Diesel-ignited gasoline and diesel-ignited methane dual fuel combustion experiments were performed in a single-cylinder research engine (SCRE), outfitted with a common-rail diesel injection system and a stand-alone engine controller. Gasoline was injected in the intake port using a portuel injector, whereas methane was fumigated into the intake manifold. The engine was operated at a constant speed of 1500 rev/min, a constant load of 5.2 bar IMEP, and a constant gasoline/methane energy substitution of 80%. Parameters such as diesel injection timing (SOI), diesel injection pressure, and boost pressure were varied to quantify their impact on engine performance and engineout ISNOx, ISHC, ISCO, and smoke emissions. The change in combustion process from heterogeneous combustion to HCCI like combustion was also observed.

Diesel-ignited methane dual fuel combustion experiments were performed in a single cylinder research engine (SCRE). Methane was fumigated into the intake manifold and injection of diesel was used to initiate combustion. The engine was operated at a constant speed of 1500 rev/min, and diesel rail pressure was maintained at 500 bar. Diesel injection timing (SOI) was varied to quantify its impact on engine performance and engine-out ISNOx, ISHC, ISCO, and smoke emissions. The SOI sweeps were performed at different net indicated mean effective pressures (IMEPs) of 4.1, 6.5, 9.5, and 12.1 bar. Intake manifold pressure was maintained at 1.5 bar for the 4.1 and 6.5 bar IMEP SOI sweeps and 1.8 bar for the 9.5 and 12.1 bar IMEP SOI sweeps. Advancing SOI to 310º and earlier resulted in reduced ISNOx. However, high methane percent energy substitution (PES) resulted in high ISHC emissions especially at low IMEP.

The objective of this thesis is to investigate and compare the performance and emissions characteristics of diesel-ignited methane and diesel-ignited propane dual fuel LTC in a single cylinder research engine (SCRE) at a constant engine load of 5.1 bar net indicated mean effective pressure (IMEP) and at a constant engine speed of 1500 RPM. Percentage of energy substitution of propane or methane (0 - 90 percent), diesel injection timing (SOI: 355 CAD – 280 CAD), rail pressure (200 bar – 1300 bar) and boost pressure (1.1 bar – 1.8 bar) were varied to quantify their impact on engine performance and engine-out ISNOx, ISHC, ISCO, and smoke emissions. Advancing SOI to 310 CAD and beyond yielded simultaneous ISNOx and smoke emissions. A rail pressure of 500 bar was the optimal one for both fueling combinations while increasing boost pressure over 1.2 bar had a very little effect on ISNOx and smoke emissions.

Diesel engine emissions of oxides of nitrogen and particulate matter can be reduced simultaneously through the use of high levels of exhaust gas recirculation (EGR) to achieve low temperature combustion (LTC). Although the potential benefits of diesel LTC are clear, the main challenges to its practical implementation are the requirement of EGR levels that can exceed 60%, high fuel consumption, and high unburned hydrocarbon and carbon monoxide emissions. These limit the application of LTC to medium loads. In order to implement the LTC strategy in a passenger vehicle engine, a transition to conventional diesel operation is required to satisfy the expected high load demands on the engine. The investigation presented in this thesis was therefore aimed at improving the viability of the high-EGR LTC strategy for steady-state and transient operation. An experimental investigation was carried out on a single cylinder high-speed direct injection diesel engine. This thesis presents research on engine in-cylinder performance and engine-out gaseous and particulate emissions at operating conditions (i.e. EGR rate, intake pressure, fuel quantity, injection pressure) likely to be encountered by an engine during transient and steady-state operation. At selected operating points, further investigation in terms of in-cylinder spray and combustion visualization, flame temperature and soot concentration measurements provided deeper insight into the combustion and emissions phenomena. Increased intake pressure at single injection high-EGR LTC operation was investigated as a strategy to reduce the emissions of partial combustion by-products and to improve fuel economy. The higher intake pressure, although effective in reducing partial combustion by-products emissions and improving fuel economy, increased the EGR requirement to achieve LTC. A split fuel injection strategy with advanced injection timing on the other hand was effective in reducing the EGR requirement for LTC from 62% with single injection to 52% with split injections at 120 kPa (absolute) intake pressure. Unburned hydrocarbon emissions and fuel economy were particularly sensitive to intake oxygen mass fraction, and injection and dwell timings with the split injection strategy. In-cylinder soot formation and oxidation mechanisms with the split injection strategy were found to be significantly different from the single injection high-EGR LTC case. Transient simulation of an engine during combustion mode transition identified engine operating parameters on a cycle-by-cycle basis. Steady-state investigation of these test conditions provided significant insight into the combustion conditions and their effect on emissions and performance. The results from this thesis demonstrated the importance of optimizing both the air handling system performance and the fuel injection system during engine transients. The increased emissions and impaired performance due to slow response of the EGR and turbocharger systems during transitions to and from LTC modes can in part be mitigated through split injections optimized for the specific transient point. This provides a clear direction for engine developers to pursue in optimizing engine calibration when running with LTC-conventional diesel dual-mode strategies.

