa al desenvolupament del doll en condicions inerts evaporatives, no es va observar cap influència en la longitud líquida estabilitzada i l'angle del doll respecte a la quantitat injectada per la pilot, ni de la seua separació al pols principal. Pel que fa a la fase de vapor, l'augment de la massa injectada del primer pols va empényer la zona de transició més enllà del límit òptic. En general, el segon pols va penetrar a una velocitat més gran comparat amb el cas d'una injecció única. L'angle de dispersió de la fase de vapor va augmentar amb la inclusió de la injecció pilot, però no es va observar una tendència clara pel que fa a la quantitat de la pilot ni al seu temps de separació. En condicions reactives, el retard d'encesa del segon pols va disminuir en referència a l'inici de la injecció. De mitjana, les estratègies pilot-principal van experimentar reduccions del 30% al 40%, mentre que les principal-post, es van veure reduides entre el 40% i el 50%. Pel que fa a la longitud d'enlairament estabilitzada, no es va observar una tendència definida pel que fa als efectes tant del temps de separació com de la quantitat de la injecció pilot. La imatge mitjana presa per la càmera intensificada no va considerar que la longitud d'enlairament puga canviar des de l'inici de la combustió fins a la flama de difusió establerta. Pel que fa als mesuraments de sutge, en general es va observar que les estratègies pilot-principal van produir més sutge que cadascun dels seus casos de referència. Es va observar una lleugera disminució en el gruix òptic de la secció transversal prop de l'inici de la combustió en augmentar la massa de la injecció pilot. No es va observar una clara dependència del sutge amb el temps de separació entre els pols. En contrast amb la literatura, les estratègies principal-post van mostrar una formació de sutge lleugerament més alta (o similar) que una sola injecció. En cambres amb un volum tan / [EN] In recent years, the evolution of the injection technologies has permitted not only to improve the spray mixing process but to control injection parameters accurately, adding flexibility to the systems for new strategies and an extra degree of complexity for researchers. In such sense, multiple injection strategies have proved capable of reducing fuel consumption, as well as emissions of particulate matter, carbon oxides, nitrogen oxides, soot, and unburned hydrocarbons, and has become a standard in the industry. This thesis provides an experimental methodology to study the effects of two different multiple injection strategies (pilot-main and main-post) on spray development and combustion. Experiments were divided into four separate measurement campaigns carried out in three facilities. In the first two campaigns, the injector was hydraulically characterized by rate of injection and spray momentum flux measurements. For a target injected mass, the fuel allocation was obtained for the different dwell times and pilot/post quantities. A new approach to evaluate the fuel distribution using the momentum flux signal was implemented. Higher shot-to-shot deviations were observed for the pilot/post pulses that are injected in an entirely transitory state. The dispersion decreased with increasing injected quantity, and also slightly with decreasing rail pressure. The repeatability of the post injections was significantly affected by the dwell time. Then, high-speed optical diagnostics were applied to visualize the spray development in both inert and reactive atmospheres. Two novel image processing solutions were developed: one to decoupled two injection events that coexist in a single frame, and another to optically estimate the ignition delay of multiple injection pulses. On the spray development in non-reactive conditions, no influence was observed from the injected quantity of the pilot and its dwell time to the main pulse on the stabilized liquid length and spreading angle. Regarding the vapor phase, increasing the injected mass of the first pulse pushed the interaction zone past the optical limit. In general, the second pulse penetrated at a faster rate than the single injection case. Vapor phase spreading angle increased with the inclusion of a pilot injection. No clear trend was observed with either the pilot quantity nor the dwell time. On the spray development in reactive conditions, for all test points that included multiple injections, the ignition delay of the second pulse decreased referenced to its start of injection. On average, pilot-main strategies showed reductions of 30% to 40%, while main-post of 40% to 50%. Different inter-action mechanism found in the literature were used to describe the synergy between injection pulses. Regarding the stabilized lift-off length, no definite trend was observed in terms of the effects of both the dwell time and pilot quantity. The average image taken by the ICCD camera did not consider that the lift-off length can change from the inception of combustion to the established diffusion flame. Regarding soot measurements, it was generally observed that pilot-main strategies produced more soot than each of their reference case. A slight decrease in the cross-sectional optical thickness near the start of combustion was noted increasing the pilot quantity. No clear dependence of soot on the dwell time was observed. In contrast to the literature, main-post strategies depicted slightly higher (or similar) soot formation than a single injection. In combustion chambers with such large volume, the post injection behaved like a main and the actual main like a pilot. Thus, local conditions enhance the formation of soot from the post injection, instead of promoting its oxidation. Therefore, jet-wall interactions are critical for the effectiveness of the post injection on reducing soot emissions. / Viera Sotillo, AA. (2019). Effect of multiple injection strategies on the Diesel spray formation and combustion using optical diagnostics [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/123954 / TESIS

Within this body of work several series of experiments will investigate the nature of complex combustion in an experimental single-cylinder engine emulating a modern passenger car size compression-ignition (CI) engine. Regimes of single, piloted single and piloted split-main injections will be tested and compared in terms of combustion characteristics, specific emission output and cyclic behaviour to determine how increased injection complexity affects the emissions and output of the modern CI engine. Through these tests, the effect of fuel-line stationary waves will be demonstrated and investigated, showing conclusively that optimised engine calibration is essential to account for injector-generated waves in any multiple injection scenario. This data will then be confirmed with a dedicated analysis using an injector rate measuring tube. The tests will then be expanded to include examination into the behaviour of injector needle-lift standard deviation over its operating cycle, in-cylinder pressure standard deviation behaviour and trends over the combustion cycle as well as IMEP variability. Through these tests a novel method to detect start of combustion will be proposed and compared to conventional methods. Low temperature combustion (LTC) will be tested under incremental injection complexity. Tests will be optimised for combustion phasing and injection pressure, with a view to analysis of emissions, output and cyclic behaviour to establish whether the knowledge gained about conventional combustion holds true under LTC. Optimization of engine parameters will be shown to result in easier to implement LTC regimes with superior emissions characteristics. Finally, LTC tests will be expanded to include 30% and 50% by volume gas-to-liquid fuel (GTL) blends in order to determine whether fuel characteristics further influence emissions, output and cyclic behaviour in LTC through complex injection regimes. How GTL-blend ratio affects trends in emissions and cyclic behaviour will also be examined and compared to conventional diesel fuel.

