This study has been performed at Powertrain Engineering Sweden AB (PES), a fully owned subsidiary of Volvo Cars Group, which is constantly working to develop and improve internal combustion engines. As part of this work, durability tests are performed to analyse the impact of wear on the engines. At present, there is a strong focus on visual inspections after the engines have undergone durability tests. PES wants to develop a method where collected data from these tests can be used to explain how the phenomenon of knocking and the control of lambda changes over time. The study analyses one specific durability test and investigates the methodology of data analysis by using the open-source software platform Sympathy for Data, with an add-on developed by Volvo Cars Group, for data management, visualisation and analysis. To execute the analysis, engine parameters that affect these systems as well as parameters suitable to use as response variables are identified through literature studies of internal combustion engine fundamentalsas well as internal material, and knowledge acquired at the company. The result is presented in the form of an analysis generated by the node for partial least squares regression (PLSR) which is pre-programmed in Sympathy for Data as well as the images and graphs obtained as output. For knock, the signal for the final ignition angle was found to be suitable to use as the response variable in the PLSR. A suitable response variable for lambda was more difficult to identify, this is why both signals for the measured lambda and lambda adaptation are analysed. Studies of the internal material and knowledge highlighted the fact that several engine subsystems are highly dependent on each other and that even deeper research would be necessary to fully understand the process and identify the primary cause for the variations observed in the generated models. However, partial least squares regression was performed using parameters derived from literature reviews as input (predictors) in order produce regression models to explain the variance in sought response. Well-fitting models could be created with a varying number of latent variables needed for the different responses. The output obtained from the PLSR enables further studies of the specific cases as well as the methodology itself, hence, increase the use of data analysis with the help of the software used in the department for durability testing at PES. / Denna studie är utförd hos Powertrain Engineering Sweden AB (PES), vilka är ett helägt dotterbolag till Volvo Cars Group, som arbetar med att ta fram och förbättra förbränningsmotorer. En del i detta arbete är att genomföra långtidstest för att analysera hur motorernas egenskaper ändras vid förslitning över tid. I nuläget ligger stort fokus på visuella inspektioner efter att motorerna genomgått långtidstester. PES önskar utveckla en metod där redan insamlad data som registrerats i dessa tester kan förklara hur fenomenet knack och regleringen för lambda förändras över tid. Studien är genomförd i form av en fallstudie av ett specifikt långtidstest där den öppna programvaran Sympathy for Data, tillsammans med det av Volvo Cars Group utvecklade tillägget, används för datahantering, visualisering och analys. Studien undersöker också metodiken för dataanalys med nämnd programvara. För att genomföra detta identifieras motorparametrar som påverkar de undersökta systemen samt parametrar som lämpar sig att användas som responsvariabler i en regressionsmodell. Dessa parametrar togs fram genom litteraturstudier om de fundamentala delarna i en förbränningsmotor samt från företaget förvärvad intern kunskap kring systemen. Resultatet presenteras i form av en analys genomförd med den, i Sympathy for Data, förprogrammerade noden för partial least squares regression(PLSR) samt de bilder och grafer som erhålls. För knack visade det sig att den slutliga tändningsvinkeln var lämplig att använda som respons i PLSR-modellen. En lämplig responsvariabel för lambda var mer svåridentifierad, detta förklarar varför signalerna för uppmätt lambda och lambda adaption analyseras. Inläsning av internt material och grundläggande information om förbränningsmotorer visade att delsystem i ottomotorn är beroende och påverkas av varandra vilket innebär att mer ingående studier i dessa delsystem är nödvändigt för att förstå hela processen och hitta grundorsakerna till variationerna som påvisas för responssignalerna. Vidare utfördes PLSR med de parametrar som härletts från litteraturstudier som indatasignaler (prediktorer) för att skapa en regressionsmodell som förklarar variansen i sökta responssignaler. Beroende av responssignal krävdes varierande antal latenta variabler för att uppnå en tillräckligt precis modell. Resultatet från PLSR möjliggör vidare forskning inom området och metoden som använts och har på så sätt möjliggjort för fortsatt utveckling. Detta i sin tur kan öka användandet av dataanalys med hjälp av den programvara som används vid avdelningen för långtidstest hos PES.