Within this body of work several series of experiments will investigate the nature of complex combustion in an experimental single-cylinder engine emulating a modern passenger car size compression-ignition (CI) engine. Regimes of single, piloted single and piloted split-main injections will be tested and compared in terms of combustion characteristics, specific emission output and cyclic behaviour to determine how increased injection complexity affects the emissions and output of the modern CI engine. Through these tests, the effect of fuel-line stationary waves will be demonstrated and investigated, showing conclusively that optimised engine calibration is essential to account for injector-generated waves in any multiple injection scenario. This data will then be confirmed with a dedicated analysis using an injector rate measuring tube. The tests will then be expanded to include examination into the behaviour of injector needle-lift standard deviation over its operating cycle, in-cylinder pressure standard deviation behaviour and trends over the combustion cycle as well as IMEP variability. Through these tests a novel method to detect start of combustion will be proposed and compared to conventional methods. Low temperature combustion (LTC) will be tested under incremental injection complexity. Tests will be optimised for combustion phasing and injection pressure, with a view to analysis of emissions, output and cyclic behaviour to establish whether the knowledge gained about conventional combustion holds true under LTC. Optimization of engine parameters will be shown to result in easier to implement LTC regimes with superior emissions characteristics. Finally, LTC tests will be expanded to include 30% and 50% by volume gas-to-liquid fuel (GTL) blends in order to determine whether fuel characteristics further influence emissions, output and cyclic behaviour in LTC through complex injection regimes. How GTL-blend ratio affects trends in emissions and cyclic behaviour will also be examined and compared to conventional diesel fuel.

Elevada eficiencia térmica y mínimas emisiones contaminantes impuestas por las restrictivas normativas anticontaminación en motores alternativos representan el principal objetivos de los fabricantes de motores. La estrategia de combustión diésel convencional es ampliamente utilizada en el mundo gracias a su excelente economía en el consumo de carburante. Esta estrategia permite operar con mezclas pobres de combustible y aire proporcionando elevada eficiencia térmica. Además, este tipo de combustión puede ser aplicada desde motores tanto para vehículos ligeros como en motores marinos. Sin embargo, este proceso de combustión conlleva a la generación de elevadas emisiones de NOx y emisiones de partículas (comúnmente llamado hollín en los diésel), siendo imposible reducir ambos contaminantes de forma simultánea. Por tanto, los fabricantes han incorporado sistemas de post-tratamiento con el objetivo de cumplir con las normativas de emisiones, cuya intención es la de proveer emisiones más limpias y elevada eficiencia. Por el contrario, este tipo de sistemas para mitigar las emisiones contaminantes incrementan la complejidad del motor dado el complejo proceso llevado a cabo durante el post-tratamiento y una aumento en los costes tanto de producción como operativos a lo largo del ciclo de vida del motor. La comunidad científica continua desarrollando soluciones alternativas a la combustión diésel convencional manteniendo los beneficios de este proceso de combustión mientras que las emisiones son reducidas (principalmente NOx y hollín). La comunidad científica ha encontrado en las estrategias de combustión de baja temperatura un proceso de combustión capaz de proporcionar elevada eficiencia térmica y emisiones ultra bajas de NOx y humo. En este sentido, la revisión bibliográfica dice que estos tipos de combustión permiten la reducción simultánea de ambas emisiones, rompiendo así el tradicional "trade-off" existente en la combustión diésel convencional. Sobre todas las estrategias, la que