[ES] La formación de hollín en los motores de inyección directa de gasolina se rige por complejas interacciones entre procesos físicos, que varían en función del modo de funcionamiento del motor. Con la aplicación de normativas cada vez más estrictas, junto con ensayos de homologación más rigurosos, el reto de cumplir los límites de emisión de partículas se ha vuelto excepcionalmente exigente. En consecuencia, los fabricantes han recurrido a métodos de post-tratamiento de partículas a la salida del motor, como los filtros de partículas de gasolina, aunque a costa del rendimiento del motor y del consumo de combustible. Además, existe una creciente preocupación por la calidad del aire ambiente debido a las emisiones de partículas de los vehículos, con estudios que indican potenciales riesgos cancerígenos para la salud humana. Las herramientas de modelización ofrecen la ventaja de disminuir la necesidad de costosos ensayos de calibración experimental destinados a encontrar la estrategia óptima para mitigar las emisiones de partículas dentro de unos límites aceptables. En esta Tesis, se desarrolla un marco de modelización exhaustivo que aborda tres fuentes principales de formación de hollín: la mezcla inadecuada que da lugar a zonas ricas, las películas de combustible en las puntas de los inyectores y las películas de combustible en las paredes de la cámara de combustión debido al impacto del chorro. Al incorporar submodelos físicos para abordar estas vías de formación de hollín, se consigue una descripción completa de la distribución del tamaño de las partículas, teniendo en cuenta que las distintas fuentes contribuyen de forma diferente a las emisiones totales de partículas. El número, la masa y el tamaño de las partículas se determinan mediante la utilización de un mecanismo de reacción detallado para resolver las reacciones químicas que se producen en las regiones ricas definidas por el modelo multizona que se integra con un solucionador estocástico de partículas. El enfoque se complementó con simulaciones CFD tridimensional no reactivo para validar las formulaciones de los diversos submodelos. A continuación, se utilizaron ensayos experimentales realizados en un banco de pruebas de motores para evaluar las predicciones del modelo y también sirvieron como herramienta de validación para determinados submodelos en los casos en los que surgían ambigüedades en las simulaciones CFD. Además, se utilizaron ensayos ópticos realizados en un motor distinto del considerado en este estudio para obtener más información sobre los fenómenos en el cilindro que conducen a la formación de hollín. La herramienta ha demostrado su capacidad para predecir con exactitud la distribución del tamaño de las partículas en distintas condiciones de funcionamiento, captando eficazmente los cambios en la configuración de los parámetros del motor y las condiciones termodinámicas. Se identificó que las principales fuentes que contribuían a las emisiones de partículas procedían de la disminución de la calidad de la mezcla, especialmente evidente en cargas más elevadas debido al enriquecimiento del combustible, y de la humectación de la punta del inyector, que se manifestaba en todas las condiciones. Por consiguiente, el modelo de mezcla, basado en los parámetros de mezcla pertinentes, resultó eficaz para generar distribuciones de dosados, mientras que el modelo de evaporación de la película del inyector calculó la masa de la película de combustible en la punta de forma satisfactoria. Al integrar estos aspectos con un enfoque de postprocesamiento exhaustivo, que incorpora la eficiencia del recuento de partículas y consideraciones sobre el volumen de escape, se logró un alto grado de concordancia entre las predicciones numéricas y los datos de partículas medidos. Como resultado, la herramienta puede aprovecharse para simular las emisiones de partículas en condiciones transitorias de conducción, facilitando así el desarrollo de motores en el futuro próximo. / [CA] La formació de sutge en els motors d'injecció directa de gasolina es regeix per complexes interaccions entre processos físics, que varien en funció de la manera de funcionament del motor. Amb l'aplicació de reglaments cada vegada més estrictes i normes d'assaig més rigoroses, el repte de complir els límits d'emissió de partícules s'ha tornat excepcionalment exigent. En conseqüència, els fabricants han recorregut a mètodes de tractament de partícules posteriors a l'eixida del motor, com els filtres de partícules de gasolina, encara que a costa del rendiment del motor i del consum de combustible. A més, existeix una creixent preocupació per la qualitat de l'aire ambient degut a les emissions de partícules dels vehicles, amb estudis que indiquen riscos cancerígens potencials per a la salut humana. Les eines de modelització ofereixen l'avantatge de disminuir la necessitat de costosos assajos de calibratge experimental destinats a trobar l'estratègia òptima per a mitigar les emissions de partícules dins d'uns límits acceptables. En aquesta Tesi, es desenvolupa un marc de modelització exhaustiu que aborda tres fonts principals