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

[ES] Las emisiones de CO2 en el sector transporte se han incrementado considerablemente durante los últimos años debido al desarrollo económico mundial. El crecimiento de las flotas de transporte, junto con otros factores, ha contribuido al desequilibrio del ciclo de carbono del planeta. Es por ello que el CO2 se considera un gas de efecto invernadero de origen antropogénico que debe ser reducido para evitar el calentamiento global. Las estrategias para reducir el CO2 en el sector transporte están enfocadas a la electrificación y al uso de combustibles neutros o de bajo impacto al ambiente. Sin embargo, una efectiva implementación de esta última requiere un profundo entendimiento de la combustión con tales combustibles. En la presente tesis doctoral, se ha caracterizado experimentalmente la combustión de diferentes tipos de combustibles, entre ellos, algunos de bajo impacto en emisiones de CO2 como lo son el Aceite Vegetal Hidrotratado (HVO) y dos éteres de oximetileno (OME1 y OMEx).Además, por su potencial en la reducción de contaminantes se han evaluado mezclas de diésel y gasolina y de HVO y Gas Licuado de Petróleo (LPG), lo que requirió adecuar el sistema de inyección para evitar la evaporación a lo largo de la línea. Todos estos combustibles y mezclas han sido inyectados con una tobera mono-orificio y han sido evaluados mediante técnicas de visualización a alta velocidad bajo diferentes condiciones termodinámicas típicas de un motor de encendido por compresión operando en condiciones de combustión a baja temperatura, en instalaciones con accesos ópticos. Se ha analizado el efecto de las propiedades físico químicas de estos combustibles y mezclas sobre los parámetros característicos de un chorro como lo son la longitud líquida y la penetración de vapor. La combustión ha sido evaluada mediante la caracterización del tiempo de retraso, de la liberación de calor y la longitud del despegue de la llama, que viene condicionada por el proceso de mezcla. Igualmente, el estudio de la formación de hollín en función de las propiedades del combustible y de las características del proceso de mezcla, representa un aporte importante de esta tesis. En adición a los beneficios en reducción de CO2 que brindan los combustibles y mezclas utilizados en este estudio, estos también redujeron la formación de hollín en la cámara de combustión, destacándose entre ellos los combustibles oxigenados, especialmente el OMEx que además de no formar hollín, fue el de mayor reactividad en todas las condiciones de operación evaluadas. / [CA] Les emissions de CO2 en el sector transport s'han incrementat considerablement durant els últims anys a causa del desenvolupament econòmic mundial. El creixement de les flotes de transport, juntament amb altres factors, ha contribuït al desequilibri del cicle de carboni del planeta. És per això, que el CO2 es considera un gas d'efecte hivernacle d'origen antropogènic que ha de ser reduït per evitar l'escalfament global. Les estratègies per reduir el CO2 dins el sector transport, estan enfocades a l'electrificació i a l'ús de combustibles neutres o de baix impacte ambiental. No obstant això, una efectiva implementació d'aquesta última, requereix un profund coneixement del procés de combustió d'aquests combustibles. En la present tesi doctoral, s'ha caracteritzat experimentalment la combustió de diferents tipus de combustibles, entre ells, alguns de baix impacte en emissions de CO2 com són l'Oli Vegetal Hidrotratat (HVO) i dos èters de oximetileno (OME1 i OMEx) .A més , degut al seu alt potencial en la reducció de contaminants, s'han avaluat mescles de dièsel i gasolina, i de HVO i Gas Liquat de Petroli (LPG), el que va requerir adequar el sistema d'injecció per evitar l'evaporació al llarg de la línia. Tots aquests combustibles i mescles han estat injectats amb una tovera mono-orifici i han estat avaluats mitjançant tècniques de visualització a alta velocitat a través dels accessos òptics del que disposa la instal·lació. Les diferents condicions termodinàmiques utilitzades son típiques d'un motor d'encesa per compressió operant en condicions de combustió a baixa temperatura. S'ha analitzat l'efecte de les propietats fisicoquímiques d'aquests combustibles i de les mescles sobre els paràmetres característics d'un raig com són la longitud líquida i la penetració de vapor. La combustió ha estat avaluada mitjançant la caracterització del temps de retard, de l'alliberació de calor i de la longitud de l'enlairament de la flama que ve condicionada pel procés de mescla. A més, l'estudi de la formació de sutge en funció de les propietats del combustible i de les característiques del procés de mescla, representa una aportació important d'aquesta tesi evidenciant que a més dels beneficis en reducció de CO2 que brinden tots aquests combustibles i mescles, també varen reduir la formació de sutge a la cambra de combustió, destacant-se entre ells els combustibles oxigenats, especialment el OMEx, que a més de no formar sutge, va ser el de major reactivitat en totes les condicions d'operació avaluades. / [EN] CO2 emissions in the transport sector have increased considerably in recent years due to global economic development. The growth of transport fleets, along with other factors, has contributed to the imbalance of the planet's carbon cycle. For that, CO2 is considered a greenhouse gas from anthropogenic