Bio-fuels, being the primary alternative to the fossil fuels, used in the internal combustion engines are subjected to constant development. The development of alternative Ethanol Diesel (ED95) formulations at AVL Motortestcenter AB has demanded a test facility capable of evaluating the combustion quality of these specimens. A test cell capable of evaluating fuels operating on the compression ignition concept was required for this reason. The aim of this thesis is to develop a high pressure fuel delivery system for a single cylinder test cell engine. The literature review conducted offered knowledge on stages involved in the development of the fuel and the operation of high pressure fuel systems for engines operating on the Diesel concept. Knowledge was acquired on phenomenon such as pressure fluctuations and information regarding engine test cells was familiarised. Scania's XPI fuel system being the designated fuel system for the test cell was studied and adaptations required for its implementation in the single cylinder test cell was investigated. Based on the information acquired, recommendations for the set up of the high pressure fuel system for the single cylinder test cell engine are mentioned. / Förnyelsebara biobränslen är det primära alternativet till fossila bränslen för användning i interna förbränningsmotorer och är under ständig utveckling. För den fortsatta utvecklingen av etanoldiesel (ED95) genom provning av nya formuleringar vid AVL Motortestcenter AB krävs ett lämplig testupplägg. Förbränningskvalitetsutvärderingen kräver en avancerad testcell där bränslets förbränningsegenskaper kan utvärderas. Målet med detta arbete var att utveckla ett högtrycksbränslesystem lämpligt för en singelcylindrig forskningsmotor som arbetar enligt kompressionständningsprincipen (dieselprincipen). Litteraturstudien samlade kunskap om bränsleutveckling samt kunskap om dieselmotorers högtrycksbränslesystemen, dess uppbyggnad och utmaningar. Kunskap om fenomen som tryckoscillationer och kavitation i bränslesystem samt förståelse för motorprovcellers uppbyggnad införskaffades. Scanias XPI bränslesystem, som forskningsmotorns högtrycks- bränslesystem ska efterlikna, studerades och adaptioner för att passa till encylinderkörningar i provcell utvärderades. Baserat på informationen ges rekommendationer på hur Scanias XPI system kan implementeras och justeras för att fungera i AVL’s singelcylinderprovcell.

A utilização mais eficiente dos recursos naturais tem levado a indústria a aumentar a eficiência dos produtos manufaturados. Veículos de transporte Diesel estão incluídos neste cenário. Nos motores Diesel, um componente importante do sistema de injeção é o bico injetor. Uma legislação recente no Brasil introduziu limites de emissões EURO5. Estes novos parâmetros tiveram impacto no projeto do bico injetor com tolerâncias sendo reduzidas, em especial na área da sede do corpo do bico injetor, alterando o parâmetro funcional de pressão de abertura do produto. Neste cenário, o impacto desta superfície cônica retificada sobre a pressão de abertura é grande, bem como, sobre o desempenho do motor Diesel. Este estudo tem como objetivo analisar o defeito de topografia superficial típico e recorrente no processo de retificação interna cônica da sede do corpo dos bicos injetores. Um experimento planejado foi realizado de acordo com método Taguchi e determinou-se a relação sinal-ruído para dois parâmetros de topografia 2D. A superfície da sede também foi analisada utilizando análise topográfica 3D. Os resultados deste estudo incluem a indicação de possíveis causas do defeito recorrente, caracterização dos principais elementos do processo de retificação, caracterização da superfície retificada e otimização dos parâmetros do processo de retificação. / Industries of manufactured products have increased their efficiency optimizing the natural resources usage and Diesel commercial vehicles are included in this scenario. For Diesel engines, one of the most important components of the injection system is the nozzle injector. In Brazil, EURO5 legislation was recently introduced, bringing new emission limits for Diesel engines. Because of this, the nozzle injector design has changed and some manufacturing tolerances were reduced, in special the body seat geometry. This also changed the nozzle opening pressure. In this new process, the body seat grinded conical surface impacts on this functional parameter and consequently the Diesel engine performance. This study has as target to analyze a recurrent defect in the internal conic grinding process of the nozzle body seat. A trial was performed in this process according to Taguchi method and signal / noise ratio for 2D topographic parameters were defined. The body seat surface was also analyzed using 3D topographic analysis. The results of this study include the possible cause of the recurrent failure, characterization of the ground surface, process main elements integrity assessment and optimization of the grinding process parameters.

Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) combustion is an alternative combustion mode in which the fuel is homogeneously mixed with air and is auto-ignited by compression. Due to charge homogeneity, this mode is characterized by low equivalence ratios and temperatures giving simultaneously low nitric oxide (NOx) and soot in diesel engines. The conventional problem of NOx-soot trade-off is avoided in this mode due to absence of diffusion combustion. This mode can be employed at part load conditions while maintaining conventional combustion at high load thus minimizing regulatory cycle emissions and reducing cost of after-treatment systems. The present study focuses on achieving this mode in a turbocharged, common rail, direct injection, four-cylinder, heavy duty diesel engine. Specifically, the work involves a combination of three-dimensional CFD simulations and experiments on this engine to assess both traditional and novel strategies related to fuel injection. The first phase of the work involved a quasi-dimensional simulation of the engine to assess potential of achieving HCCI. This was done using a zero-dimensional, single-zone HCCI combustion model with n-heptane skeletal chemistry along with a one-dimensional model of intake and exhaust systems. The feasibility of operation with realistic knock values with high EGR rate of 60% was observed. The second aspect of the work involved three-dimensional CFD simulations of the in-cylinder process with wall film prediction to evaluate injection strategies associated with Early Direct Injection (EDI). The extended Coherent Flame Model-3Zone (ECFM-3Z) was employed for combustion simulation of conventional CI and EDI, and was validated with experimental in-cylinder pressure data from the engine. A new Uniformity Index (UI) parameter was defined to assess charge homogeneity. Results showed significant in-homogeneity and presence of wall film for EDI. Simulations were conducted to assess improvement of charge homogeneity by several strategies; narrow spray cone angle, injection timing, multiple injections, intake air heating, Port Fuel Injection (PFI) as well as combination of PFI and EDI. The maximum UI achieved by EDI was 0.78. The PFI strategy could achieve UI of 0.95; however, up to 50% of fuel remained trapped in the port after valve closure. This indicated that except EDI, none of the above-mentioned strategies could help achieve the benefits of the HCCI mode. The third part of the work involved engine experimentation to assess the EDI strategy. This strategy produced lower soot than that of conventional CI combustion with very short combustion duration, but led to high knock and NOx which is attributed to pool fire burning phenomenon of the wall film, as confirmed by CFD. An Optimized EDI (OptimEDI) strategy was then developed based on results of CFD and Design of Experiments. The Optim EDI consisted of triple injections with split ratio of 41%-45%-14% and advancing the first injection. This strategy gave 20% NOx and soot reduction over the conventional CI mode. Although this strategy gave encouraging results, there was a need for more substantial reduction in emissions without sacrificing efficiency. Hence, a novel concept of utilizing air-assisted Injection (AAI) into the EGR stream was employed, as this implied injecting very small droplets of fuel into the intake which would have sufficient residence time to evaporate before reaching the cylinder, thereby enabling HCCI. The fourth and final part of the work involved engine experimentation with AAI, and combination of OptimEDI with AAI. Results with 20% EGR showed that 5 to 10% of AAI gave further reduction in NOx but not in soot. With experiments involving 48% EGR rate, there was soot reduction of 75% due to combined AAI-EDI. NOx was negligible due to the high EGR rate. Thus, the significant contribution of this work is in proving that combining AAI with EDI as a novel injection strategy leads to substantial NOx and soot reduction.

[ES] El principal desafío en los motores turbina de gas empleados en aviación reside en aumentar la eficiencia del ciclo termodinámico manteniendo las emisiones contaminantes por debajo de las rigurosas restricciones. Ésto ha conllevado la necesidad de diseñar nuevas estrategias de inyección/combustión que operan en puntos de operación peligrosos por su cercanía al límite inferior de apagado de llama. En este contexto, el concepto Lean Direct Injection (LDI) ha emergido como una tecnología prometedora a la hora de reducir los óxidos de nitrógeno (NOx) emitidos por las plantas propulsoras de los aviones de nueva generación. En este contexto, la presente tesis tiene como objetivos contribuir al conocimiento de los mecanismos físicos que rigen el comportamiento de un quemador LDI y proporcionar herramientas de análisis para una profunda caracterización de las complejas estructuras de flujo de turbulento generadas en el interior de la cámara de combustión. Para ello, se ha desarrollado una metodología numérica basada en CFD capaz de modelar el flujo bifásico no reactivo en el interior de un quemador LDI académico mediante enfoques de turbulencia U-RANS y LES en un