de formació de sutge: la mescla inadequada que dona lloc a zones riques, les pel·lícules de combustible en les puntes dels injectors i les pel·lícules de combustible en les parets de la cambra de combustió a causa de l'impacte del doll. En incorporar submodels físics per a abordar aquestes vies de formació de sutge, s'aconsegueix una descripció completa de la distribució de la grandària de les partícules, tenint en compte que les diferents fonts contribueixen de manera diferent a les emissions totals de partícules. El número, la massa i la grandària de les partícules es determinen mitjançant la utilització d'un mecanisme de reacció detallat per a resoldre les reaccions químiques que es produeixen a les regions riques definides pel model multizona que s'integra amb un solucionador estocàstic de partícules. L'enfocament es va complementar amb simulacions CFD tridimensional no reactiu per a validar les formulacions dels diversos submodels associats a les diferents vies. A continuació, es van utilitzar assajos experimentals realitzats en un banc de proves de motors per a avaluar les prediccions del model i també van servir com a eina de validació per a determinats submodels en els casos en els quals sorgien ambigüitats en les simulacions CFD. A més, es van utilitzar assajos òptics realitzats en un motor diferent del considerat en aquest estudi per a obtenir més informació sobre els fenòmens en el cilindre que condueixen a la formació de sutge. L'eina de modelització ha demostrat la seua capacitat per a predir amb exactitud la distribució de la grandària de les partícules en diferents condicions de funcionament, captant eficaçment els canvis en la configuració dels paràmetres del motor i les condicions termodinàmiques. Es va identificar que les principals fonts que contribuïen a les emissions de partícules procedien de la disminució de la qualitat de la mescla, especialment evident en càrregues més elevades a causa de l'enriquiment del combustible, i de la humectació de la punta de l'injector, que es manifestava en totes les condicions. Per consegüent, el model de mescla, basat en els paràmetres de mescla pertinents, va resultar eficaç per a generar distribucions de dosatges, mentre que el model d'evaporació de la pel·lícula de l'injector va calcular la massa de la pel·lícula de combustible en la punta de manera satisfactòria. En integrar aquests aspectes amb un enfocament de postprocessament exhaustiu, que incorpora l'eficiència del recompte de partícules i consideracions sobre el volum de fuita, es va aconseguir un alt grau de concordança entre les prediccions numèriques i les dades de partícules mesurades. Com a resultat, l'eina pot aprofitar-se per a simular les emissions de partícules en condicions transitòries de conducció, facilitant així el desenvolupament de motors en el futur pròxim. / [EN] Soot formation in gasoline direct injection engines is governed by complex interactions among physical processes, which vary depending on the engine operating mode. With the implementation of increasingly stringent regulations and more rigorous testing standards, the challenge of meeting particle emission limits has become exceptionally demanding. Consequently, manufacturers have resorted to post-engine outlet particle treatment methods, such as gasoline particulate filters, albeit at the expense of engine performance and fuel consumption. Moreover, there is a growing concern regarding environmental air quality due to vehicle particle emissions, with studies indicating potential cancerous risks to human health. Modeling tools offer the benefit of diminishing the need for expensive experimental calibration campaigns aimed at finding the optimal strategy for mitigating particle emissions within acceptable limits. In this Thesis, a comprehensive modeling framework is developed that addresses three primary sources of soot formation: inadequate mixing resulting in rich pockets, fuel films on injector tips, and fuel films on combustion chamber walls due to spray impingement. By incorporating physical sub-models to address these pathways of soot formation, a comprehensive depiction of the particle size distribution becomes achievable, considering that the various sources contribute differently to overall particle emissions. Particle number, mass, and size are determined through the utilization of a detailed reaction mechanism to solve the chemical reactions occurring in rich regions defined by the multi-zone model that is integrated with a stochastic particle solver. The approach was complemented by non-reactive 3D CFD simulations to validate the formulations of the various sub-models associated with different pathways. Experimental measurements conducted on an engine test bench were then utilized to evaluate the model predictions and also served as a validation tool for certain sub-models in cases where ambiguity arose in the 3D CFD simulations. Furthermore, optical engine experiments conducted on a different engine from the one considered in this study were employed to gain further insights into the in-cylinder phenomena driving soot formation. The