This thesis presents detailed fuel spray investigations relating to an automotive Gasoline Direct Injection (GDI) pressure-swirl injector, employing a combination of numerical and physical analyses. The emphasis is placed on the near-nozzle in recognition that all later flow processes are dominated by this critical region. To enable the technology to maximise its potential, it is essential to further our understanding of the fundamental flow physics that govern the injection process, which remain largely unknown. The complexity of the spray process has led to many avenues of research. Simplified models are particularly suitable for parametric studies, allowing fast computation of some of the most important design parameters, such as nozzle discharge coefficient, cone angle and initial velocity. More complex methods such as Computational Fluid Dynamics (CFD) offer significantly more detail including the temporal and spatial evaluation of the flow field and fuel distribution, but at the cost of often lengthy computational time, and the need to tune models against physical evidence. Unfortunately none are able to describe all aspects of the injection event simultaneously. A considerable body of existing experimental data gathered under atmospheric conditions has been condensed and carefully presented to provide a comprehensive picture of injector operation. This comprises global spray performance data, spray imaging, and droplet velocity and size maps as a function of time after the Start Of Injection (SOl). These serve to provide a means to develop physical models and to correlate model predictions. Particular attention is drawn to the challenges faced by numerical methods to successfully predict the complex spray behaviour. A fundamental computational study employing the Volume Of Fluid (VOF) method describes droplet break-up under controlled conditions. By varying the Weber number of the flow the expected break-up mechanisms are recovered, and the numerics and case set-up tuned to offer a practical balance between the resource burden and solution accuracy. This paved the way to a detailed 3-D transient analysis of the near-nozzle region of a pressure-swirl injector. Computed results clearly identify the consecutive phases of the fuel spray development, from the initial unsteady jet through to the stable, swirling hollow cone formation. Comparison with experimental measurements revealed that the computational approach is able to capture the main qualitative features of the spray process.

Afin de se rapprocher des conditions du mélange homogène du moteur essence, plusieurs fluides sont injectés dans l'atmosphère à une pression amont et une température variées. Cinq prototypes d'injecteurs réels trois-trous de Continental ont été utilisés. En augmentant la pression d'injection, l'écoulement passe par quatre régimes où le niveau de développement de cavitation varie. Le coefficient de décharge Cd dépend essentiellement du nombre de cavitation. Au point critique de cavitation, deux corrélations ont été obtenues reliant respectivement Cd et le nombre de cavitation critique au nombre de Reynolds correspondant. Le jet en champ proche est gouverné par trois nombres sans dimensions : celui de Weber, de Reynolds et de cavitation. L'effet de chacun d'eux sur l'angle du jet à la sortie a été obtenu. La comparaison des résultats entre deux injecteurs a montré que le rapport entre la longueur et le diamètre de l'orifice est d'une influence d'ordre 1 sur l'angle du jet. / In order to get closer to the homogeneous mixture conditions of a gasoline engine, different fluids are injected into the atmosphere at varying upstream pressure and temperature. Five three-hole real injector prototypes from Continental were used. When injection pressure is increased, the internal flow goes through four regimes where the cavitation development level varies from one to another. The discharge coefficient Cd was found mainly dependent on the cavitation number. At the cavitation critical point, two correlations between Cd and the critical cavitation number on one side respectively, and the correspondent Reynolds number on the other side were found. The near field jet is ruled by three dimensionless numbers : Weber, Reynolds and cavitation. The effect of each one of them on the jet angle at the orifice outlet was obtained. By comparing the results of two injectors, it was found that the length over diameter ratio has a first order influence on the jet angle.

No description available.