muestra un potencial superior es la estrategia conocida como combustión dominada por la reactividad del combustible. Este proceso de combustión se caracteriza por emplear dos combustibles, siendo capaz de solucionar los principales problemas de las estrategias de baja temperatura tales como el fasado de la combustión. Sin embargo, esta estrategia de combustión también presenta algunos inconvenientes como el elevado nivel de monóxido de carbono e hidrocarburos inquemados a baja carga y elevado gradiente de presión y presión en cámara a elevada carga que limitan el rango de operación. El objetivo general de la presente investigación es proveer de una estrategia de combustión "dual-fuel" capaz de operar sobre todo el rango de operación de un motor proporcionando igual o mejores eficiencia térmica que el diésel convencional y emisiones ultra bajas de NOx y humos. Adicionalmente, esta investigación implica una exploración delas emisiones de las partículas del concepto de combustión ya que el número de partículas se encuentra actualmente regulado por la normativa anticontaminante. El proceso de combustión que responde a este objetivo es "Dual-Mode Dual-Fuel". Este concepto de combustión emplea dos combustibles y cambia de combustión premezclada a baja carga a combustión de naturaleza difusiva a plena carga. Con el deseo de explorar las capacidades de la estrategia de combustión, se han empleado dos configuraciones de "hardware" y se ha realizado un estudio de la distribución por tamaños de las partículas. Finalmente, considerando los principales resultados de la investigación, el último capítulo pretende resumir las principales bondades del concepto de combustión así como sus limitaciones y trabajos futuros. / Elevada eficiència tèrmica i mínimes emissions contaminants impostes per les normatives anticontaminants en motores alternatius representen el principal objectiu dels fabricants de motors. La estratègia de combustió diésel convencional es àmpliament utilitzada per tot el mon gracies al excel·lent consum de carburant. Esta estratègia permet operar el motor amb dosatges pobres que resulten en elevada eficiència tèrmica. A més, aquest tipus de combustió pot ser aplicada tant a els motor mes lleugers con als motor per aplicacions marines. No obstant això, aquest procés de combustió implica la generació de elevats nivells de emissió de NOx i sutja, que no es poden reduir simultàniament. Per tant, els fabricants han incorporat sistemes de post-tractament amb el objectiu de acomplir les normatives anticontaminació, que pretenen obtindre motors en emissions mes netes i mes eficients. Per el contrari, aquest tipus de sistemes per a reduir les emissions incrementen la complexitat del motor i els costos tant de producció com operatius al llarg del cicle de vida del motor. La comunitat científica continua desenvolupant solucions alternatives a la combustió dièsel mantenint els beneficis d¿aquest tipus de combustió però reduint les emissions (principalment NOx i sutja). La comunitat científica ha trobat a les estratègies de combustió de baixa temperatura un procés de combustió que te elevada eficiència tèrmica i extremadament baixes emissions de NOx y partícules. En aquest sentit, la revisió bibliogràfica constata que aquests tipus de combustions permeten la reducció simultània dels contaminants NOx i sutja, trencant el tradicional "trade-off" existent a la combustió dièsel. De entre totes les estratègies proposades de baixa temperatura, la estratègia combustió dominada per la reactivitat del combustible presenta mes potencial que les altres. Aquest procés de combustió es caracteritza per utilitzar dos combustibles, lo que li permet solventar els principals problemes que han aparegut al llarg de la investigació de les estratègies de baixa temperatura com el control de la combustió. No obstant, aquest concepte de combustió també presenta algunes limitacions com el excessiu nivell de monòxid de carbó e inquemats a baixa càrrega i el elevat gradient de pressió i elevada pressió en càmera a elevada càrrega que limiten el rang de