[ES] El aumento de las emisiones de CO2 en el sector del transporte ha sido continuo en estos últimos años debido principalmente a la carbonización del sector junto al aumento de la flota de vehículos. Este hecho tiene efectos adversos en la calidad medioambiental, siendo este gas uno de los principales constituyentes de los gases de efecto invernadero, contribuyendo así al calentamiento global. Para mitigar las emisiones de CO2, es necesario una política con estrictas regulaciones que conduzcan a la descarbonización del sector del transporte. En este sentido, la electrificación del sector del transporte es la principal vía para conseguir tales objetivos. Lamentablemente, pasar a la electrificación total del sector en un periodo relativamente corto de tiempo presenta ciertas dificultades, como son la alta demanda de electricidad renovable, la baja capacidad de las baterías, y la falta de estaciones de repuesto. Por ello, el uso de combustibles sintéticos obtenidos a partir de fuentes de energía renovables se presenta como una opción complementaria para ayudar a alcanzar los objetivos de reducción de emisiones de CO2, debido a que puede implementarse de forma más rápida. En la presente tesis doctoral se aborda la caracterización de dos combustibles sintéticos, OME1 y OMEX. Primeramente, se realizó un estudio para caracterizar la estructura de alta y baja temperatura de la llama de ambos combustibles bajo condiciones de referencia de la Engine Combustion Network (ECN) en una instalación de alta presión y temperatura. Posteriormente, se realizaron medidas en un motor óptico, evaluando el efecto que tiene la combinación del uso de mezclas de OMEX/diésel junto a geometrías de pistón no convencionales en la formación de hollín dentro del cilindro. El uso de geometrías de pistón no convencionales se usó debido a que en estudios usando diésel se consiguen reducciones de hollín al mejorar el proceso de mezcla aire-combustible. Por ello, se pretende analizar si ese efecto se obtiene igualmente en presencia de un combustible sintético como es el OMEX. Las instalaciones en las que se han realizado los distintos estudios presentan accesos ópticos. A través de ellos se han usado distintas técnicas de visualización, tanto basadas en laser, como en la propia radiación emitida por la llama. Como conclusiones, se podría resumir en que se ha visto que lo ya conocido sobre el proceso de combustión diésel puede ser aplicado a la combustión del OMEX, con el beneficio de que este es un combustible que no presenta estructura de precursores de hollín haciéndolo idóneo para aplicaciones reales de motor. A pesar de las incompatibilidades de este combustible con la infraestructura del motor, esta se soluciona usando mezclas con diésel, que, además, combinándolo con geometrías no convencionales de pistón se obtienen reducciones importantes de formación de hollín dentro del cilindro. / [CA] L'augment de les emissions de CO¿ en el sector del transport ha sigut continu en aquests últims anys degut principalment a la carbonització del sector al costat de l'augment de la flota de vehicles. Aquest fet té efectes adversos en la qualitat mediambiental, sent aquest gas un dels principals constituents dels gasos d'efecte hivernacle, contribuint així al calfament global. Per a mitigar les emissions de CO¿, és necessari una política amb estrictes regulacions que conduïsquen a la descarbonització del sector del transport. En aquest sentit, l'electrificació del sector del transport és la principal via per a aconseguir tals objectius. Lamentablement, passar a l'electrificació total del sector en un període relativament curt de temps presenta unes certes dificultats, com són l'alta demanda d'electricitat renovable, la baixa capacitat de les bateries, i la falta d'estacions de suministre. Per això, l'ús de combustibles sintètics obtinguts a partir de fonts d'energia renovables es presenta com una opció complementària per a ajudar a aconseguir els objectius de reducció d'emissions de CO¿, pel fet que pot implementar-se de forma més ràpida. En la present tesi doctoral s'aborda la caracterització de dos combustibles sintètics, OME1 i OMEX. Primerament, es va realitzar un estudi per a caracteritzar l'estructura d'alta i baixa temperatura de la flama de tots dos combustibles sota condicions de referència de la Engine Combustion Network (ECN) en una instal·lació d'alta pressió i temperatura. Posteriorment, es van realitzar mesures en un motor òptic, avaluant l'efecte que té la combinació de l'ús de mescles de OMEX/dièsel al costat de geometries de pistó no convencionals en la formació de sutge dins del cilindre. L'ús de geometries de pistó no convencionals es va usar pel fet que en estudis usant dièsel s'aconsegueixen reduccions de sutge en millorar el procés de mescla aïre-combustible. Per això, es pretén analitzar si aqueix efecte s'obté igualment en presència d'un combustible sintètic com és el OMEX. Les instal·lacions en les quals s'han realitzat els diferents estudis presenten accessos òptics. A través d'ells s'han usat diferents tècniques de visualització, tant basades en laser, com en la pròpia radiació emesa per la flama. Com a conclusions, es podria resumir en què s'ha vist que el ja conegut sobre el procés de combustió dièsel pot ser aplicat a la combustió del OMEX, amb el benefici que aquest és un combustible que no presenta estructura de precursors de sutge fent-lo idoni per a aplicacions reals de motor. Malgrat les