[ES] La inyección de combustible es, entre los temas de investigación de motores, una de las piezas críticas para obtener un motor eficiente. El papel es aún más significativo cuando se persigue una estrategia de inyección directa. La geometría interna y el movimiento de la aguja determinan el comportamiento del flujo del inyector, que se sabe que afecta enormemente al desarrollo externo del spray y, en última instancia, al rendimiento de la combustión dentro de la cámara. La conciencia sobre el cambio climático y los contaminantes ha ido creciendo, impulsando el esfuerzo en motores más limpios. En este sentido, los motores de gasolina tienen un margen más amplio para mejo- rar que los motores diesel. La evolución de los antiguos PFI a las modernas estrategias de inyección directa, que se utilizan en los motores de nueva generación, demuestra esta tendencia. Los sistemas GDI tienen el potencial de cumplir con las estrictas emisiones y aumentar el ahorro de combustible, sin embargo, todavía se enfrenta a muchos desafíos. Este trabajo implica el uso de dos inyectores, uno es una moderna tobera de GDI de investigación designada por el Engine Combustion Network (ECN), y el otro es una unidad de inyección de producción (PIU) con la misma tecnología y una geometría ligeramente diferente. Ambos equipos se someten a una completa caracterización (flujo interno y externo) que abarca las técnicas más avanzadas en diversas instalaciones experimentales. Además, se diseña y construye una nueva instalación para realizar experimentos en condiciones de evaporación instantánea (cuando la presión de vapor del combustible inyectado es superior a la presión del volumen de descarga). La instalación construida está diseñada para simular un ambiente de descarga en ciertas condiciones del motor en las que podrían producirse fenómenos de flash boiling. Así, debido a las propiedades típicas del combustible de gasolina, era un requisito operar con presiones de cámara de 0,2 a 15 bares. Además, la temperatura ambiente se controlaba mediante la implementación de una resistencia que puede calentar el gas ambiente. La instalación funciona en un bucle abierto, pudiendo renovar el volumen de gas entre las inyecciones. Por último, se construyeron tres amplios accesos ópticos para acomodar muchas técnicas de diagnóstico óptico como DBI, MIE, shadowgraphy o PDA, entre otros. Para la evaluación del flujo interno se determinó la geometría de las toberas y la orientación de los agujeros, el movimiento de la aguja y, por último, la caracterización del ratio de inyección (ROM) y el momento de inyección (ROI) de ambas toberas. La geometría de las toberas y la elevación de la aguja se midieron mediante técnicas avanzadas de rayos X en el Laboratorio Nacional de Argonne (ANL). Las mediciones de ROI y ROM se realizaron utilizando las instalaciones de CMT-Motores Térmicos siguiendo los conocimientos técnicos aplicados en los inyectores de gasóleo y adaptándolos a las toberas de GDI. El ROI nos permitió comparar las boquillas, cuyo número de orificios y geometría eran diferentes, aunque entregan aproximadamente la misma cantidad de combustible. Se ensayó la respuesta a condiciones típicas de motor como variaciones en la presión del rail, la presión de descarga, la temperatura del combustible, etc. Para el inyector de investigación "Spray G", se desarrolló un modelo 0-D de la velocidad de inyección que permite obtener la señal para diferentes condiciones y duración de la inyección, lo cual es útil para la calibración del motor y la validación del CFD. Además, para la caracterización de la ROM, se desarrolló la metodología de la técnica de deformación plástica para obtener la orientación del cono del spray y orientar adecuadamente los chorros de combustible para la medición de ROM. En el análisis hidráulico se combinaron los datos para estudiar los bajos valores del coeficiente de descarga y / [CA] La injecció de combustible és, entre els temes d'investigació de motors, una de les peces crítiques per a obtindre un motor eficient. El paper és encara més significatiu quan es persegueix una estratègia d'injecció directa. La geometria interna i el moviment de l'agulla determinen el comportament del flux de l'injector, que se sap que afecta enormement el desenvolupament extern de l'esprai i, en última instància, al rendiment de la combustió dins de la cambra. La consciència sobre el canvi climàtic i els contaminants ha anat creixent, impulsant l'esforç en motors més nets. En aquest sentit, els motors de gasolina tenen un marge més ampli per a millorar que els motors dièsel. L'evolució dels antics PFI a les modernes estratègies d'injecció directa, que s'utilitzen en els motors de nova generació, demostra aquesta tendència. Els sistemes GDI tenen el potencial de complir amb les estrictes emissions i aug- mentar l'estalvi de combustible, no obstant això, encara s'enfronta a molts desafiaments. Aquest treball implica l'ús de dos injectors, un és una moderna tovera de GDI d'investigació designada pel Engine Combustion Network (ECN), i l'altre és una unitat d'injecció de producció (PIU) amb la mateixa tecnologia i una geometria lleugerament diferent. Tots dos equips se sotmeten a una completa caracterització (flux intern i extern) que abasta les tècniques més avançades en diverses instal·lacions experimentals. A més, es dissenya