origin that must be reduced to avoid global warming. Strategies to reduce CO2 in the transport sector are focused on electrification and the use of neutral fuels or those with a low impact on the environment. However, an effective implementation of the latter requires a deep understanding of the combustion with those fuels. In this doctoral thesis, the combustion of different types of fuels has been experimentally characterized, including some with low impact on CO2 emissions such as Hydrotreated Vegetable Oil (HVO) and two oxymethylene ethers (OME1 and OMEx). Furthermore, due to their potential in reducing pollutants, blends of diesel and gasoline and HVO and Liquefied Petroleum Gas (LPG) have also been evaluated, which required adapting the injection system to avoid evaporation along the injection line. All these fuels and blends have been injected with a single-hole nozzle and they have been evaluated using high speed visualization techniques under different thermodynamic conditions typical of a compression ignition engine operating under low-temperature combustion conditions in installations with optical accesses. The effect of the physical-chemical properties of these fuels and blends on the characteristic parameters of a jet, such as the liquid length and the vapor penetration, has been analyzed. Combustion has been evaluated by characterizing the ignition delay, the heat release and the flame Lift-off length that is conditioned by the mixing process. Furthermore, the study of soot formation based on the fuel properties and the characteristics of the mixing process represents an important contribution of this thesis, showing that in addition to the benefits in CO2 reduction provided by the different fuels and blends used in this study, these fuels also reduced the soot formation in the combustion chamber, highlighting among them the oxygenated fuels, especially OMEx which, in addition to not forming soot, was the most reactive in all conditions of operation evaluated. / This research has been partly funded by the Government of Spain and FEDER under TRANCO project (TRA2017-87694-R), by the European Union’s Horizon 2020 Programme through the ENERXICO project, grant agreement n° 828947, and from the Mexican Department of Energy, CONACYT-SENER Hidrocarburos grant agreement n° B-S-69926 and by Universitat Politècnica de València through the Programa de Ayudas de Investigación y Desarrollo (PAID-01-18 and PAID-06-18). / García Carrero, AA. (2021). Experimental Study of the Fuel Effect on Diffusion Combustion and Soot Formation under Diesel Engine-Like Conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/179997 / TESIS

Spark ignited engines are still important for conventional as well as for hybrid power trains and are thus objective to optimization. Today a lot of functionalities arise from software solutions, which have to be calibrated. Modern engine technologies provide an extensive variability considering their valve train, fuel injection and load control. Thus, calibration efforts are really high and shall be reduced by introduction of virtual methods. In this work a physical 0D combustion model is set up, which can cope with a new generation of spark ignition engines. Therefore, at first cylinder thermodynamics are modeled and validated in the whole engine map with the help of a real-time capable approach. Afterwards an up to date turbulence model is introduced, which is based on a quasi-dimensional k-epsilon-approach and can cope with turbulence production from large scale shearing. A simplified model for ignition delay is implemented which emphasizes the transfer from laminar to turbulent flame propagation after ignition. The modeling is completed with the calculation of overall heat release rates in a 0D entrainment approach with the help of turbulent flame velocities. After validation of all sub-models, the 0D combustion prediction is used in combination with a 1D gas exchange analysis to virtually calibrate the modern engine torque structure and the ECU function for exhaust gas temperature with extensive simulations. / Moderne Ottomotoren spielen heute sowohl in konventionellen als auch hybriden Fahrzeugantrieben eine große Rolle. Aktuelle Konzepte sind hochvariabel bezüglich Ventilsteuerung, Kraftstoffeinspritzung und Laststeuerung und ihre Optimierungspotentiale erwachsen zumeist aus neuen Softwarefunktionen. Deren Applikation ist zeit- und kostenintensiv und soll durch virtuelle Methoden unterstützt werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein physikalisches 0D Verbrennungsmodell für Ottomotoren aufgebaut und bis zur praktischen Anwendung geführt. Dafür wurde zuerst die Thermodynamik echtzeitfähig modelliert und im gesamten Motorenkennfeld abgeglichen. Der Aufbau eines neuen Turbulenzmodells auf Basis der quasidimensionalen k-epsilon-Gleichung ermöglicht anschließend, die veränderlichen Einflüsse globaler Ladungsbewegung auf die Turbulenz abzubilden. Für den Brennverzug wurde ein vereinfachtes Modell abgeleitet, welches den Übergang von laminarer zu turbulenter Flammenausbreitung nach der Zündung in den Vordergrund stellt. Der restliche Brennverlauf wird durch die physikalische Ermittlung der turbulenten Brenngeschwindigkeit in einem 0D Entrainment-Ansatz dargestellt. Nach Validierung aller Teilmodelle erfolgt die virtuelle Bedatung der Momentenstruktur und der Abgastemperaturfunktion für das Motorsteuergerät.