modeling tool has demonstrated its capability to accurately predict the particle size distribution across various operating conditions, effectively capturing changes in engine parameter settings and thermodynamic conditions. The primary sources contributing to particle emissions stemmed from diminished mixture quality, particularly evident at higher loads due to fuel enrichment, and injector tip wetting, which manifested across all conditions. Therefore, the mixing model, based on pertinent mixing parameters proved effective in generating equivalence ratio distributions, while the injector film evaporation model computed fuel film mass on the injector tip in a commendable way. By integrating these aspects with a thorough post-processing approach, incorporating particle counting efficiency and exhaust volume considerations, a high degree of agreement was achieved between numerical predictions and measured particle data. As a result, the tool can be leveraged to simulate particle emissions under transient driving conditions, thereby facilitating engine development in the foreseeable future. / Abboud, R. (2024). A Comprehensive Modeling Toolchain for Particle Emissions in GDI Engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207344

[ES] La creciente aversión pública contra los motores de combustión interna ha llevado a un fuerte deseo de cambio hacia fuentes de energía renovables y más limpias. Sin embargo, todavía es difícil reemplazar los combustibles líquidos derivados del petróleo como fuente primaria de energía, principalmente debido a su gran disponibilidad, confiabilidad, y asequibilidad. Por lo tanto, la comunidad científica debe mantener los esfuerzos para aumentar la eficiencia de estos motores en beneficio de la sociedad. Con respecto a los motores diésel, una técnica implementada ha sido aumentar el número de orificios de salida del inyector y reducir sus diámetros, mejorando el proceso de mezcla aire/combustible. Sin embargo, a medida que aumenta el número de orificios en la boquilla, también aumenta la proximidad entre ellos, lo que lleva a una reducción en el espacio disponible para que cada chorro se desarrolle sin interactuar con los chorros adyacentes. Esta interacción podría afectar el evento de combustión y sus implicaciones no se han definido por completo. De esta manera, la presente tesis tuvo como objetivo analizar la influencia del espaciamiento entre chorros en el desarrollo de la inyección, y mejorar la metodología empleada en el instituto para estudiar el chorro en inyectores multi-orificios, teniendo en cuenta las interacciones entre chorros. Con este objetivo, Continental fabricó dos inyectores diésel idénticos excepto por la distribución geométrica de los orificios de salida de cada boquilla, ya que se destinaron específicamente a estudiar la influencia del espaciamiento entre chorros en el evento de inyección. Concretamente, el primer inyector permitió estudiar, durante el mismo evento de inyección, el desarrollo de un chorro aislado en un lado de la boquilla y, en la cara opuesta, cinco chorros con un espaciamiento entre ellos de 30°. Por otro lado, el segundo inyector tiene dos distribuciones de orificios adicionales, por lo que un total de tres configuraciones de espaciado entre chorros (30° - 36° - 45°) fueron comparadas con el rendimiento del chorro aislado (espaciado = 120°). Además, se probaron con éxito una nueva ventana óptica y un espejo de cerámica de alta temperatura. Con respecto al retraso de la ignición, los chorros con chorros vecinos tendieron a tener valores de retraso de la ignición iguales o ligeramente inferiores a los del chorro aislado en condiciones pobres de contorno (baja presión del raíl, temperatura, o densidad de la cámara). Por otro lado, el efecto contrario se observó al aumentar los valores de las condiciones de contorno, con valores de retraso de la ignición iguales o más altos para los chorros con chorros vecinos. No obstante, no se observó una tendencia clara, con interacciones complejas y múltiples factores afectando simultáneamente el evento de ignición. Sobre la longitud de levantamiento de llama, los resultados mostraron que al alcanzar cierta proximidad entre los chorros, la interacción entre ellos se convierte en un factor predominante en su comportamiento, y dicha longitud se reduce considerablemente. Por otro lado, a medida que aumentaba el espaciado entre chorros, la longitud se aproximaba gradualmente a la obtenida con el chorro aislado. En cuanto a la formación de hollín, los chorros con menor espaciado con sus chorros vecinos (30° y 36°) generalmente tuvieron mayor espesor óptico KL y valores máximos de masa de hollín para una condición de contorno dada, en comparación con el desarrollo del chorro aislado. Estas tendencias están en línea con los resultados de la longitud de levantamiento de llama observados, en los que los chorros estrechamente espaciados tuevieron una longitud más corta debido (posiblemente) al englobamiento de gases calientes. Esta reducción deterioraría el proceso de mezcla de aire/combustible y, en consecuencia, la combustión ocurriría en