i construeix una nova instal·lació per a realitzar experiments en condicions d'evaporació instantània (quan la pressió de vapor del combustible injectat és superior a la pressió del volum de descàrrega). La instal·lació construïda està dissenyada per a simular un ambient de descàrrega en certes condicions del motor en les quals podrien produir-se fenòmens de flash boiling. Així, a causa de les propietats típiques del combustible de gasolina, era un requisit operar amb pressions de cambra de 0,2 a 15 bars. A més, la temperatura ambient es controlava mitjançant la implementació d'una resistència que pot calfar el gas ambiente. La instal·lació funciona en un bucle obert, podent renovar el volum de gas entre les injeccions. Finalment, es van construir tres amplis accessos òptics per a acomodar moltes tècniques de diagnòstic òptic com DBI, MIE, shadowgraphy o PDA, entre altres. Per a l'avaluació del flux intern es va determinar la geometria de les toveres i l'orientació dels forats, el moviment de l'agulla i, finalment, la caracterització del ràtio d'injecció (ROM) i el moment d'injecció (ROI) de totes dues toveres. La geometria de les toveres i l'elevació de l'agulla es van mesurar mitjançant tècniques avançades de raigs X en el Laboratori Nacional de Argonne (ANL). Els mesuraments de ROI i ROM es van realitzar utilitzant les instal·lacions de CMT-Motores Térmicos seguint els coneixements tècnics aplicats en els injectors de gasoil i adaptant-los a les toveres de GDI. El ROI ens va permetre comparar els filtres, el nombre d'orificis dels quals i geometria eren diferents, encara que entreguen aproximadament la mateixa quantitat de combustible. Es va assajar la resposta a condicions típiques de motor com a variacions en la pressió del rail, la pressió de descàrrega, la temperatura del combustible, etc. Per a l'injector d'investigació "Esprai G", es va desenvolupar un model 0-D de la velocitat d'injecció que permet obtindre el senyal per a diferents condicions i duració de la injecció, la qual cosa és útil per al calibratge del motor i la validació del CFD. A més, per a la caracterització de la ROM, es va desenvolupar la metodologia de la tècnica de deformació plàstica per a obtindre l'orientació del con de l'esprai i orientar adequadament els dolls de combustible per al mesurament de ROM. En l'anàlisi hidràulica es van combinar les dades per a estudiar els baixos valors del coeficient de descàrrega i del coeficient d'àr / [EN] Fuel injection is among the engine research topics one of the critical pieces to obtain an efficient engine. The role is even more significant when a direct injection strategy is pursued. The internal geometry and pintle movement determine the injector flow behavior, which is known to hugely affect the external spray development and, ultimately, the combustion performance inside the chamber. Climate change and pollutants awareness has been growing, pushing forward the effort on cleaner engines. In this regard, gasoline en- gines have a wider margin to improve than diesel engines. The evolution from old Port Fuel Injectors to modern direct injection strategies, which are used in new generation engines, demonstrates this trend. GDI systems have the potential to comply with stringent emissions and increase fuel economy, however, it still faces many challenges. This work involves the use of two injectors, one is a modern research GDI nozzle appointed by the Engine Combustion Network (ECN), and the other is a production injector unit (PIU) with the same technology and slightly different geometry. Both hardware's undergo a complete characterization (internal and external flow) covering the state- of-the-art techniques in various experimental facilities. Furthermore, a new facility is designed and built to perform experiments under flash boiling conditions (when the fuel injected's vapor pressure is higher than the pressure in the discharge volume). The developed facility is designed to simulate a discharge ambient at certain engine conditions in which flash boiling phenomena could occur. Thus, due to typical gasoline fuel properties, it was a requirement to operate from chamber pressures from 0.2 bar to 15 bar. Also, the ambient temperature was controlled by implementing a resistor that can heat the ambient gas. The facility operates in an open loop, being able to renovate the gas volume between injections. Finally, three wide optical accesses were built to accommodate many optical diagnostic techniques such as DBI, MIE, shadowgraphy, or PDA, among others. For the internal flow description, it was determined the nozzles geometry and holes orientation, the pintle movement, and finally, the characterization of the rate of momentum (ROM) and rate of injection (ROI) of both nozzles. The nozzles geometry and needle lift were measured using advanced optical x-ray techniques at Argonne National Laboratory (ANL). The ROI and ROM measurements were performed using CMT-Motores Térmicos facilities follow- ing the know-how applied in diesel injectors and adapting it to GDI nozzles. The ROI allowed us to compare the nozzles, whose orifices number and geometry were different, although they deliver approximately the same amount of fuel. It was tested their response to typical boundary conditions such as rail pressure, discharge pressure, fuel temperature, etc. For the