[ES] La creciente preocupación por los problemas medioambientales, la disponibilidad de combustibles fósiles unido a la gran demanda de vehículos, han llevado a los gobiernos a regular las emisiones emitidas a la atmósfera. Existen propuestas de adoptar fuentes de energía renovables. Sin embargo, la sustitución de los combustibles derivados del petróleo no será fácil, rápida o rentable, y el transporte propulsado por motores de combustión interna (ICE) seguirá destacando en los próximos años. La eficiencia de la combustión y el rendimiento del motor están influenciados por el complejo proceso de inyección. La inyección directa de gasolina (GDI) aumenta el ahorro de combustible y cumple los requisitos de emisiones contaminantes, aunque queda potencial por descubrir. Por ello, ha sido objeto de estudio en los últimos años y, en consecuencia, de la presente Tesis. Este trabajo tiene como motivación mejorar el entendimiento en el campo del GDI. La compleja naturaleza transitoria del proceso de inyección hace que el estudio experimental sea un desafío. La Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) surge como una potente alternativa a los experimentos y ha sido adoptada para esta investigación. Bajo este contexto, el objetivo de la presente Tesis es desarrollar una metodología predictiva para la caracterización hidráulica del inyector, capaz de ser aplicada a las actuales y futuras generaciones de inyectores GDI, independientemente de las características del inyector y del software de estudio. Una vez validada, el objetivo posterior es utilizar los resultados para analizar el comportamiento del chorro. Este enfoque busca seguir los pasos de la comunidad científica sustituyendo la práctica experimental. La validación de la metodología se lleva a cabo mediante su aplicación en dos inyectores GDI solenoides multi-orificio diferentes. Además, se han utilizado dos códigos CFD comerciales: CONVERGE y StarCCM+. La metodología predictiva se centra en el estudio del flujo interno y el campo cercano para caracterizar hidráulicamente el inyector. El problema a tratar se define como un sistema multifásico en un marco Euleriano y considerando un único fluido. El tratamiento del flujo multifásico se realiza mediante el enfoque Volume-of-Fluid (VOF). Además, se emplea el Homogeneous Relaxation Model (HRM) para considerar el intercambio de masa entre las fases líquida y vapor debido a cavitación y flash boiling. La turbulencia se ha tratado a partir de los enfoques Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) y Large Eddy Simulations (LES). Por otro lado, en cuanto al estudio del flujo externo, se ha adoptado el Discrete Droplet Model (DDM). La atomización y el chorro están influenciados por la geometría de la tobera, por lo que la estrategia de acoplamiento del flujo interno y externo complementa los análisis. Se han adoptado enfoques de acoplamiento unidireccional y mapeado, utilizando como parámetros de entrada los datos de flujo interno de la validada metodología. Esta Tesis aporta una nueva y valiosa metodología predictiva con una elevada precisión a la hora de caracterizar el proceso de inyección en comparativa con datos experimentales. Por otro lado, es directamente trasferible a distintos códigos de cálculo así como aplicable a inyectores con características dispares sin perjudicar las exigencias del modelo. La correcta caracterización del flujo interno ha permitido emplear los datos obtenidos para analizar el comportamiento del chorro eliminando la necesidad de usar datos experimentales. Los resultados obtenidos capturan el comportamiento macroscópico del chorro con una precisión comparable a los experimentos. Aunque todavía hay muchos retos que afrontar, la presente Tesis supone un gran avance en el campo del GDI. El remarcable progreso se debe al desarrollo y uso de una metodología totalmente predictiva, que permite prescindir de la mayoría de los experimentos para contribuir a una mayor y más amplia visión de la física del proceso de inyección. / [CA] La creixent preocupació pels problemes ambientals, la limitada disponibilitat de combustibles fòssils, acompanyat a la gran demanda de vehicles, ha portat el govern a regular els nivells d'emissions emesos a l'atmosfera. Existeixen propostes d'adoptar fonts d'energia renovables. Tanmateix, la substitució dels combustibles líquids derivats del petroli no es durà a terme de forma fàcil, ràpida o rentable, i el transport propulsat per motors de combustió interna (ICE) continuarà destacant en els pròxims anys. L'eficiència de la combustió i el rendiment del motor són fortament influenciats pel complex procés d'injecció. La injecció directa de gasolina (GDI) augmenta l'estalvi de combustible i complix amb els requisits d'emissions, encara que queda molt potencial per descobrir. Per això, aquest ha sigut objecte d'investigació en els últims anys i, com a conseqüència, d'aquesta Tesi. Aquest treball té com a motivació millorar l'enteniment en el camp del GDI. La complexa natura transitòria de la injecció fa que l'estudi experimental siga força complex. La