condiciones de mezcla más ricas que son propicias para la formación de hollín. / [CA] La creixent aversió pública contra els motors de combustió interna ha portat a un fort desig de canvi cap a fonts d'energia renovables i més netes. Tot i aixó, encara és difícil substituir els combustibles líquids derivats del petroli com a font primària d'energia, principalment per la seva gran disponibilitat, seguretat, i assequibilitat. Per tant, la comunitat científica ha de mantenir la investigació per tal d'augmentar l'eficiència d'aquests motors en benefici de la societat. Pel que fa als motors dièsel, una tècnica implementada ha estat augmentar el nombre d'orificis de sortida de l'injector i reduir els seus diàmetres, millorant el procés de barreja aire/combustible. No obstant això, a mesura que augmenta el nombre d'orificis a la tovera, també augmenta la proximitat entre ells, fet que porta a una reducció a l'espai disponible perquè cada raig es desenvolupi sense interactuar amb els dolls adjacents. Aquesta interacció podria afectar l'esdeveniment de la combustió i les seves implicacions no s'han definit del tot. D'aquesta manera, aquesta tesi va tenir com a objectiu analitzar la influència de l'espaiament entre dolls en el desenvolupament de la injecció, i millorar la metodologia emprada a l'institut per a estudiar els esdeveniments d'injecció d'injectors de múltiples orificis, tenint en compte les interaccions entre dolls. Amb aquest objectiu, Continental va fabricar dos injectors dièsel amb idèntic disseny intern excepte per la distribució geomètrica dels orificis de sortida de cada tovera, ja que es van destinar específicament a estudiar la influència de l'espaiament entre dolls a l'esdeveniment d'injecció. Concretament, el primer injector va permetre estudiar, durant el mateix esdeveniment d'injecció, el desenvolupament d'un raig solitari en un costat del tovera i, a la cara oposada, cinc raigs amb un espai entre ells de 30°. D'altra banda, el segon injector té dues distribucions d'orificis addicionals, aconseguint que un total de tres configuracions d'espaiat entre dolls (30°-36°-45°) es compararen amb el rendiment del raig solitari (espaiat = 120°). A més, es van provar amb èxit una nova finestra òptica i un mirall de ceràmica d'alta temperatura. Pel que fa al retard de la ignició, els dolls amb dolls adjacents van tendir a tenir valors de retard de la ignició iguals o lleugerament inferiors als del raig solitari en condicions pobres de contorn (baixa pressió del rail, temperatura, o densitat de la càmera). D'altra banda, l'efecte contrari es va observar augmentant els valors de les condicions de contorn, amb valors de retard de la ignició iguals o més alts per als dolls amb dolls adjacents. Tot i això, no es va apreciar un efecte constant, amb interaccions complexes i múltiples factors afectant simultàniament l'esdeveniment d'ignició. Sobre la longitud d'aixecament de flama, els resultats van mostrar que en assolir certa proximitat entre els dolls, la interacció entre ells es converteix en un factor predominant en el seu comportament, reduint-se considerablement aquesta longitud. D'altra banda, a mesura que augmentava l'espaiat entre dolls, la longitud s'aproximava gradualment a l'obtinguda amb el raig solitari. Quant a la formació de sutge, els raigs amb menor espaiat amb els seus raigs adjacents (30° i 36°) generalment van tenir més gruix òptic KL i valors màxims de massa de sutge per a una condició de contorn donada, en comparació amb el desenvolupament del raig solitari. Aquestes tendències estan aliniades amb els resultats de la longitud d'aixecament de flama observats, en què els dolls estretament espaiats van tenir una longitud més curta degut (possiblement) a l'englobament de gasos calents. Aquesta reducció deterioraria el procés de barreja d'aire/combustible i, en per tant, la combustió ocorreria en condicions de mescla més riques que són propícies per a la formació de sutge. / [EN] The growing public aversion to internal combustion engines has led to a strong desire to shift towards renewable and cleaner energy sources. However, it is still hard to replace petroleum-derived liquid fuels as the primary energy source, mainly due to their plenty of availability, reliability, and affordability. Then, efforts have to come from the research community to increase the efficiency of these engines for the benefit of society. Regarding diesel engines, one implemented technique has been to increase the number of outlet holes of the injector and reduce their diameters, enhancing the air/fuel mixing process. Nevertheless, as the number of holes in the nozzle increases, so does the proximity between them, leading to a reduction in the space available for each jet to develop without interacting with the neighbor sprays. This interaction could affect the combustion event, and its implications have not been entirely defined. Thus, the present thesis aimed to analyze the influence of inter-jet spacing on the injection development and enhance the methodology employed in the institute to study injection events of multi-holes injectors, accounting for the