operació del motor. El objectiu de la investigació es proposar un concepte de combustió "dual-fuel" que puga operar en tot el rang de operació de un motor proporcionant el mateix o millorant la eficiència tèrmica que el dièsel amb emissions ultra baixes de NOx y partícules. A més, aquesta investigació també implica realitzar una exploració de les partícules emitides per el concepte ja que actualment està regulat per les normatives anticontaminants. El procés de combustió que compleix el objectiu es diu "Dual-Mode Dual-Fuel". Aquest concepte de combustió utilitza dos combustibles de diferent reactivitat y modifica la combustió de totalment premesclada a baixa càrrega a combustió de natura difusiva a plena càrrega. Amb el desig de explorar les capacitats del concepte, s¿han arribat a provar dos configuracions de pistons diferent per a adequar la relació de compressió i també un anàlisi per tamanys de les partícules. Finalment, considerant els principals resultats obtinguts, el últim capítol pretén resumir les principals avantatges del concepte ací com les principals limitacions y , per tant, els treballs futurs. / High thermal efficiency coupled to minimum pollutants emissions imposed by the stringent standard emissions limitations in reciprocating engines represent the main target of the engine manufacturers industry. Conventional diesel combustion strategy is widely used worldwide due to its excellent fuel economy. This combustion strategy allows operating under lean mixtures of fuel and air that provide high thermal efficiency. In addition, this type of combustion can be applied from light-duty engines to large bore marine engines. However, the combustion process leads to high NOx and particle matter emissions, being impossible to reduce both pollutants simultaneously. Hence, manufactures have incorporated aftertreatment systems in order to meet the imposed standard emissions limitations, which are aimed to provide cleaner emissions and high efficiency. By contrast, these systems required for the emissions mitigation result in a very complex processes and an increase in the engine production and operational costs. The research community continues developing alternative solutions to the conventional diesel combustion concept keeping the benefits of this combustion process while the emissions are reduced (mainly focused on NOx and soot). Research community have found in the low temperature combustion strategies the combustion process able to provide excellent high thermal efficiency and ultra-low NOx and smoke emissions. In this sense, the literature review states that this types of combustion processes allow the simultaneous reduction of NOx and smoke, breaking the traditional trade-off found in diesel engines. Amongst others, the most promising strategy is the reactivity controlled compression ignition. This combustion process is characterized by using two fuels and is able to solve the main challenges of the low temperature combustion processes such as combustion phasing control. Nonetheless, the reactivity controlled strategy also presents some challenges such as excessive carbon monoxide and unburned hydrocarbons during low load operation and high pressure rise rate and in-cylinder pressure that limit the engine range operation. The general objective of this investigation is to provide a dual-fuel strategy able to operate over the whole range providing similar or better thermal efficiency that the conventional diesel combustion and ultra-low values of NOx and smoke. In addition, the investigation also explores the particle emissions of the concept since it is regulated by the standard emissions. The combustion process that responds to the target provided at the general objective is the Dual-Fuel Dual-Mode concept. This concept uses two fuels and switches from a dual-fuel fully premixed strategy (based on the RCCI concept) during low load operation to a diffusive nature during high load operation. In order to explore the capabilities of the concept, two hardware configurations are used and a particle size distribution exploration is performed. Finally, considering the main findings of the investigation, the last chapter is aimed to provide the benefits of the combustion process developed as well as the main limitations or future works of the concept. / Boronat Colomer, V. (2018). Dual-Fuel Dual-Mode combustion strategy to achieve high thermal efficiency, low NOx and smoke emissions in compression ignition engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/113413