Mecànica de Fluids Computacional (CFD) sorgeix com una potent alternativa als experiments, i ha sigut adoptada per aquesta investigació. Baix aquest mateix context, es proposa com a objectiu principal d'aquesta Tesi el desenvolupament d'una metodologia predictiva per a la caracterització hidràulica de l'injector, capaç de ser aplicada a les actuals i futures generacions d'injectors GDI (independentment de les característiques de l'injector i del software d'estudi). Una vegada validada, el posterior objectiu és analitzar el comportament de l'esprai. Aquest enfocament busca seguir els passos de la comunitat científica substituint la pràctica experimental. La validació de la metodologia ha sigut duta a terme mitjançant la seva aplicació en dos injectors GDI solenoides multi-orifici. A més, s'han utilitzat dos software CFD comercials: CONVERGE i StarCCM+. La metodologia predictiva se centra en l'estudi del flux intern i el camp proper per tal de caracteritzar hidràulicament l'injector. El problema a tractar es defineix en base a un sistema multi-fàsic en un marc Eulerià i considerant un únic fluid. El tractament del fluid multi-fàsic es realitza mitjançant l'aproximació Volume-of-Fluid (VOF). A més, s'utilitza el Homogeneous Relaxation Model (HRM) per tal de considerar l'intercambi de massa entre les fases líquida i vapor degut als fenòmens de cavitació i flash boiling. La turbulència s'ha tractac a través dels enfocaments Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) i Large Eddy Simulations (LES). Pel que fa a l'estudi del fluix extern, s'ha adoptat el Discrete Droplet Model (DDM). Sent conscients que el comportament l'atomització i l'esprai estan influenciats per la geometria de la tovera, l'estratègia d'acoblament del flux intern i extern complementa les anàlisis. S'han adoptat els enfocaments d'acoblament unidireccional i mapejat, utilitzant com a paràmetres d'entrada les dades del flux intern obtingudes amb la validada metodologia. Aquesta Tesi aporta una nova i valuosa metodologia predictiva amb una elevada precisió a l'hora de caracteritzar el procés d'injecció en comparativa amb dades experimentals. És directament transferible a diversos codis de càlcul així com aplicable a injectors amb característiques dispars sense perjudicar les exigències del model. La correcta caracterització del flux intern ha permès utilitzar les dades obtingudes per tal d'analitzar el comportament de l'esprai, eliminant la necessitat d'emprar dades experimentals. Els resultats obtinguts d'aquest estudi capturen el comportament macroscòpic de l'esprai amb una precisió comparable als experiments. Encara que queden molts reptes per afrontar, aquesta Tesi aporta un important avanç al camp del GDI. La ruptura prové del desenvolupament i ús d'una metodologia completament predictiva, que substitueix els experiments requerits i així contribueix a una millor i més ampla visió de la física del procés d'injecció. / [EN] Concerns about climate change, availability of fuel resources and the high demand for vehicles, have led governments to regulate the level of pollution emitted by engines into the atmosphere. There is a strong desire to adopt renewable and sustainable energy sources. However, the substitution of liquid fuels derived from petroleum will not emerge easily, quickly or economically, and Internal Combustion Engines (ICE) will continue to excel for the next few years. Combustion efficiency and engine performance are strongly influenced by the complex fuel injection process. Gasoline Direct Injection (GDI) strategies increase fuel economy and meet emission requirements, although many challenges remain, which has therefore been one of the main research objectives in recent years and of this Thesis. The present research aims to provide a better understanding in the field of GDI. The transient and complex nature of the injection process makes the experimental study of GDI quite challenging. Therefore, Computational Fluid Dynamics (CFD) emerges as a powerful alternative adopted for this research. In this context, the main objective of the present Thesis is to develop a predictive methodology capable of being applied to current and future generations of GDI injectors, regardless of the injector features and the software employed, for the hydraulic characterization of the injector. Once validated, the subsequent goal is to employ the obtained results to analyze the behavior of the spray downstream of the injector. The approach attempts to follow the footsteps of the research community to avoid experimental practice. The predictive methodology has been validated through its application to two multi-hole solenoid GDI injectors with different features. In addition, the mentioned methodology has been evaluated using diverse commercial software: CONVERGE and StarCCM+. The methodology focuses on the study of the internal and near-field flow to hydraulically characterize the injector. So the problem to be addressed is a multi-phase system, performed in an Eulerian framework, modeled through a single-fluid approach. The multi-phase flow