interactions between jets. To this end, two diesel injectors with six outlet orifices were manufactured by Continental with identical design, except for the geometric distribution of the outlet holes of each nozzle, as they were specifically allocated to study the influence of inter-jet spacing on the injection event. Concretely, the first injector allowed the study of the development of an isolated spray on one side and a spray with an inter-jet spacing of 30° on the other side during the same injection event. Moreover, the second injector has two additional orifices distributions, so a total of three inter-jet spacing configurations (30°- 36° - 45°) were compared to the performance of the isolated spray (spacing = 120°). Additionally, a novel optical window and high-temperature ceramic mirror were successfully tested. Regarding the ignition delay, sprays with neighbor jets tended to have equal or slightly smaller ignition delay values under poor mixing and ignition conditions (low rail pressure, chamber temperature, or chamber density conditions). On the other hand, the opposite effect was generally observed as the boundary conditions were overall increased, with equal or higher ignition delay values within sprays with neighbor jets, compared to that of the isolated spray. Nonetheless, no clear trend was defined, with complex interactions and multiple factors simultaneously affecting the ignition event. On the lift-off length, the results showed that after certain proximity between sprays is reached, the interaction between the jets becomes a predominant factor in their behavior, and the lift-off length is considerably reduced. Moreover, as the inter-jet spacing increases, the performance gradually approaches that obtained from the isolated spray. Respecting the soot formation, the sprays with closely spaced neighbor jets (30° and 36°) generally had higher optical thickness KL and peak soot mass values for a given boundary condition when compared to the development of the isolated spray. These trends are in line with the lift-off length results observed, in which the closely spaced jets had a shorter lift-off length due to (plausibly) hot gases re-entrainment. This shortening would deteriorate the air/fuel mixing process and, consequently, combustion happens in richer mixture conditions that are suitable for soot formation. / I want to express my gratitude to Generalitat Valenciana and European Social Fund for the financial support provided through the research grant (ACIF/2018/122) / Montiel Prieto, TE. (2022). Influence of Inter-Jet Spacing on the Diesel Spray Formation and Combustion [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181608

[EN] In the last years, many modelling works of NOx, soot and fuel consumption in Diesel engines have been developed; some of them approach the problem determining the interactions between the engine inputs and outputs, following a causal approach based on experimentation. On the opposite side, it is common to find more or less complex models that address the problem taking into account all the physical phenomena related. Nevertheless, it is not usual the use of in-cylinder pressure as a fundamental signal to characterise the process to determine the engine performance in terms of emissions and fuel consumption. The present work has as main goal to explore the potential of such signal to use it with a few mean variables in order to model emissions and performance. Based on that, two approaches were raised: the first is semi-empirical combining a simple phenomenological sub-model with empirical corrections, the other approach consider a purely empirical correlations based on statistics. The proposed semi-empirical models allows to obtain NOx emissions in the exhaust based on heat release law and flame adiabatic temperature, including corrections to take into account the "reburning" phenomena and the local emissions in nominal reference points. On the other hand, the consumption estimation is based on the effective parameters calculation from indicated parameters and mechanical losses. These are obtained with specific sub-models of friction between the contact surfaces with relative movement and auxiliary devices power. Regarding the NOx, soot and fuel consumption empirical models, these are based on Design of Experiment and Response Surface Methodology, in which with an statistical focus, allows to fit mathematical expressions as function of some input variables (from injection and air path systems) and combustion burnt angles. The model has allowed quantifying the effect of using in-cylinder pressure signal to obtain the combustion burnt angles, facing the alternative to model it only taking into account the inputs. Finally, two applications of the model were presented: in one side, their performance was evaluated in transient conditions. On the other hand, the models have been used to perform a multi-objective optimisation to reduce emissions and fuel consumption simultaneously. / [ES] En los últimos años se han desarrollado diversos trabajos de modelado de NOx, hollín y consumo de combustible