research nozzle "Spray G", it was developed a 0-D model of the rate of injection allowing to obtain the signal for different injection duration and conditions, which is useful in engine calibration and CFD validation. Furthermore, for the ROM characterization, the plastic deformation technique methodology was developed to obtain spray cone orientation and adequately guide the fuel jets for measuring ROM. The hydraulic analysis combined the data to study the low discharge coefficient and area coefficient values, which could result from low needle lift combined with novel hole designs in both nozzles that promote cavitation and air interaction from inside the orifice. In the external flow characterization, it was used the new developed vessel to study the external spray covering flash boiling conditions. It was employed four surrogate fuels to simulate different volatility properties of gasoline com- pounds and ultimately reproduce more extreme flashing conditions. It was used lateral visualization using DBI and Schlieren in addition to frontal MIE visualization. Some of t / Bautista Rodríguez, A. (2021). Study of the Gasoline Direct Injection Process under Novel Operating Conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/167809

[pt] O desenvolvimento de um motor de quatro tempos, de ignição por centelha, com injeção direta de combustível dentro da câmara de combustão foi uma iniciativa importante para o mercado automobilístico mundial. O potencial termodinâmico deste tipo de motor e sua notória melhoria na economia de combustível têm feito com que a tecnologia seja foco de um grande número de projetos de pesquisa, com o objetivo de entender, desenvolver e aperfeiçoar o sistema de injeção direta de combustível. No entanto, para atender aos novos limites de emissões estabelecidas pela especificação EURO 5, foi necessária uma reavaliação do projeto da geometria do injetor, o que ocasionou no desenvolvimento de um novo componente com um maior número de furos e com uma redução do diâmetro dos mesmos (injetor multifuros). Essa alteração no projeto visa garantir uma melhor pulverização, otimização da relação ar/combustível e, consequentemente, um melhor processo de queima na câmara de combustão, atendendo dessa forma os limites de emissões estabelecidos pela diretriz normativa vigente. Os processos de preparação da mistura, injeção, vaporização e controle do escoamento de ar dentro do cilindro têm sido as principais fontes de publicações de periódicos que estudam o sistema de injeção direta. O presente trabalho, por sua vez, tem por finalidade avaliar a formação de depósitos de compostos inorgânicos nos injetores, provenientes da utilização de combustíveis formulados com diferentes teores de sulfato. O motor utilizado para execução dos testes foi o EP6CDT da PSA Peugeot Citroen. No estudo foram realizados ensaios em bancada de testes e em veículos (estrada e dinamômetro). Outros veículos com a mesma tecnologia, disponíveis no mercado brasileiro, também foram testados. As variáveis avaliadas durante o projeto foram: a composição química de diferentes combustíveis, fator de correção do tempo de injeção (FRA) e a vazão através dos bicos injetores no decorrer dos testes. Os estudos indicaram que a mudança na geometria dos injetores, somada a composição das gasolinas nacionais testadas, originou a formação dos depósitos que será discutida ao longo deste trabalho. / [en] The development of a four-stroke engine, spark ignition, with direct injection of fuel into the combustion chamber was an important initiative for the global automotive market. The thermodynamic potential of this type of engine and its significant improvement in fuel economy have meant this technology as focus of a large number of research projects, with the objective to understand, develop and improve the system of direct fuel injection. However, to meet new emission limits set by Euro 5 specification, it was necessary to reevaluate the geometry design of the injector, which resulted in the development of a new component with a larger number of holes and with a diameter reduction (multi-holes injector). This change in the project aims to ensure a better spray, optimizing air / fuel ratio and, consequently, a better process of combustion inside the combustion chamber, satisfying the emission limits established by the applicable norms. The processes for preparing the mixture, injection, atomization and air flow control inside the cylinder have been the main source of periodic publications that study the direct injection system. Therefore, this paper purpose is to evaluate the formation of inorganic deposits in the injectors using fuels formulated with different amounts of sulfate. The engine used for running the tests was the EP6CDT of PSA Peugeot Citroen. For this study one has performed tests on test bench and in vehicles (road and dynamometer). Other vehicles, with the same technology available in Brazil, were also tested. The variables evaluated during the project were: the chemical composition of different fuels, the correction factor from the injection time (FRA) and flow through the injectors during the tests. This study has indicated that the injector geometry modification, coupled with tested compositions of gasoline, resulted in the formation of deposits that will be discussed throughout this work.