marco Euleriano-Lagrangiano. La resolución numérica de este problema multi-escala se aborda mediante la descripción completa del flujo a lo largo de todos los elementos que constituyen la maqueta experimental, incluyendo su paso por el swirler y entrada a la cámara de combustión. Ésto se lleva a cabo través de dos códigos CFD que involucran dos estrategias de mallado diferentes: una basada en algoritmos de generación y refinamiento automático de la malla (AMR) a través de CONVERGE y otra técnica de mallado estático más tradicional mediante OpenFOAM. Por un lado, se ha definido una metodología para obtener una estrategia de mallado óptima mediante el uso del AMR y se han explotado sus beneficios frente a los enfoques tradicionales de malla estática. De esta forma, se ha demostrado que la aplicabilidad de las herramientas de control de malla disponibles en CONVERGE como el refinamiento fijo (fixed embedding) y el AMR son una opción muy interesante para afrontar este tipo de problemas multi-escala. Los resultados destacan una optimización del uso de los recursos computacionales y una mayor precisión en las simulaciones realizadas con la metodología presentada. Por otro lado, el uso de herramientas CFD se ha combinado con la aplicación de técnicas de descomposición modal avanzadas (Proper Orthogonal Decomposition and Dynamic Mode Decomposition). La identificación numérica de los principales modos acústicos en la cámara de combustión ha demostrado el potencial de estas herramientas al permitir caracterizar las estructuras de flujo coherentes generadas como consecuencia de la rotura de los vórtices (VBB) y de los chorros fuertemente torbellinados presentes en el quemador LDI. Además, la implementación de estos procedimientos matemáticos ha permitido tanto recuperar información sobre las características de la dinámica de flujo como proporcionar un enfoque sistemático para identificar los principales mecanismos que sustentan las inestabilidades en la cámara de combustión. Finalmente, la metodología validada ha sido explotada a través de un Diseño de Experimentos (DoE) para cuantificar la influencia de los factores críticos de diseño en el flujo no reactivo. De esta manera, se ha evaluado la contribución individual de algunos parámetros funcionales (el número de palas del swirler, el ángulo de dichas palas, el ancho de la cámara de combustión y la posición axial del orificio del inyector) en los patrones del campo fluido, la distribución del tamaño de gotas del combustible líquido y la aparición de inestabilidades en la cámara de combustión a través de una matriz ortogonal L9 de Taguchi. Este estudio estadístico supone un punto de partida para posteriores estudios de inyección, atomización y combus / [CA] El principal desafiament als motors turbina de gas utilitzats a la aviació resideix en augmentar l'eficiència del cicle termodinàmic mantenint les emissions contaminants per davall de les rigoroses restriccions. Aquest fet comporta la necessitat de dissenyar noves estratègies d'injecció/combustió que radiquen en punts d'operació perillosos per la seva aproximació al límit inferior d'apagat de flama. En aquest context, el concepte Lean Direct Injection (LDI) sorgeix com a eina innovadora a l'hora de reduir els òxids de nitrogen (NOx) emesos per les plantes propulsores dels avions de nova generació. Sota aquest context, aquesta tesis té com a objectius contribuir al coneixement dels mecanismes físics que regeixen el comportament d'un cremador LDI i proporcionar ferramentes d'anàlisi per a una profunda caracterització de les complexes estructures de flux turbulent generades a l'interior de la càmera de combustió. Per tal de dur-ho a terme s'ha desenvolupat una metodología numèrica basada en CFD capaç de modelar el flux bifàsic no reactiu a l'interior d'un cremador LDI acadèmic mitjançant els enfocaments de turbulència U-RANS i LES en un marc Eulerià-Lagrangià. La resolució numèrica d'aquest problema multiescala s'aborda mitjançant la resolució completa del flux al llarg de tots els elements que constitueixen la maqueta experimental, incloent el seu pas pel swirler i l'entrada a la càmera de combustió. Açò es duu a terme a través de dos codis CFD que involucren estratègies de mallat diferents: una basada en la generación automàtica de la malla i en l'algoritme de refinament adaptatiu (AMR) amb CONVERGE i l'altra que es basa en una tècnica de mallat estàtic més tradicional amb OpenFOAM. D'una banda, s'ha definit una metodologia per tal d'obtindre una estrategia de mallat òptima mitjançant l'ús de l'AMR i s'han explotat els seus beneficis front als enfocaments tradicionals de malla estàtica. D'aquesta forma, s'ha demostrat que l'aplicabilitat de les ferramente de control de malla disponibles en CONVERGE com el refinament fixe (fixed embedding) i l'AMR són una opció molt interessant per tal d'afrontar aquest tipus de problemes multiescala. Els resultats destaquen una optimització de l'ús dels recursos computacionals i una major precisió en les simulacions realitzades amb la metodologia presentada. D'altra banda, l'ús d'eines CFD s'ha combinat amb l'aplicació de tècniques de descomposició modal avançades (Proper Orthogonal