is treated by means of the Volume-of-Fluid (VOF) approach. Homogeneous Relaxation Model (HRM) is employed to consider the mass exchange between liquid and vapor fuel phases, due to cavitation and flash boiling. The turbulence treatment has been performed from both Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) and Large Eddy Simulations (LES) approaches. Regarding the external flow study, the Discrete Droplet Model (DDM) has been adopted. In addition, being aware that atomization and spray behavior is greatly influenced by the nozzle geometry, the coupling strategy of the internal and external flow complements the analyses. One-way coupling and mapping approaches have been adopted, using as input parameters the internal flow data obtained from the already validated methodology. Accordingly, this Thesis provides a new and valuable predictive methodology, which has demonstrated a high accuracy in characterizing the flow behavior during the injection process through comparison with experimental data. It has also proven to be directly transferable to different CFD software and applicable to injectors with dissimilar characteristics without compromising the requirements of the model. The correct internal flow characterization has made it possible to employ the obtained data to analyze the spray patterns, which eliminates the need to consider experimental data. The outcomes of this study macroscopically capture the jet behavior with an accuracy comparable to experiments under different operating conditions. Although there are still many challenges to face, the present Thesis brings a breakthrough in the field of GDI. The quantum leap arises from the development and use of a fully predictive methodology, allowing to avoid most experiments to contribute to a greater and broader vision of the injection process physics. / María Martínez García has been founded through a grant from the Government of Generalitat Valenciana with reference ACIF/2018/118 and financial support from the European Union. These same institutions, Government of Generalitat Valenciana and the European Union, supported through a grant for pre-doctoral stays out of the Comunitat Valenciana with reference BEFPI/2020/057 the research carried out during the stay at Aerothermochemistry and Combustion Systems Laboratory, Swiss Federal Institute of Technology, ETH Zurich, Switzerland. Special gratitude from the author to both institutions, Government of Generalitat Valenciana and the European Union, for making this dream possible / Martínez García, M. (2022). Computational Study of the Injection Process in Gasoline Direct Injection (GDI) Engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/185180 / TESIS

[ES] La creciente preocupación sobre el efecto de la emisión de gases nocivos provenientes de motores de combustión interna alternativos (ICE) a la atmósfera ha llevado a los gobiernos a lo ancho del planeta a limitar la cantidad de dichas emisiones, particularmente en Europa a través de las normas EURO. La dificultad en cumplir dichas limitaciones ha llevado a la industria automovilística a cambiar el foco de motores de encendido por compresión (CI) o provocado (SI) hacia la electrificación o los combustibles libres de carbono. Sin embargo, esta transición no se puede llevar a cabo de manera sencilla en el corto y medio plazo, mientras que combustibles libres de carbono como el Hidrógeno (H2 ) o el Amoniaco (NH3 ) siguen produciendo algunos contaminantes como los Óxidos de Nitrógeno (NOx ), con los cuales hay que lidiar. Estas emisiones pueden ser particularmente dañinas para el ser humano ya que incrementan el riesgo de cáncer de pulmón. La Reducción Catalítica Selectiva (SCR) ha demostrado ser una tecnología eficaz para la reducción de este contaminante en particular. A través de una inyección de una Solución de Urea-Agua, junto con la energía térmica de los gases de escape, se genera una cantidad suficiente de NH 3 capaz de neutralizar los indeseados NOx en un catalizador de reducción. Con la inclusión de los SCR en automóviles ligeros además de su presencia tradicional en automóviles pesados, los SCR han sido el foco de la comunidad científica para mejorar el entendimiento de su principio de actuación, y mejorar su eficiencia en un entorno legislativo en el que los limites de emisión se han estrechado enormemente. Esta Tesis intenta ser parte de ese esfuerzo científico en caracterizar el proceso de inyección de UWS en su totalidad a través de un entorno computacional. El presente estudio tiene como objetivo proveer de un mejor entendimiento del proceso de atomización y degradación sufrido por los chorros de UWS. Las dinámicas no estacionarias que se dan lugar en la zonas cercana del chorro, añadido a la gran influencia de las características internas del inyector sobre el desarrollo del spray hacen que los métodos experimentales sean complicados para poder entender dicho proceso. Por otro lado, la Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) presenta una alternativa. Para el propósito de esta Tesis, el CFD ha sido utilizado para