Avec la sévérisation des réglementations environnementales sur les émissions polluantes (normes Euro) des moteurs d'automobiles, la nécessité de maitriser les phénomènes de combustion a motivé le développement de la simulation numérique comme outil d'aide à la conception. Tenant compte de la complexité des phénomènes à modéliser, et de l'antagonisme des objectifs à optimiser, l'optimisation évolutionnaire multi-objectif semble être la mieux adaptée pour résoudre ce type de problèmes. Cependant, l'inconvénient principal de cette approche reste le coût très élevé en termes de nombre d'évaluations qui peut devenir très contraignant dans le contexte des optimisations réelles caractérisées par des évaluations très coûteuseL'objectif principal de ce travail de thèse est de réduire le coût global des optimisations du monde réel, en explorant la parallélisation des algorithmes évolutionnaires multi-objectifs, et en utilisant les techniques de réduction du nombre d'évaluations (méta-modèles).Motivés par le phénomène d'hétérogénéité des coûts des évaluations, nous nous proposons d'étudier les schémas d'évolution stationnaires asynchrones dans une configuration parallèle de type « maître-esclave ». Ces schémas permettent une utilisation plus efficace des processeurs sur la grille de calcul, et par conséquent de réduire le coût global de l'optimisation.Ce problème a été attaqué dans un premier temps d'un point de vue algorithmique, à travers une adaptation artificielle des algorithmes évolutionnaires multi-objectifs au contexte des optimisations réelles caractérisées par un coût d'évaluation hétérogène. Dans un deuxième temps, les approches développées et validées dans la première partie sur des problèmes analytiques, ont été appliquées sur la problématique de la combustion Diesel qui représente le contexte industriel de cette thèse. Dans ce cadre, deux types de modélisations ont été utilisés: la modélisation phénoménologique 0D et la modélisation multidimensionnelle 3D. La modélisation 0D a permis par son temps de retour raisonnable (quelques heures par évaluation) de comparer l'approche stationnaire asynchrone avec celle de l'état de l'art en réalisant deux optimisations distinctes. Un gain de l'ordre de 42 % a été réalisé avec l'approche stationnaire asynchrone. Compte tenu du temps de retour très coûteux de la modélisation complète 3D (quelques jours par évaluation), l'approche asynchrone stationnaire déjà validée a été directement appliquée. L'analyse physique des résultats a permis de dégager un concept intéressant de bol de combustion permettant de réaliser un gain en termes d'émissions polluantes. / In order to comply with environmental regulations, automotive manufacturers have to develop efficient engines with low fuel consumption and low emissions. Thus, development of engine combustion systems (chamber, injector, air loop) becomes a hard task since many parameters have to be defined in order to optimize many objectives in conflict. Evolutionary Multi-objective optimization algorithms (EMOAs) represent an efficient tool to explore the search space and find promising engine combustion systems. Unfortunately, the main drawback of Evolutionary Algorithms (EAs) in general, and EMOAs in particular, is their high cost in terms of number of function evaluations required to reach a satisfactory solution. And this drawback can become prohibitive for those real-world problems where the computation of the objectives is made through heavy numerical simulations that can take hours or even days to complete.The main objective of this work is to reduce the global cost of real-world optimization, using the parallelization of EMOAs and surrogate models.Motivated by the heterogeneity of the evaluation costs observed on real-world applications, we study asynchronous steady-state selection schemes in a master-slave parallel configuration. This approach allows an efficient use of the available processors on the grid computing system, and consequently reduces the global optimization cost.In the first part of this work, this problem has been studied in an algorithmical point of view, through an artificial adaptation of EMOAs to the context of real-world optimizations characterized by a heterogeneous evaluation cost.In the second part, the proposed approaches, already validated on analytical functions, have been applied on the Diesel combustion problem, which represents the industrial context of this thesis. Two modelling approaches have been used: phenomenological modelling (0D model) and multi-dimensional modelling (3D model).The 0D model allowed us, thanks to its reasonable evaluation cost (few hours per evaluation) to compare the asynchronous steady-state approach with the standard generational one by performing two distinct optimizations. A gain of 42 % was observed with the asynchronous steady-state approach.Given the very high evaluation cost of the full 3D model, the asynchronous steady-state approach already validated has been applied directly. The physical analysis of results allowed us to identify an interesting concept of combustion bowl with a gain in terms of pollutant emissions.