en motores Diesel, Algunos de ellos enfocan el problema mediante la determinación de las relaciones entre los parámetros de entrada y las salidas del motor siguiendo un enfoque causa-efecto basado en la experimentación. En el extremo contrario, también son habituales los modelos más o menos complejos que abordan el problema teniendo en cuenta toda la física implicada en los fenómenos relevantes. Sin embargo, no son muy habituales los modelos que utilizan la información de la señal de presión en el cilindro como entrada fundamental para caracterizar los fenómenos que van a determinar las prestaciones del motor en términos de emisiones y consumo. El presente trabajo tiene como objetivo fundamental explorar el potencial de dicha señal para modelar, junto con otras variables medias del motor, las emisiones y prestaciones. Para ello se han empleado dos enfoques: el primero semi-empírico en el que se combinan sub-modelos fenomenológicos sencillos con correcciones empíricas, y otro puramente empírico basado en correlaciones estadísticas. Los modelos semi-empíricos propuestos permiten obtener las emisiones de NOx en el escape basándose en la ley de liberación de calor y la temperatura adiabática de llama e incluyen sendas correcciones para tener en cuenta el fenómeno de reburning y las emisiones locales en puntos nominales de referencia. Por otro lado, la estimación del consumo se basa en el cálculo de los parámetros efectivos a partir de los indicados y las pérdidas mecánicas. Estas son obtenidas con sub-modelos específicos para la fricción en los contactos de los elementos con movimiento relativo y de accionamiento de auxiliares. Los modelos empíricos de NOx, hollín y consumo se basan en la metodología de Diseño de Experimentos y de Superficie de Respuesta que, con un enfoque estadístico, permite ajustar expresiones matemáticas en función de diferentes variables de entrada (tanto relacionadas con la renovación de la carga como con la inyección) y ángulos característicos de combustión. El modelo ha permitido cuantificar el efecto de usar la señal de presión experimental para obtener los ángulos de combustión, frente a la alternativa de modelarlos sólo con las entradas. Finalmente, se presentan dos aplicaciones de los modelos propuestos donde, en primer lugar, se ha evaluado sus prestaciones en condiciones transitorias, y en segundo lugar, se han empleado para realizar una optimización multi-objetivo para reducir simultáneamente emisiones y consumo / [CA] En els últims anys s'han desenvolupat diversos treballs de modelatge de NOx, sutge i consum de combustible en motors dièsel. Alguns d'ells enfoquen el problema mitjançant la determinació de les relacions entre els paràmetres d'entrada i d'eixida del motor amb un enfocament causa-efecte basat en l'experimentació. D'una altra banda, també són habituals els models més o menys complexos que aborden el problema tenint en compte tota la física implicada en els fenòmens rel.levants. No obstant això, no són molt habituals els models que utilitzen informació del senyal de pressió en el cilindre com a entrada fonamental per caracteritzar els fenòmens que determinen les prestacions del motor en termes d'emissions i consum. El present treball té com a objectiu fonamental explorar el potencial d'aquest senyal per a modelar, juntament amb altres variables promedi del motor, les emissions i prestacions. Per això s'han emprat dos enfocaments: el primer semi-empíric en el qual es combinen sub-models fenomenològics senzills amb correccions empíriques, i un altre purament empíric basat en correl.lacions estadístiques. Els models semi-empírics proposats permeten obtenir les emissions de NOx en el escapament basant-se en la equació d'alliberament de calor i la temperatura adiabàtica de flama i inclouen sengles correccions per tindre en compte el fenomen de reburning i les emissions locals en punts nominals de referència . D'una altra banda, l'estimació del consum es basa en el càlcul dels paràmetres efectius a partir dels indicats i les pèrdues mecàniques. Aquestes són obtingudes amb sub-models específics per a la fricció en els contactes dels elements amb moviment relatiu i d'accionament d'auxiliars. Els models empírics de NOx, sutge i consum es basen en la metodologia de Disseny d'Experiments i de Superfície de Resposta que, amb un enfocament estadístic, permet ajustar expressions matemàtiques en funció de diferents variables d'entrada (tant relacionades amb la renovació de la càrrega com amb l 'injecció) i angles característics de combustió. El model ha permès quantificar l'efecte d'usar el senyal de pressió experimental per obtindre els angles de combustió, davant l'alternativa de modelar utilitzant les entrades. Finalment, es presenten dues aplicacions dels models proposats on, en primer lloc, s'ha avaluat les seues prestacions amb condicions transitòries, i en segon lloc, s'han emprat per a realitzar una optimització multi-objectiu per reduir simultàniament emissions i consum. / García Sarmiento, D. (2016). Aportaci ón al modelado de emisiones y consumo basado en la señal de presi ón en el cilindro en motores Diesel [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62184