caracterizar los sprays de SCR. Se intenta desarrollar y seleccionar los modelos más apropiados a chorros de baja velocidad, y establecer un conocimiento Una vez adquiridos dichos métodos, los mecanismos principales de rotura del chorro y de degradación de la urea se han analizan. En ese sentido, el uso de técnicas experimentales podrían ser sustituídos en el futuro para esta aplicación. Los métodos CFD son validados tanto en el campo cercano como en el lejano. Para el campo cercano, el tratamiento multi-fase se lleva a cabo a través de métodos de Modelo de Mezclas, o el método Volume-Of-Fluid. A través de ellos, la caracterización hidráulica de dos reconstrucciones del inyector de UWS se lleva a cabo. Subsiguientes análisis se llevan a cabo sobre las dinámicas de rotura de la vena líquida, descubriendo que mecanismos rigen el proceso. El estudio de campo lejano usa un Discrete Droplet Model (DDM) para lidiar con las fases líquidas y gaseosas. En él, la evaporación del agua y el proceso de termólisis de la urea han sido considerados y comparados con resultados experimentales con el fin de obtener una metodología fiel para su caracterización. Todo el conocimiento adquirido se aplica más tarde a un Close-Coupled SCR, en el cual condiciones de trabajo realista han sido consideradas. Además, una herramienta llamada Maximum Entropy Principle (MEP) es presentada. Por tanto, esta Tesis aporta una metodología valiosa capaz de predecir tanto el campo cercano como el lejano de chorros de UWS de una manera precisa. / [CA] La creixent preocupació sobre el efecte de l'emissió de gasos nocius provenients the motors de Combustió Interna Alternatius (ICE) a l'atmosfera ha dut als governs de tot el planeta a limitar la quantitat d'aquestes emisions, particularment a Europa mitjant les normes EURO. La dificultat de complir aquestes limitacions ha portat a l'industria automovilística a cambiar el focus de motors d'encedut per compresió (CI) o provocat (SI) cap a la electrificació o els combustibles lliures de carbó. No obstant això, aquesta transició no es pot dur a terme de manera senzilla , mentres que els combustibles lliures de carbó como l'Hidrogen (H2 ) o l'Amoniac (NH3 ) seguirien produint contaminants como els Óxids de Nitrogen (NOx ), amb els quals n'hi ha que bregar. Estes emissions poden ser particularment nocives per a l'esser humà ja que incrementen el risc de càncer de pulmó. La Reducció Catalítica Selectiva (SCR) ha demostrat ser una tecnología eficaç per a la reducció d'este contaminant en particular. Mitjançant una injecció d'una Solució D'Urea i Aigua, junt a l'energía térmica dels gasos d'fuita, es pot generar una quantitat suficiente de NH 3 capaç de neutralitzar els indesitjats NO x a un catalitzador de reducció. Amb l'inclusió dels SCR en automòvils lleugers a més de la seua tradicional presència en automòvils pesats, els SCR han segut el foc per a mijorar l'enteniment del seu principi d'actuació, i mijorar la seua eficiencia. Este estudi té como a objectiu proveir d'un mijor entenement del procés d'atomizació y degradació patit pels dolls de UWS. Les dinàmiques no estacionaries que es donen lloc en la zona propenca al doll, afegit a la gran influència de les característiques internes del injector sobre el desentroll de l'esprai, fan que els métods experimentals siguen complicats d'aplicar per entendre dit procés. Per un altre costat, la Mecànica de Fluïts Computacional (CFD) supon una alternativa que té certes avantatges. Per al propòsit d'esta Tesi, el CFD ha sigut utilitzat com la principal metodología per a caracteritzar elsesprais de SCR. Per mitjà de dits métodes, la Tesi vol desentrollar i seleccionar els models més apropiats que mitjos s'adapten a sprays de baixa velocitat, i establir un coneiximent per a posteriors estudis desentrollats sobre la mateixa temàtica. Una volta adquirits dits métodes, els mecanismes principals de trencament del doll, així com els de degradació de l'urea en amoníac s'analitzaran. En aquest sentit, l'us de técniques experimentals podría no ser utilitzat més en el futur per aquesta aplicació.Els métods CFD son aplicats i validats tant el el camp propenc com en el llunyà. Per al camp propenc, el tractament multi-component es porta a terme a través de métodes Eulerians-Eulerians, com el Model de Mescles, o el métode Volume-Of-Fluid. La caracterització hidràulica de dos reconstruccions de l'injector es porta a terme, els resultats del qual són comparats amb resultats experimentals. Subsegüents anàlisis es porten a terme sobre les dinàmiques de trencament de la vena líquida, descobrint qué mecanismes regeixen el procés. L'estudi de camp llunyà usa un Discrete Droplet Model (DDM) per a bregar en la fase líquida i gaseosa. En ell, l'evaporació del aigua y el procés de termòlisis de l'urea han sigut considerats i comparats amb el resultats experimentals amb la finalitat d'obtindre una metodología fidel per a la seua caracterització. Tot el coneixement obtingut s'aplica més tard a un Close-Coupled SCR, en el qual condicions de treball realistes han sigut considerades. Dels