De nombreux procédés actuels mettent en jeu des écoulements diphasiques (sprays agricoles, pharmaceutiques, peinture...). Néanmoins, la connaissance des mécanismes régissant les interactions entre les phases (entraînement, modification des trajectoires des particules, transfert d'énergie...) est encore incomplète, notamment lors de l'injection directe essence, qui représente le cadre de cette étude. Dans cette étude expérimentale, les dynamiques instantanées des deux phases sont étudiées dans un plan pour mettre en évidence les interactions aérodynamiques entre les phases. Pour ce faire, un diagnostic de FPIV diphasique, utilisant un colorant fluorescent pour chaque phase, est développé afin d'acquérir simultanément des images séparées de chaque phase sur deux caméras indépendantes. Ainsi, les vitesses instantanées et simultanées des deux phases sont mesurées sans recourir à un prétraitement des images. Dans un premier temps, ce diagnostic optique est appliqué à la caractérisation d'une injection dans un gaz au repos. L'injection du spray met en mouvement le gaz par le biais d'un transfert de quantité de mouvement du spray vers le gaz. La dispersion des gouttes du spray et le mélange des deux phases qui résultent de ces transferts d'énergie cinétique dépendent du type de spray et également de la pression d'injection. Dans un second temps, ces interactions sont étudiées dans un moteur monocylindre transparent. La comparaison entre les fonctionnements avec et sans injection indique un impact notable de la présence du spray sur l'aérodynamique interne par le développement de nouvelles structures et la modification des caractéristiques du tumble. L'aérodynamique interne du moteur modifie également le développement du spray en comparaison de l'injection dans un gaz au repos. / Two-phase flows are involved in numerous actual industrial processes (agriculture, pharmacy, painting...). However, the complex interactions between phases (entrainment, particle trajectory modification, energy transfer...) are not well understood, especially for the gasoline direct injection, which represents the context of this study. For this experimental study, instantaneous dynamics of both phases are studied in a plan to highlight the aerodynamic interactions between phases. To achieve that, a two-phase FPIV diagnostic, based on using a fluorescent dye for each phase, is developed to simultaneously acquire separated images of each phase on two independent cameras. Instantaneous and simultaneous velocities of both phases are measured without any image pre-processing. Firstly, this optical diagnostic is applied to the characterisation of a spray injection in a gas at rest. The spray drags the gas by a momentum transfer from spray to gas. The spray droplet dispersion and the mixture between the two phases, which result from this kinetic energy transfer, depend on the spray topology and the injection pressure. Then, these interactions are studied in a transparent monocylinder engine. The comparison between cycles with and without injection reveals a significant impact of the spray presence on the internal aerodynamic through the development of new structures and the modification of tumble characteristics. The internal aerodynamic also modifies the spray development in comparison to the injection in a gas at rest.

[ES] Esta tesis doctoral se encuadra en el contexto de una creciente concienciación y preocupación en la sociedad por la contaminación y su efecto sobre la salud de las personas, así como la influencia de los gases de efecto invernadero en el cambio climático. En este sentido, el sector transporte no ha sido una excepción, y se ha legislado para regular tanto las emisiones contaminantes como las de efecto invernadero de manera cada vez más estricta, retando continuamente a las empresas del sector y fabricantes de motores a aumentar la eficiencia y limpieza de sus sistemas propulsivos. Este trabajo tiene por objetivo estudiar el impacto que tienen distintos sistemas de recirculación de gases de escape (exhaust gas recirculation o EGR) en un motor de encendido provocado, de inyección directa, sobrealimentado, con distribución variable y dentro de la tendencia del downsizing. Cabe resaltar que el motor bajo estudio es un modelo sin EGR empleado actualmente en aplicaciones de transporte por carretera de turismos utilitarios, por lo que el proyecto ha estado en todo momento ligado a la actualidad del sector, y los avances y descubrimientos de los estudios aquí presentados pueden resultar de una enorme utilidad y ser empleados en aplicaciones reales. Estos sistemas de recirculación de gases de escape pretenden aumentar la eficiencia de los motores de encendido provocado con el objetivo de reducir la desventaja que estos presentan con respecto a los motores de encendido por compresión, mientras que se mantienen los niveles de emisiones. Dicha desventaja en eficiencia radica principalmente en una menor relación de compresión del motor de encendido provocado para evitar la autoignición y en el uso del dosado estequiométrico para el correcto funcionamiento del postratamiento. / [CA] Aquesta tesi doctoral s'enquadra en el context d'una creixent