Recently, some new technologies (e.g., downsizing, turbocharging) have been widely used in spark-ignition (SI) engines to achieve higher efficiencies and less emissions. However, the improved power density and in-cylinder pressure promote more engine knock, causing violent pressure oscillations and threatening engine integrity. Therefore, it is imperative to study engine knocking combustion more than ever; In-depth understandings of knock mechanism and characteristics are of utmost importance for controlling knock. With this emphasis, this thesis implements systematic studies to bridge the gap between knocking combustion characteristics and knock suppressing strategies. To investigate knock with optical and laser diagnostics, an optical compression-ignition (CI) engine was modified to operate under SI mode. A home-made metal liner with multiple spark plugs was used to trigger more controllable knock events via different spark strategies. Up to six pressure sensors were installed to collect the pressure signals from different sides. Next, the relationships between in-cylinder pressure, knock intensity, pressure fluctuation, heat release, and measurement location are analyzed to study the knock mechanism, influential factors, and measurement methods. The findings indicate a trade-off between the mass fraction and temperature of end-gas. The effects of compression ratio and fuel octane number are also explored. Moreover, the multichannel pressure monitoring is synchronized with high-speed imaging to investigate the flame propagation and knock development processes regarding the different spark strategies. The results give insights into the in-cylinder temperature inhomogeneity and how it affects the spatial distribution of auto-ignition sites. Furthermore, a new method is proposed to detect the local pressure fluctuations by setting a series of virtual flame monitors instead of pressure sensors. The results validate that this method provides a convenient and reliable way to study knock oscillations. Finally, this study presents a hydraulically actuated VCR (variable compression ratio) piston design to address knock challenges. The numerical simulation results show this VCR piston has a good adaptability and could help achieve high engine efficiencies, while keeping reasonable peak pressure to avoid heavy knock at high loads. However, more analysis work still needs to be implemented on its practical applications, e.g., the thermal stress and frictions under different operating conditions.

[ES] Debido a las regulaciones en materia de emisiones y CO2 la industria automotriz a desarrollado diferentes tecnologías innovadoras. Estas tecnologías incluyen combustibles alternativos y nuevos modos de combustión, entre otros. De aquí surge la necesidad del desarrollo de nuevos métodos para el control de la combustión en estas condiciones mencionadas. Por este motivo, en este trabajo se han desarrollado diferentes modelos e indicadores orientados al diagnóstico y control de la combustión tanto en condiciones normales como anormales. Para los casos de combustión normal, se ha desarrollado un modelo de combustión, cuyo objetivo es estimar la media de la evolución de la fracción de la masa quemada y la presión dentro del cilindro. Se implementó un observador, basado en la señal de knock, con la finalidad de mejorar la estimación en condiciones transitorias y poder aplicar así el modelo a diferentes tipos de combustibles. También se presenta un modelo de variabilidad cíclica, en el cual, a partir del modelo de combustión, se propaga una distribución en dos de los parámetros de dicho modelo. Ambos modelos han sido aplicados para un motor de encendido provocado y un motor de combustión de encendido por chorro turbulento. En los casos de combustión anormal, se ha incluido un análisis de la resonancia dentro de la cámara de combustión, en donde también se desarrollaron dos modelos capaces de estimar la evolución de la resonancia. Estos modelos, tanto para condiciones normales como anormales, se utilizaron para el diagnóstico de la combustión. Por una parte, para la detección de knock, en donde tres estrategias de detección de knock fueron desarrolladas: dos basadas en el sensor de presión en cámara y una en el sensor de knock. Por otra parte, se realizó una aplicación de un modelo de resonancia para la mejora de la estimación de la masa atrapada a partir de la resonancia. Finalmente, para mostrar el potencial de los modelos de diagnóstico, dos aplicaciones a control se desarrollaron: una para el control de knock a través de la actuación de la chispa, y otra para el control de gases residuales, a través de la actuación de la distribución variable, realizando paralelamente una optimización de la