resultats obtinguts dels distints estudis, una ferramenta adicional anomenada Maximum Entropy Principle (MEP),capaç de predir el fenomen d'atomització dels doll de UWS sense la necessitat de realitzar simulacions del camp propenc, es presentat. Per tant, esta Tesi aporta una metodología capaç de predir tant el camp proper como el llunyà d'una manera precisa. / [EN] The increasing awareness of the effect of emitting harmful gases from Internal Combustion Engines (ICE) into the atmosphere has driven the governments across the globe to limit the amount of these emissions, par ticularly in Europe through the EURO norms. The difficulty to meet such limitations has driven the automotive industry to shift from traditional Compression Ignited (CI) or Spark Ignited (SI) engines toward electrification or carbon-free fuels. Nonetheless, this transition will not be easily done in the short and medium time frames, while carbon-free fuels such as Hydrogen (H2 ) and Ammonia (NH3 ) will keep producing certain pollutants such as Nitrogen Oxides (NOx ) which need taking care of. These emissions can be particularly hazardous for humans, increasing the risk of developing lung cancer. Selective Catalytic Reduction (SCR) is an effective technology for reducing this specific ICE contaminant. An injection of a Urea-Water Solution (UWS), together with the thermal energy of the combustion gases can generate a sufficient amount of NH 3 capable of neutralizing the unwanted NO x in a catalyst. With the fitting of SCR systems within light-duty applications, in addition to their traditional presence on heavy-duty usage, SCR has been on the focus to understand their working principle and improve their efficiency . This Thesis tries to become part of that scientific ensemble by characterizing the whole UWS injection process within a computational framework. The present research aims to provide a better understanding of the atomizing and degradation processes undergone by the UWS sprays. The transient dynamics taking place in the near-field region, added to the great influence of the inner-injector characteristics on the development of the spray make experimental approaches on such sprays challenging in providing such knowledge. Computational Fluid Dynamics (CFD) provide an alternative that has certain advantages. For this Thesis they have been adopted as the main methodology on characterizing SCR sprays. The Thesis tries to develop and select the appropriate models that best suit low-velocity sprays. With the suitable methods that best predict these sprays, the main jet breakup mechanisms, together with the urea-to-ammonia transformation will have their behavior analyzed. In that way, experimental techniques could be avoided for such applications. CFD is applied and validated both in the near-field and far-field regions. For the near-field, multi-component flows are treated through Eulerian-Eulerian such as the Mixture Model or the Volume-Of-Fluid method. Through them, a hydraulic characterization on two recon structions of the UWS injector is performed, with results compared with experimental data. Further analysis is done on the jet-to-droplet dynamics, assessing which mechanisms drove the process. The far-field analy sis uses a Discrete Droplet Model (DDM) for dealing with the gas and liquid phases. In it, the evaporation of water and the thermolysis process of the urea have been considered and again compared with experimental results to have a faithful methodology for its characterization. All the acquired knowledge has been later applied to a commercial Close-Coupled SCR, in which real-working conditions have been considered. From the results obtained from several studies, an additional tool called Maximum Entropy Principle (MEP), capable of predicting the UWS spray atomization phenomenon without the need to perform near-field simulations, has been provided. Accordingly, this Thesis provides a valuable methodology capable of predicting the near-field and far-field dynamics accurately thanks to its validation against experimental results from literature. Additionally, the MEP tool can be used independently for computational and experimental works to predict the performance of UWS atomizers.The work carried out presents a significant leap in the application of CFD tools in predicting low-velocity sprays. / Javier Marco Gimeno has been founded through a grant from the Government of Generalitat Valenciana with reference ACIF/2020/259 and financial support from the European Union. These same institutions, Government of Generalitat Valenciana and The European Union, supported through a grant for pre-doctoral stays out of the Comunitat Valenciana with reference CIBEFP/2021/11 the research carried out during the stay at Energy Systems, Argonne National Laboratory, United States of America. / Marco Gimeno, J. (2023). Computational study of Formation and Development of Liquid Jets in Low Injection Pressure Conditions. Focus on urea-water solution injection for exhaust gas aftertreatment [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/198699