conscienciació i preocupació en la societat per la contaminació i el seu efecte sobre la salut de les persones, així com la inuència dels gasos d'efecte d'hivernacle en el canvi climàtic. En aquest sentit, el transport no ha sigut una excepció, i s'ha legislat per a regular tant les emissions contaminants com les d'efecte d'hivernacle de manera cada vegada més estricta, reptant contínuament a les empreses del sector i fabricants de motors a augmentar l'eficiència dels seus sistemes propulsius. Aquest treball té per objectiu estudiar l'impacte que tenen diferents sistemes de recirculació de gasos d'escapament (exhaust gas *recirculation o EGR) en un motor d'encesa provocada, d'injecció directa, sobrealimentat, amb distribució variable i dins de la tendència del downsizing. Cal ressaltar que el motor sota estudi és un model sense EGR empleat actualment en aplicacions de transport per carretera de turismes utilitaris, per la qual cosa el projecte ha estat en tot moment lligat a l'actualitat del sector, i els avanços i descobriments dels estudis presentats poden resultar d'una enorme utilitat i ser emprats en aplicacions reals. Aquests sistemes de recirculació de gasos d'escapament pretenen augmentar l'eficiència dels motors d'encesa provocada amb l'objectiu de reduir el desavantatge que aquests presenten respecte als motors d'encesa per compressió, mantenint els nivells d'emissions. Aquest desavantatge en eficiència radica principalment en una menor relació de compressió del motor d'encesa provocada per a evitar l'autoignició i en l'ús del dosatge estequiomètric per al correcte funcionament del postractament / [EN] This PhD-Thesis is framed in the context of a growing awareness and concern in society about pollution and its effect on people's health, as well as the influence of greenhouse gases on climate change. In this sense, transportation has not been an exception, and legislation has been reated to regulate both polluting emissions and greenhouse gases in an increasingly strict manner, continually challenging companies in the sector and engine manufacturers to increase efficiency and cleanliness of their propulsive systems. The objective of this work is to study the impact that different exhaust gas recirculation (EGR) systems have on a spark ignition, direct injection, turbocharged engine, with a variable timing and within the downsizing trend. It should be noted that the engine under study is mass-produced without EGR and is currently used in passenger utility cars, so the project has been always linked to current events in the sector, and the advances and discoveries of the studies presented here can be useful in real applications. These exhaust gas recirculation systems aim to increase the efficiency of spark ignition engines, reducing the disadvantage they present with respect to compression ignition engines, while maintaining emission levels. Said disadvantage in efficiency lies mainly in a lower compression ratio in order to avoid autoignition and in the use of stoichiometric operation for the optimal operation of the aftertreatment system. / Pitarch Berná, R. (2023). Study of different Exhaust Gas Recirculation Configurations and their Impact on Turbocharged Spark Ignition Engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/198094

[ES] A medida que aumenta la conciencia climática y se buscan reducir las emisiones globales, se están realizando esfuerzos para producir tecnologías que permitan desarrollar motores más limpios y amigables con el medio ambiente. Los sistemas GDI (inyección directa de gasolina) tienen el potencial de cumplir con los cada vez más estrictos estándares de emisiones y, al mismo tiempo, mejorar el consumo de combustible. El espacio limitado dentro de la cámara de combustión hace que el impacto del chorro con la pared sea un fenómeno común en los motores de inyección directa de gasolina. Este fenómeno tiene un efecto significativo en el desarrollo del chorro y su interacción con el aire en la cámara. En condiciones de arranque en frío, las bajas presiones y temperaturas en la cámara facilitan la deposición del combustible en la superficie del pistón, lo que conduce a un aumento considerable en la formación de hollín y en los hidrocarburos sin quemar. Esta tesis busca proporcionar información sobre las características más relevantes de la interacción chorro-pared en sistemas de inyección directa de gasolina en condiciones de arranque en frío y otras condiciones evaporativas. Para ello, se utilizó una pared plana ubicada a diferentes distancias de impacto y ángulos con respecto a la punta del inyector. Se empleó un inyector solenoide fabricado por Continental y el inyector "Spray G", utilizando iso-octano como combustible inyectado. El estudio se llevó a cabo en diversas instalaciones experimentales cubriendo varias técnicas ópticas. El estudio de la interacción chorro-pared se llevó a cabo utilizando tres campañas experimentales. En la primera, se utilizó una pared de cuarzo transparente para analizar las características macroscópicas del chorro al impactar la pared, observándola lateral y frontalmente con el uso de tres cámaras de alta velocidad gracias a los accesos ópticos