incompatibilitats d'aquest combustible amb la infraestructura del motor, aquesta se soluciona usant mescles amb dièsel, que, a més, combinant-ho amb geometries no convencionals de pistó s'obtenen reduccions importants de formació de sutge dins del cilindre. / [EN] The increase in CO2 emissions in the transport sector has been continuous in recent years, mainly due to the carbonization of the sector, together with the increase in the vehicle fleet. This fact has adverse effects on environmental quality, being this gas is one of the main constituents of greenhouse gases, thus contributing to global warming. To mitigate CO2 emissions, a policy with strict regulations leading to decarbonizing the transport sector is necessary. In this regard, electrification of the transport sector is the main way to achieve such goals. Unfortunately, moving to full electrification of the sector in a relatively short time presents certain difficulties, such as high demand for renewable electricity, low battery capacity, and lack of refueling stations. Therefore, using synthetic fuels obtained from renewable energy sources is presented as a complementary option to help achieve CO2 emission reduction targets because it can be implemented more quickly. This doctoral thesis deals with characterizing two synthetic fuels, OME1 and OMEX. First, a study was carried out to characterize both fuels high and low temperature flame structures under reference conditions of the Engine Combustion Network (ECN) in a high-pressure and high-temperature installation. Subsequently, measurements were performed on an optical engine, evaluating the effect of combining the use of OMEX/diesel blends and unconventional piston geometries on in-cylinder soot formation. Non-conventional piston geometries were used because, in diesel studies, soot reductions are achieved by improving the air-fuel mixing process. Therefore, it is intended to analyze whether this effect is also obtained in the presence of a synthetic fuel such as OMEX. The facilities where the different studies have been carried out have optical accesses. Through them, different visualization techniques have been used based on laser and the radiation emitted by the flame. In conclusion, it could be summarized that it has been seen that what is already known about the diesel combustion process can be applied to the combustion of OMEX, with the benefit that this is a fuel that does not present a soot precursor structure, making it suitable for real engine applications. Despite the incompatibilities of this fuel with the engine infrastructure, this is solved by using blends with diesel, which, in addition, by combining it with non-conventional piston geometries, significant reductions in in-cylinder soot formation are obtained. / Tejada Magraner, FJ. (2023). Analysis of Fuel Effects on the Diffusive Flame Structure Using Advanced Optical Techniques in a Single Cylinder Optical Engine [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202376

[EN] Laser-induced incandescence (LII) is an optical diagnostic technique that can be used to measure the concentration and primary-particle size distributions of soot with high selectivity. This technique consists of rapid particle heating from the local ambient temperature to close to the soot sublimation temperature (~4000 K) by means of a highly energetic laser source, and the immediate recording of the strong thermal radiation as a result of a complex heat and mass transfer balance. The aim of this work is to develop an experimental methodology for measuring the soot concentration in diesel flames by means of laser-induced incandescence. The development of the methodology consists of two main parts. The first focuses on the calibration of the laser-induced incandescence signal in a laminar diffusion flame under atmospheric conditions, by using the light extinction method as a reference technique. This calibration allows for quantitative values of the concentration of soot. Along with LII measurements, simultaneous laser elastic-scattering measurements (LES) were obtained, which allowed the calculation of the maps of probability, number and relative particle diameter. For this purpose, different algorithms and corrections by digital image processing were developed. This research has also made use of a theoretical model for the LII signal with the intention of developing an adequate interpretation of the images inside the combustion chamber, identify the main limitations of the technique and propose the necessary corrections under different experimental conditions. The second part is an experimental study of the soot concentration field in a turbulent diesel flame. In this case, an experimental set-up that reproduces the thermodynamic conditions of a diesel engine was used. By strictly following the methodology developed in the first part, along with the adjustments and corrections for high-pressure systems such as compression-ignition engines, a series of parametric studies were carried out in order to characterise the effects of variations in fuel injection pressure, thermodynamic properties of air and nozzle diameter on the soot concentration distribution and its relationship with the flame structure. In this analysis, results from other optical techniques have been used, in order to understand the phenomena that determine the processes of formation and soot oxidation in turbulent flames. / [ES] La técnica de incandescencia inducida