Spark ignited engines are still important for conventional as well as for hybrid power trains and are thus objective to optimization. Today a lot of functionalities arise from software solutions, which have to be calibrated. Modern engine technologies provide an extensive variability considering their valve train, fuel injection and load control. Thus, calibration efforts are really high and shall be reduced by introduction of virtual methods. In this work a physical 0D combustion model is set up, which can cope with a new generation of spark ignition engines. Therefore, at first cylinder thermodynamics are modeled and validated in the whole engine map with the help of a real-time capable approach. Afterwards an up to date turbulence model is introduced, which is based on a quasi-dimensional k-epsilon-approach and can cope with turbulence production from large scale shearing. A simplified model for ignition delay is implemented which emphasizes the transfer from laminar to turbulent flame propagation after ignition. The modeling is completed with the calculation of overall heat release rates in a 0D entrainment approach with the help of turbulent flame velocities. After validation of all sub-models, the 0D combustion prediction is used in combination with a 1D gas exchange analysis to virtually calibrate the modern engine torque structure and the ECU function for exhaust gas temperature with extensive simulations.:Contents 1 Introduction. 2 Thermodynamic modeling with real-time capability. 3 Quasi-dimensional modeling of turbulence and global charge motion. 4 Physical modeling of ignition delay. 5 Combustion modeling based on a 0D entrainment approach. 6 Virtual engine calibration with a quasi-dimensional combustion model. 7 Summary and outlook. / Moderne Ottomotoren spielen heute sowohl in konventionellen als auch hybriden Fahrzeugantrieben eine große Rolle. Aktuelle Konzepte sind hochvariabel bezüglich Ventilsteuerung, Kraftstoffeinspritzung und Laststeuerung und ihre Optimierungspotentiale erwachsen zumeist aus neuen Softwarefunktionen. Deren Applikation ist zeit- und kostenintensiv und soll durch virtuelle Methoden unterstützt werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein physikalisches 0D Verbrennungsmodell für Ottomotoren aufgebaut und bis zur praktischen Anwendung geführt. Dafür wurde zuerst die Thermodynamik echtzeitfähig modelliert und im gesamten Motorenkennfeld abgeglichen. Der Aufbau eines neuen Turbulenzmodells auf Basis der quasidimensionalen k-epsilon-Gleichung ermöglicht anschließend, die veränderlichen Einflüsse globaler Ladungsbewegung auf die Turbulenz abzubilden. Für den Brennverzug wurde ein vereinfachtes Modell abgeleitet, welches den Übergang von laminarer zu turbulenter Flammenausbreitung nach der Zündung in den Vordergrund stellt. Der restliche Brennverlauf wird durch die physikalische Ermittlung der turbulenten Brenngeschwindigkeit in einem 0D Entrainment-Ansatz dargestellt. Nach Validierung aller Teilmodelle erfolgt die virtuelle Bedatung der Momentenstruktur und der Abgastemperaturfunktion für das Motorsteuergerät.:Contents 1 Introduction. 2 Thermodynamic modeling with real-time capability. 3 Quasi-dimensional modeling of turbulence and global charge motion. 4 Physical modeling of ignition delay. 5 Combustion modeling based on a 0D entrainment approach. 6 Virtual engine calibration with a quasi-dimensional combustion model. 7 Summary and outlook.