de la instalación experimental. En la segunda, se empleó una pared termorregulada de acero inoxidable para medir el efecto que tienen las condiciones de operación y ambientales sobre la transferencia de calor entre la pared y el chorro durante el evento de inyección de combustible. Se observó que la penetración del chorro libre y el desarrollo del chorro sobre la pared son influenciados por la presión de inyección y el ángulo de inclinación de la pared. El ancho del chorro medido después del impacto fue afectado principalmente por la distancia entre el inyector y la pared y por el ángulo de la pared pero más aún por la distancia respecto al punto de impacto sobre la cual fue medida. La semi área de impacto es susceptible a cambios en el ángulo de la pared y la distancia inyector-pared teniendo un papel fundamental en el arrastre de aire entre el chorro y el ambiente. No se encontraron diferencias significativas entre las fases líquida y vapor tanto para la penetración de chorro libre como para el desarrollo del chorro sobre la pared a temperatura ambiente. Por el contrario, con la pared calentada, se obtuvieron diferencias entre la fase líquida y vapor, destacando la contribución de la evaporación de combustible causada por el incremento en la temperatura de la pared. Respecto a la pared instrumentada, tanto la temperatura del combustible como de la pared produjeron los picos más significativos en términos del flujo de calor superficial. Órdenes de magnitud similares respecto al flujo de calor superficial fueron encontrados entre las campañas experimentales de la pared instrumentada y la termografía infrarroja. La aparición del flash boiling en condiciones de menor contrapresión ambiental y mayor temperatura del combustible modificó la morfología del chorro en términos de anchura , lo que tuvo repercusiones significativas en el parámetro R (que depende de la penetración del chorro) y en el número de gotas de líquido presentes en el chorro, afectando tanto a los perfiles de extinción de la luz como a los perfiles del flujo de calor superficial. / [CA] A mesura que augmenta la consciència climàtica i es busquen reduir les emissions globals, s'estan fent esforços per a produir tecnologies que permeten desenvolupar motors més nets i amigables amb el medi ambient. Els sistemes GDI (injecció directa de gasolina) tenen el potencial de complir amb els estrictes estàndards d'emissions i, al mateix temps, millorar el consum de combustible. L'espai limitat dins de la cambra de combustió fa que l'impacte del doll amb la paret siga un fenomen comú en els motors d'injecció directa de gasolina. Aquest fenomen té un efecte significatiu en el desenvolupament del doll i la seua interacció amb l'aire en la cambra. La interacció doll-paret és un fenomen interessant i difícil de comprendre que ocorre durant el procés de combustió. En condicions d'arrancada en fred, les baixes pressions i temperatures en la cambra faciliten la deposició del combustible en la superfície del pistó, la qual cosa condueix a un augment considerable en la formació de sutge i en els hidrocarburs sense cremar. Aquesta tesi busca proporcionar informació sobre les característiques més rellevants de la interacció doll-paret en sistemes d'injecció directa de gasolina en condicions d'arrancada en fred i altres condicions evaporatives. Per a això, es va utilitzar una paret plana situada a diferents distàncies d'impacte i angles respecte a la punta de l'injector. Es va emprar un injector solenoide fabricat per Continental i l'injector "Spray G", utilitzant iso-octà com a combustible injectat. L'estudi es va dur a terme en diverses instal·lacions experimentals cobrint diverses tècniques òptiques. L'estudi de la interacció doll-paret es va dur a terme utilitzant tres campanyes experimentals. En la primera, es va utilitzar una paret de quars transparent per a analitzar les característiques macroscòpiques del doll en impactar la paret, observant-la lateral i frontalment amb l'ús de tres càmeres d'alta velocitat gràcies als accessos òptics de la instal·lació experimental. En la segona, es va emprar una paret termorregulada d'acer inoxidable per a mesurar l'efecte que tenen les condicions d'operació i ambientals sobre la transferència de calor entre la paret i el doll durant l'esdeveniment d'injecció de combustible. Es va observar que la penetració del doll lliure i el desenvolupament del doll sobre la paret són influenciats per la pressió d'injecció i l'angle d'inclinació de la paret. L'ample del doll mesurat després de l'impacte va ser afectat principalment per la distància entre l'injector i la paret i per l'angle de la paret però més encara per la distància respecte al punt d'impacte sobre la qual va ser mesurada. La semi àrea d'impacte és susceptible a canvis en l'angle de la paret i la distancia injector-paret tenint un paper fonamental en l'arrossegament d'aire entre el doll i l'ambient. No es van trobar diferències significatives entre les fases líquida i vapor tant per a la penetració de doll lliure com per al desenvolupament del doll sobre la paret a temperatura ambient. Per contra, amb la paret calfada, es van obtindre diferències entre la fase líquida i