Le moteur essence à allumage par compression (GCI), reposant sur la combustion partiellement prémélangée de l'essence (GPPC), peut potentiellement assurer des opérations efficaces et propres. Le moteur GCI s'est avéré efficace à forte charge, mais l'indice d'octane élevé de l'essence limite considérablement les opérations à faible charge. Le présent travail étudie le potentiel de l'utilisation de l'ozone, fort agent oxydant, pour améliorer la réactivité de l'essence et permettre le fonctionnement à faible charge de GCI. L'ozone peut être produit on board en équipant le moteur d'un générateur d'ozone, sans impact dramatique sur le coût du moteur et sur la complexité du contrôle du moteur. Les essais effectués avec un moteur monocylindre ont montré que l'ozone favorise la combustion HCCI de l'essence, permettant d'étendre la limite d’auto-inflammation et de réduire la température minimale nécessaire de celle-ci. Les diagnostics optiques ont montré que ces propriétés sont liées à une prolifération radicale accrue, amenées par des réactions à basse température induites par l'ozone. En parallèle, le processus de combustion GCI a été étudié dans des conditions de faible charge. Sans ozone, la température d'admission doit être considérablement augmentée pour permettre l'auto-inflammationdes mélanges essence-air pauvres. De plus, les résultats indiquent que le monoxyde d’azote (NO) contenu dans les gaz brûlés résiduels peut, dans certaines conditions, favoriser fortement la combustion GCI. Ensuite,l'effet de l'ozone a été étudié dans des conditions d'injection directe GCI. Les résultats démontrent qu’une stratégie avec double injection est nécessaire pour maximiser l’effet promoteur de l’ozone et pour contrôler le processus de combustion GCI. Enfin, l'utilisation d’une forte concentration d’ozone a permis d’atteindre des opérations à faible charge en mode GCI, avec des faibles émissions de NOx et de suie, et cela, sans avoir besoin d'augmenter la température ou la pression d'admission. / Gasoline Compression Ignition (GCI) engine, relying on Gasoline Partially Premixed Combustion (GPPC) has potential for efficient and clean operations. GCI engine showed to be effective at high load, however, the highoctane number of gasoline dramatically limits low load operations. The present work investigates the potential of using ozone, a strong oxidizing agent, to improve gasoline reactivity and enabling low load GCI operation.Ozone can be produced in-situ and on-demand by equipping the engine with an ozone generator, without a dramatic impact on the engine cost and the engine control complexity. Experiments in a single cylinder engine showed that ozone promotes gasoline HCCI combustion, making possible to extend the lean limit and reducing the minimum temperature needed for autoignition. Optical diagnostics showed that these properties are related to an increased radical proliferation related to ozone-induced low temperature reactions. In parallel, GCI combustion process was investigated under low load conditions. Without ozone, the intake temperature should be considerable increased to enable auto ignition of lean gasoline-air mixtures. Moreover, results indicated that the NO contained into residual burnt gases can strongly promote GCI low load combustion. Finally, the effect of ozone was investigated under GCI direct-injection conditions, demonstrating that low load GCI operation with low NOx and Soot emission can be achieved by seeding the intake of the engine with ozone without needing of increasing the intake charge temperature or boosting the intake pressure.

