[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 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