vapor, destacant la contribució de l'evaporació de combustible causada per l'increment en la temperatura de la paret. Respecte a la paret instrumentada, tant la temperatura del combustible com de la paret van produir els pics més significatius en termes del flux de calor superficial. Ordres de magnitud similars respecte al flux de calor superficial van ser trobats entre les campanyes experimentals de la paret instrumentada i la termografia infraroja. L'aparició del flaix boiling en condicions de menor contrapressió ambiental i major temperatura del combustible va modificar la morfologia del doll en termes d'amplària, la qual cosa va tindre repercussions significatives en el paràmetre R i en el nombre de gotes de líquid presents en el doll, afectant tant els perfils d'extinció de la llum com als perfils del flux de calor superfial. / [EN] Fuel injection is one of the most important factor that must be considered to achieve cleaner and more efficient internal combustion engines. Its role is more evident when direct injection strategies are used. As awareness of climate change and global emission reduction policies increase, efforts are being made to develop new technologies that enable cleaner and more environmentally friendly engines. The gasoline direct injection systems can fulfill strict emission standards and improve fuel consumption. Because of the space constraints inside the combustion chamber for spray penetration, collision and interaction with the wall are common events in direct injection engines, considerably influencing spray formation and air-spray interaction inside the chamber. In cold-start engine conditions, the lower injection pressures and temperatures in the combustion chamber enhance the fuel deposition over the piston surface, incrementing the soot and the unburned hydrocarbon formation. The present work highlights the fundamental aspects of the spray-wall interaction for the gasoline direct injection (GDI) system under cold-start and other evaporative conditions. For that, a flat wall is located several distances and at different wall angles to the injector tip. Also, this thesis involves using a solenoid injector produced by Continental and the well-known "Spray G" injector using iso-octane as injected fuel covering several techniques and experimental facilities. To analyze the spray-wall interaction, three experimental approaches were used: The first used three high-speed cameras and a quartz wall inside the test rig vessel to study the macroscopic characteristics of the spray, which was observed lateral and frontal by using the optical accesses of the vessel. The second approach used a stainless steel wall to catch the effect of the operating and ambient conditions over the heat flux between the wall and the spray during the fuel injection event and determine how the spray development is affected by the cold-start realistic engine conditions and other evaporative conditions that were included in the test matrix. This wall was coupled with sensors to control the initial surface temperature and to compute the temperature variation in time and the surface heat flux using high-speed thermocouples. The spray under free-jet conditions was also analyzed as a comparison point with the spray-wall interaction conditions. The free spray penetration and the spray spreading over the wall were influenced mainly by the injection pressure and the wall angle. The spray thickness measured after the SWI was affected primarily by the wall-to-tip distance and the wall angle but even more by the distance from the impact point in which it is measured. The semi-circle impact area was susceptible to wall angles and wall-to-tip distance variations, essential in the spray-air entrainment. No remarkable differences were found between the liquid and vapor phases for the free jet or the isothermal wall configuration. In contrast, some differences were obtained for the instrumented and thermoregulated wall, remarking the contribution of fuel evaporation caused by the wall temperature increase. Regarding the thermoregulated wall, the fuel and wall temperatures produced the most important peaks in terms of surface heat flux. A similar order of magnitude regarding the surface heat flux was found between the thermoregulated wall and infrared thermography experimental campaigns. The flash boiling appearance for the lower ambient back pressure and higher fuel temperature condition changed the spray morphology in terms of the width (spray angle), having significant repercussions over the R-parameter (which depends on the spray penetration) and in the number of liquid droplets present in the spray affecting both the light extinction profiles and the surface heat flux profiles. / Esta tesis se ha desarrollado en el marco de una ayuda para la Formación de Personal Investigador (FPI) Subprograma 1 (PAID-01-19) financiada por la Universitat Politècnica de València. / Carvallo García, CL. (2023). Experimental study of the behavior of gasoline direct injection GDI sprays during wall impingement under realistic engine conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/195027

[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