[ES] El transporte de personas, así como de carga ha evolucionado y crecido tremendamente en los últimos años. El desarrollo tecnológico debió ser adaptado a las diferentes medidas gubernamentales en términos de control de emisiones contaminantes. Desde el acuerdo de Paris en 2015 para mantener el crecimiento de la temperatura global por debajo de 1.5oC, se han impuesto también límites para las emisiones de CO2 por parte de vehículos de carretera. Para el sector del transporte pesado, se han impuesto límites de flota de 15% para 2025 y 30% para 2030 de reducción del CO2 con respecto a 2019. Por lo tanto, esta doble restricción de muy bajos niveles de emisiones contaminantes, así como de gases de efecto invernadero hacen que el sector del transporte este ante un gran desafío tecnológico. En 2022, el transporte de carga tiene un 99% de vehículos propulsados a motor de combustión interna con Diesel como combustible y sin ningún tipo de ayuda eléctrica en el sistema de propulsión. Los límites de emisiones contaminantes como Euro 6 son alcanzados con complejos sistemas de postratamiento que además agregan el consumo de Urea. Trabajos previos en la bibliografía, así como sistemas prototipo han demostrado que es posible alcanzar los objetivos de emisiones contaminantes con métodos avanzados de control de la combustión y así disminuyendo la complejidad del post tratamiento en la salida de gases. Con mayor éxito, el concepto de Reactivity Controlled Combustion Ignition puede alcanzar valores por debajo de Euro 6 con eficiencia similar a la combustión de Diesel. Sin embargo, no soluciona los problemas de emisiones de CO2. Por otro lado, en vehículos de pasajeros fue demostrado con suceso la aplicación de motores eléctricos en el sistema de propulsión para mejorar la eficiencia global del vehículo. El caso extremo son los vehículos puramente electicos donde se alcanza eficiencias por arriba del 70% contra 35% de los vehículos no electrificados. Sin embargo, limitaciones de autonomía, tiempo de carga y la no clara reducción global de la contaminación debido a las emisiones de la energía de la red eléctrica y la contaminación de las baterías de ion-litio hacen que este sistema de propulsión este bajo discusión. Para los vehículos con algún grado de electrificación, las emisiones de gases contaminantes siguen siendo un problema como para el caso no electrificado. Por lo tanto, esta tesis doctoral aborda el problema de emisiones contaminantes, así como de CO2 combinado modos avanzados de combustión con sistemas de propulsión electrificado. La aplicación de estas tecnologías se centra en el sector del transporte de carretera pesado. En particular, un camión de 18 toneladas de carga máxima que originalmente en 2022 equipa un motor seis cilindros de 8 litros con combustión convencional Diesel. El presente trabajo utiliza herramientas experimentales como son medidas en banco motor, así como en carretera para alimentar y validar modelos numéricos de motor, sistema de postratamiento, así como de vehículo. Este último es el punto central del trabajo ya que permite abordar sistemas como el mild hybrid, full hybrid y plug-in hybrid. Calibración de motor experimental dedicada a sistemas de propulsión hibrido es presentada con combustibles sintéticos y/o para llegar a los límites de Euro 7. / [CA] El transport de persones, així com de càrrega ha evolucionat i crescut tremendament en els últims anys. El desenvolupament tecnològic degué ser adaptat a les diferents mesures governamentals en termes de control d'emissions contaminants. Des de l'acord de Paris en 2015 per a mantindre el creixement de la temperatura global per davall de 1.5oC, s'han imposat també límits per a les emissions de CO¿ per part de vehicles de carretera. Per al sector del transport pesat, s'han imposat limites de flota de 15% per a 2025 i 30% per a 2030 de reducció del CO¿ respecte a 2019. Per tant, aquesta doble restricció de molt baixos nivells d'emissions contaminants, així com de gasos d'efecte d'hivernacle fan que el sector del transport aquest davant un gran desafiament tecnològic. En 2022, el transport de càrrega té un 99% de vehicles propulsats a motor de combustió interna amb Dièsel com a combustible i sense cap mena d'ajuda elèctrica en el sistema de propulsió. Els limites d'emissions contaminants com a Euro 6 són aconseguits amb complexos sistemes de posttractament que a més agreguen el consum d'Urea. Treballs previs en la bibliografia, així com sistemes prototip han demostrat que és possible aconseguir els objectius d'emissions contaminants amb mètodes avançats de control de la combustió i així disminuint la complexitat del post tractament en l'eixida de gasos. Amb major èxit, el concepte de Reactivity Controlled Combustion Ignition pot aconseguir valors per davall d'Euro 6 amb eficiència similar a la combustió de Dièsel. No obstant això, no soluciona els problemes d'emissions de CO¿. D'altra banda, en vehicles de passatgers va ser demostrat amb