[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

[ES] La reducción de la huella de carbono de los motores de combustión interna así como de sus emisiones contaminantes es necesaria para la supervivencia de esta tecnología, especialmente para aplicaciones de uso medio y pesado. En la última década, investigadores y fabricantes han explorado diferentes enfoques para lograr este objetivo. En este sentido, el uso de combustibles alternativos y tecnologías alternativas se considera una vía potencial para alcanzarlo. Dentro del ámbito de los combustibles alternativos, los e-fuels y los biocombustibles están ganando relevancia, ya que pueden ser utilizados sin modificaciones importantes en la tecnología de motores de combustión interna. El primer término se refiere a combustibles que pueden ser tanto gaseosos como líquidos y que se producen a partir de electricidad renovable mediante un proceso sintético que consume dióxido de carbono y agua. El segundo se refiere a combustibles producidos a partir de biomasa y residuos orgánicos. Entre los e-fuels, destacan los éteres dimetílicos de oximetileno, y entre los biocombustibles, es particularmente notable el aceite vegetal hidrotratado. Por un lado, los primeros destacan por reducir drásticamente las emisiones contaminantes, aunque presentan problemas como una menor densidad energética y compatibilidad con los motores convencionales cuando se utilizan en estado puro. Por otro lado, el aceite vegetal hidrotratado presenta propiedades similares a las del diésel y se considera un buen sustituto de este a pesar de reducir menos las emisiones contaminantes que los éteres de dimetileno de oximetileno. Sin embargo, ambos combustibles, cuando se producen exclusivamente a partir de recursos renovables, pueden reducir drásticamente la huella de carbon. Otra forma de abordar la reducción de las emisiones contaminantes, que ha proporcionado grandes avances en el pasado, es el diseño de nuevo hardware directamente implicado en el proceso de combustión. Desde geometrías complejas del cuenco del pistón o de toberas de los inyectores hasta nuevos conceptos como la inyección de combustible por conductos para aplicaciones pesadas, que mejoran el proceso de mezcla aire-combustible aumentando la eficiencia y reduciendo la formación de contaminantes. No obstante, es necesario comprender mejor su impacto en el proceso de combustión y en el rendimiento del motor para su correcta aplicación en soluciones commercials. A la luz de lo anterior, la presente tesis se centra en avanzar en el conocimiento del comportamiento de los combustibles alternativos y los nuevos conceptos de hardware en las condiciones de funcionamiento de los motores de encendido por compresión y su impacto en el rendimiento de la combustión y la formación de contaminantes. Estas evaluaciones se realizan tanto mediante simulaciones numéricas detalladas como mediante experimentos llevados a cabo en un motor de encendido por compresión ópticamente accesible, utilizando diversas técnicas ópticas. Los resultados ponen de relieve que estos dos enfoques prometedores pueden reducir en gran medida la formación de contaminantes en el interior del motor de encendido por compresión y pueden ser una solución potencial al problema cada vez mayor de la huella de carbono y las emisiones contaminantes de los motores de encendido por compresión. / [CA] La reducció de la petjada de carboni dels motors de combustió interna així com de les seues emissions contaminants és necessària per a la supervivència d'esta tecnologia, especialment per a aplicacions d'ús mitjà i pesat. En l'última dècada, investigadors i fabricants han explorat diferents enfocaments per a aconseguir este objectiu. En este sentit, l'ús de combustibles alternatius i tecnologies alternatives es considera una via potencial per a aconseguir-ho. Dins de l'àmbit dels combustibles alternatius, els e-fuels i els biocombustibles estan guanyant rellevància, ja que poden ser utilitzats sense modificacions importants en la tecnologia de motors de combustió interna. El primer terme es refereix a combustibles que poden ser tant gasosos com líquids i que es produeixen a partir d'electricitat renovable mitjançant un procés sintètic que consumeix diòxid de carboni i aigua. El segon es refereix a combustibles produïts a partir de biomassa i residus orgànics. Entre els e-fuels, destaquen els èters dimetílics d'oximetilè, i entre els biocombustibles, és particularment notable l'oli vegetal hidrotratat. D'una banda, els primers destaquen per reduir dràsticament les emissions contaminants, encara que presenten problemes com una menor densitat energètica i compatibilitat amb els motors convencionals quan s'utilitzen en estat pur. D'altra banda, l'oli vegetal hidrotratat presenta propietats similars a les del dièsel i es considera un bon substitut d'este malgrat reduir menys les emissions contaminants que els èters dimetílics d'oximetilé. No obstant això, tots dos combustibles, quan es produïxen exclusivament a partir de recursos renovables, poden reduir