combustión a través de la actuación de la chispa. / [CA] Impulsada per les regulacions en matèria d'emissions i CO2 la indústria automotriu a desenvolupat diferents tecnologies inovadore. Aquestes tecnologies inclouen combustibles alternatius i nous modes de combustió, entre altres. D'ací sorgix la necessitat posar en pràctica nous mètodes per al control de la combustió. En aquest context, el present trevall proposa diferents models i indicadors orientats al diagnòstic i control de la combustió tant en condicions normals com anormals. Per als casos de combustió normal, es proposa un model de combustió, l'objectiu del qual és estimar la mitjana de l'evolució de la fracció de la massa cremada i la pressió dins del cilindre. Es va implementar un observador, basat en la senyal de knock, amb la finalitat de millorar l'estimació en condicions transitòries i poder aplicar així el model a diferents tipus de combustibles. També es presenta un model de variabilitat cíclica, en el qual, a partir del model de combustió, es propaga una distribució en dos dels parametres del dit model. Ambdós models han sigut aplicats a un motor d'encesa provocada i un motor de combustió d'encesa per doll turbulent. Als casos de combustió anormal, s'ha inclos un anàlisi de la ressonància dins de la cambra de combustió, on també es van desenvolupar dos models capaços d'estimar l'evolució de la ressonància. Aquests models, tant per a condicions normals com anormals, s'utilitzen per al diagnòstic de la combustió. Per una part, per a la detecció de knock, on tres estratègies de detecció de knock s'han desenvolupat: dues basades en el sensor de pressió a la cambra de combustió i una altra basada en el sensor de knock. Per altra part, es va realitzar una aplicació d'un model de ressonància per a la millora de l'estimació de la massa atrapada a partir de la ressonància. Finalment, per a mostrar el potencial dels models de diagnòstic, dos aplicacions de control es van desenvolupar: una per al control de knock a través de l'actuació de l'espurna, i una altra per al control de gasos residuals, a través de l'actuació de la distribució variable, realitzant paral·lelament una optimització de la combustió a través de l'actuació de l'espurna. / [EN] The need to satisfy emissions and CO2 regulations is pushing the automotive industry to develop different innovative technologies. These technologies include alternative fuels and new modes of combustion, among others. Therefore, the need for the development of new methods for combustion control in these mentioned conditions arises. For this reason, in this work different models and indicators have been developed aimed at the diagnosis and control of combustion in both normal and abnormal conditions. For normal combustion cases, a combustion model has been developed, the objective of this model is to estimate the mean of evolution of the mass fraction burned and the in-cylinder pressure. An observer had been implemented, based on knock sensor signal, in order to improve the estimation in transient conditions and also to be able to make use of the model with different fuels. A cyclic variability model is also presented, where from the combustion model, a probability distribution is propagated over two of the parameters of such model. Both models had been applied for a spark ignition engine and a turbulent jet ignition combustion engine. For the abnormal combustion cases, an analysis of the resonance within the combustion chamber had been included, where two models capable of estimating the evolution of the resonance were also developed. These models, for both normal and abnormal conditions, were used for the diagnosis of combustion: on the one hand, for knock recognition, where three knock detection strategies were developed: two based on the in-cylinder pressure sensor and one on the knock sensor. On the other hand, an application of a resonance model was carried out in order to improve the estimation of the trapped mass from the resonance excitation. Finally, to show the potential of such models and applications, two control strategies were developed: one for the control of knock through the actuation of the spark advance, and a second for the control of residual gases, through the actuation of the variable valve timing, while optimizing the combustion through the actuation of the spark advance. / El trabajo desarrollado en esta tesis ha sido posible gracias a la financiación de la Generalitat Valenciana y el fondo social europeo a través de la beca 132 GRISO- LIAP/2018/132 y BEFPI/2021/042. / Jiménez, IA. (2022). Development of Combustion Indicators for Control of Multi-Fuel Engines Based on New Combustion Concepts [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181561