Decomposition and Dynamic Mode Decomposition). La identificació numèrica dels principals modes acústics a la càmera de combustió ha demostrat el potencial d'aquestes ferramentes al permetre caracteritzar les estructures de flux coherents generades com a conseqüència del trencament dels vòrtex (VBB) i dels raigs fortament arremolinats presents al cremador LDI. A més, la implantació d'estos procediments matemàtics ha permès recuperar informació sobre les característiques de la dinàmica del flux i proporcionar un enfocament sistemàtic per tal d'identificar els principals mecanismes que sustenten les inestabilitats a la càmera de combustió. Finalment, la metodologia validada ha sigut explotada a traves d'un Diseny d'Experiments (DoE) per tal de quantificar la influència dels factors crítics de disseny en el flux no reactiu. D'aquesta manera, s'ha avaluat la contribución individual d'alguns paràmetres funcionals (el nombre de pales del swirler, l'angle de les pales, l'amplada de la càmera de combustió i la posició axial de l'orifici de l'injector) en els patrons del camp fluid, la distribució de la mida de gotes del combustible líquid i l'aparició d'inestabilitats en la càmera de combustió mitjançant una matriu ortogonal L9 de Taguchi. Aquest estudi estadístic és un bon punt de partida per a futurs estudis de injecció, atomització i combustió en cremadors LDI. / [EN] Aeronautical gas turbine engines present the main challenge of increasing the efficiency of the cycle while keeping the pollutant emissions below stringent restrictions. This has led to the design of new injection-combustion strategies working on more risky and problematic operating points such as those close to the lean extinction limit. In this context, the Lean Direct Injection (LDI) concept has emerged as a promising technology to reduce oxides of nitrogen (NOx) for next-generation aircraft power plants In this context, this thesis aims at contributing to the knowledge of the governing physical mechanisms within an LDI burner and to provide analysis tools for a deep characterisation of such complex flows. In order to do so, a numerical CFD methodology capable of reliably modelling the 2-phase nonreacting flow in an academic LDI burner has been developed in an Eulerian-Lagrangian framework, using the U-RANS and LES turbulence approaches. The LDI combustor taken as a reference to carry out the investigation is the laboratory-scale swirled-stabilised CORIA Spray Burner. The multi-scale problem is addressed by solving the complete inlet flow path through the swirl vanes and the combustor through two different CFD codes involving two different meshing strategies: an automatic mesh generation with adaptive mesh refinement (AMR) algorithm through CONVERGE and a more traditional static meshing technique in OpenFOAM. On the one hand, a methodology to obtain an optimal mesh strategy using AMR has been defined, and its benefits against traditional fixed mesh approaches have been exploited. In this way, the applicability of grid control tools available in CONVERGE such as fixed embedding and AMR has been demonstrated to be an interesting option to face this type of multi-scale problem. The results highlight an optimisation of the use of the computational resources and better accuracy in the simulations carried out with the presented methodology. On the other hand, the use of CFD tools has been combined with the application of systematic advanced modal decomposition techniques (i.e., Proper Orthogonal Decomposition and Dynamic Mode Decomposition). The numerical identification of the main acoustic modes in the chamber have proved their potential when studying the characteristics of the most powerful coherent flow structures of strongly swirled jets in a LDI burner undergoing vortex breakdown (VBB). Besides, the implementation of these mathematical procedures has allowed both retrieving information about the flow dynamics features and providing a systematic approach to identify the main mechanisms that sustain instabilities in the combustor. Last, this analysis has also allowed identifying some key features of swirl spray systems such as the complex pulsating, intermittent and cyclical spatial patterns related to the Precessing Vortex Core (PVC). Finally, the validated methodology is exploited through a Design of Experiments (DoE) to quantify the influence of critical design factors on the non-reacting flow. In this way, the individual contribution of some functional parameters (namely the number of swirler vanes, the swirler vane angle, the combustion chamber width and the axial position of the nozzle tip) into both the flow field pattern, the spray size distribution and the occurrence of instabilities in the combustion chamber are evaluated throughout a Taguchi's orthogonal array L9. Such a statistical study has supposed a good starting point for subsequent studies of injection, atomisation and combustion on LDI burners. / Belmar Gil, M. (2020). Computational study on the non-reacting flow in Lean Direct Injection gas turbine combustors through Eulerian-Lagrangian Large-Eddy Simulations [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159882 / TESIS