dràsticament la petjada de carboni. Una altra manera d'abordar la reducció de les emissions contaminants, que ha proporcionat grans avanços en el passat, és el disseny de nou maquinari directament implicat en el procés de combustió. Des de geometries complexes del bol del pistó o de toveres dels injectors fins a nous conceptes com la injecció de combustible per conductes per a aplicacions pesades, que milloren el procés de mescla aïre-combustible augmentant l'eficiència i reduint la formació de contaminants. No obstant això, és necessari comprendre millor el seu impacte en el procés de combustió i en el rendiment del motor per a la seua correcta aplicació en solucions comercials. A la llum de l'anterior, la present tesi se centra en avançar en el coneixement del comportament dels combustibles alternatius i els nous conceptes de maquinari en les condicions de funcionament dels motors d'encesa per compressió i el seu impacte en el rendiment de la combustió i la formació de contaminants. Estes avaluacions es realitzen tant mitjançant simulacions numèriques detallades com mitjançant experiments duts a terme en un motor d'encesa per compressió òpticament accessible, utilitzant diverses tècniques òptiques. Els resultats posen en relleu que estos dos enfocaments prometedors poden reduir en gran manera la formació de contaminants a l'interior del motor d'encesa per compressió i poden ser una solució potencial al problema cada vegada major de la petjada de carboni i les emissions contaminants dels motors d'encesa per compressió. / [EN] The reduction of the carbon footprint of internal combustion engines and the pollutant emissions is mandatory for the survival of this technology, especially for medium and heavy-duty applications. In the last decade, researchers and manufacturers have explored different approaches to achieve this goal. In this sense, the use of alternative fuels and alternative technologies is considered as a potential pathway to reach this objective. Within the scope of alternative fuels, e-fuels and biofuels are gaining relevance as they can be utilized without major modifications of the internal combustion engine technology. The former term refers to fuels that can be both gaseous or liquid and are produced from renewable electricity in a synthetic process consuming carbon dioxide and water. The latter refers to fuels produced from biomass and organic waste. Among e-fuels, oxymethylene dimethyl ethers stand out, and among biofuels, hydrotreated vegetable oil is particularly notable. On the one hand, oxymethylene dimethyl ethers drastically reduce pollutant emissions however suffer challenges like lower energy density, and compatibility with conventional engines when utilized in pure form. On the other hand, hydrotreated vegetable oil presents similar properties as compared to diesel and is considered a good drop in fuel for fossil diesel despite providing a lesser pollutant reduction when compared with oxymethylene dimethyl ethers. However, these fuels, when produced solely from renewable resources, can drastically reduce the carbon footprint. Another way to address pollutant emission reduction, which has provided great advances in the past, is the design of new hardware directly involved with the combustion process. From complex piston bowl geometries or injector nozzles to new concepts like ducted fuel injection for heavy-duty applications, which improves the air-fuel mixing process increasing efficiency and reducing pollutant formation. Nevertheless, a better understanding of their impact on the combustion process and engine performance is required for proper implementation in commercial solutions. In light of the aforementioned text, the current thesis is focused on advancing the knowledge of the behaviour of alternative fuels and new hardware concepts under operating conditions of compression ignition engines and their impact on combustion performance and pollutant formation. These assessments are done both by detailed numerical simulations and experiments carried out in an optically accessible compression ignition engine, utilizing a variety of optical techniques. Results highlight that these two promising approaches can greatly reduce the pollutant formation inside the compression ignition engine and can be a potential solution to the ever-increasing carbon footprint and pollutant emissions problem of compression ignition engines. / The author would like to acknowledge the financial support received through contract UPV - Subprograma 2 (PAID-01-22) del Vicerrectorado de Investigaciòn, which was incremental in the development of this thesis at I.U.I. CMT – Clean Mobility & Thermofluids, Universitat Politècnica de València. Furthermore, author also acknowledges the grant Ayudas Para Movilidad de Estudiantes de Doctorado de la Universitat Politècnica de València - 2022, which made his research stay possible at Sandia National Laboratories. / Khalid, UB. (2024). Numerical and Optical Assessment of Different Solutions for Pollutant Emission Reduction in Compression Ignition Engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207524