por láser (LII) es una herramienta de diagnóstico óptico que permite la medición directa de la concentración, tamaño y distribución de partículas de hollín. Esta técnica consiste en la detección de la señal de alta incandescencia emitida por las partículas de hollín que al ser calentadas mediante el uso pulsos láseres altamente energéticos, aumentan su temperatura hasta alcanzar temperaturas cercanas al punto de sublimación del hollín (~4000 K) como consecuencia de la absorción de energía y de un complejo balance de calor y masa. El objetivo de esta Tesis Doctoral consiste en desarrollar una metodología experimental para la medida de los campos de concentración de hollín en llamas Diesel mediante la técnica de incandescencia inducida por láser. El desarrollo de la metodología se compone de dos partes fundamentales. La primera de ellas se centra en la calibración de la señal de incandescencia inducida por láser en un llama de difusión laminar en condiciones atmosféricas, utilizando como referencia el método de extinción de luz. Esta calibración permite obtener valores cuantitativos de la concentración de hollín. Conjuntamente con las medidas de LII, se han obtenido medidas de la dispersión elástica de Rayleigh (LES), lo que ha permitido el cálculo de los mapas de probabilidad, número y diámetro relativo de partículas. Para este propósito se han tenido que desarrollar diferentes algoritmos y correcciones mediante procesado digital de imágenes. En esta investigación también se ha hecho uso de un modelo teórico de la señal de incandescencia para la correcta interpretación de las imágenes en la cámara de combustión, conocer sus limitaciones y proponer las correcciones necesarias bajo diferentes condiciones experimentales. La segunda parte corresponde a las medidas de concentraciones de hollín en una llama turbulenta Diesel. En este caso, se ha utilizado una instalación experimental que permite reproducir las condiciones termodinámicas de un motor Diesel. Mediante el seguimiento estricto de la metodología desarrollada en la primera parte, y con las adaptaciones y correcciones correspondientes a sistemas de alta presión como lo son los motores de encendido por compresión, se ha realizado una serie de estudios paramétricos con el fin de caracterizar los efectos en las variaciones de la presión de inyección de combustible, propiedades termodinámicas del aire y diámetro de tobera sobre los mapas de concentración de hollín. En el análisis de resultados se han utilizado otras técnicas ópticas, con el fin de comprender los fenómenos que determinan los procesos de formación y oxidación de hollín en llamas turbulentas. / [CAT] La tècnica d'incandescència induïda per làser (LII) és una ferramenta de diagnòstic òptic que permet el mesurament directe de la concentració, grandària i distribució de partícules de sutja. Esta tècnica consistix en la detecció del senyal d'alta incandescència emesa per les partícules de sutja que al ser calfades per mitjà de l'ús polsos láseres altament energètics, augmenten la seua temperatura fins a aconseguir temperatures pròximes al punt de sublimació de la sutja (~4000 K) com a conseqüència de l'absorció d'energia i d'un complex balanç de calor i massa. L'objectiu d'esta Tesi Doctoral consistix a desenrotllar una metodologia experimental per a la mesura dels camps de concentració de sutja en flames Dièsel per mitjà de la tècnica d'incandescència induïda per làser. El desenrotllament de la metodologia es compon de dos parts fonamentals. La primera d'elles se centra en la calibratge del senyal d'incandescència induïda per làser en un flama de difusió laminar en condicions atmosfèriques, utilitzant com a referència el mètode d'extinció de llum. Esta calibratge permet obtindre valors quantitatius de la concentració de sutja. Conjuntament amb les mesures de LII, s'han obtingut mesures de la dispersió elàstica de Rayleigh (LES) , la qual cosa ha permés el càlcul dels mapes de probabilitat, número i diàmetre relatiu de partícules. Per a este propòsit s'han hagut de desenrotllar diferents algoritmes i correccions per mitjà de processat digital d'imatges. En esta investigació també s'ha fet ús d'un model teòric del senyal d'incandescència per a la correcta interpretació de les imatges en la cambra de combustió, conéixer les seues limitacions i proposar les correccions necessàries davall diferents condicions experimentals. La segona part correspon a les mesures de concentracions de sutja en una flama turbulenta Dièsel. En este cas, s'ha utilitzat una instal-lació experimental que permet reproduir les condicions termodinàmiques d'un motor Dièsel. Per mitjà del seguiment estricte de la metodologia desenrotllada en la primera part, i amb les adaptacions i correccions corresponents a sistemes d'alta pressió com ho són els motors d'encesa per compressió, s'ha realitzat una sèrie d'estudis paramètrics a fi de caracteritzar els efectes en les variacions de la pressió d'injecció de combustible, propietats termodinàmiques de l'aire i diàmetre de tovera sobre els mapes de concentració de sutja. En l'anàlisi de resultats s'han utilitzat altres tècniques òptiques, a fi de comprendre els fenòmens que determinen els processos de formació i oxidació de sutja en flames turbulentes. / Buitrago García, JE. (2016). CARACTERIZACIÓN EXPERIMENTAL DE LA CONCENTRACIÓN DE HOLLÍN EN LLAMAS DIESEL MEDIANTE INCANDESCENCIA INDUCIDA POR LÁSER [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62355 / TESIS