succés l'aplicació de motors elèctrics en el sistema de propulsió per a millorar l'eficiència global del vehicle. El cas extrem són els vehicles purament electicos on s'aconsegueix eficiències per dalt del 70% contra 35% dels vehicles no electrificats. No obstant això, limitacions d'autonomia, temps de càrrega i la no clara reducció global de la contaminació a causa de les emissions de l'energia de la xarxa elèctrica i la contaminació de les bateries d'ió-liti fan que aquest sistema de propulsió aquest baix discussió. Per als vehicles amb algun grau d'electrificació, les emissions de gasos contaminants continuen sent un problema com per al cas no electrificat. Per tant, aquesta tesi doctoral aborda el problema d'emissions contaminants, així com de CO¿ combinat maneres avançades de combustió amb sistemes de propulsió electrificat. L'aplicació d'aquestes tecnologies se centra en el sector del transport de carretera pesat. En particular, un camió de 18 tones de càrrega màxima que originalment en 2022 equipa un motor sis cilindres de 8 litres amb combustió convencional Dièsel. El present treball utilitza eines experimentals com són mesures en banc motor, així com en carretera per a alimentar i validar models numèrics de motor, sistema de posttractament, així com de vehicle. Est ultime és el punt central del treball ja que permet abordar sistemes com el mild hybrid, full *hybrid i plug-in hybrid. Calibratge de motor experimental dedicada a sistemes de propulsió hibride és presentada amb combustibles sintètics i/o per a arribar als límits d'Euro 7. / [EN] The transport of people, as well as cargo, has evolved and grown tremendously over the recent years. Technological development had to be adapted to the different government measures for controlling polluting emissions. Since the Paris agreement in 2015 limits have also been imposed on the CO2 emissions from road vehicles to keep global temperature growth below 1.5oC. For the heavy transport sector, fleet limits of 15% for 2025 and 30% for 2030 CO2 reduction have been introduced with respect to the limits of 2019. Therefore, the current restriction of very low levels of polluting emissions, as well as greenhouse gases, makes the transport sector face a great technological challenge. In 2021, 99% of freight transport was powered by an internal combustion engine with Diesel as fuel and without any type of electrical assistance in the propulsion system. Moreover, polluting emission limits such as the Euro 6 are achieved with complex post-treatment systems that also add to the consumption of Urea. Previous research and prototype systems have shown that it is possible to achieve polluting emission targets with advanced combustion control methods, thus reducing the complexity of post-treatment in the exhaust gas. With greater success, the concept of Reactivity Controlled Combustion Ignition can reach values below the Euro 6 with similar efficiency to Diesel combustion. Unfortunately, it does not solve the CO2 emission problems. On the other hand, in passenger vehicles, the application of electric motors in the propulsion system has been shown to successfully improve the overall efficiency of the vehicle. The extreme case is the purely electric vehicles, where efficiencies above 70% are achieved against 35% of the non-electrified vehicles. However, limitations of vehicle range, charging time, payload reduction and an unclear overall reduction in greenhouse emissions bring this propulsion system under discussion. For vehicles with some degree of electrification, polluting gas emissions continue to be a problem as for the non-electrified case. Therefore, this doctoral Thesis addresses the problem of polluting emissions and CO2 combined with advanced modes of combustion with electrified propulsion systems. The application of these technologies focuses on the heavy road transport sector. In particular, an 18-ton maximum load truck that originally was equipped with an 8-liter six-cylinder engine with conventional Diesel combustion. The present work uses experimental tools such as measurements on the engine bench as well as on the road to feed and validate numerical models of the engine, after-treatment system, and the vehicle. The latter is the central point of the work since it allows addressing systems such as mild hybrid, full hybrid, and plug-in hybrid. Experimental engine calibration dedicated to hybrid propulsion systems is presented with synthetic fuels in order to reach the limits of the Euro 7. / This Doctoral Thesis has been partially supported by the Universitat Politècnica de València through the predoctoral contract of the author (Subprograma 2), which is included within the framework of Programa de Apoyo para la Investigación y Desarrollo (PAID) / Martínez Boggio, SD. (2022). Study of the Potential of Electrified Powertrains with Dual-Fuel Combustion to Achieve the 2025 Emissions Targets in Heavy-Duty Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/188835

Diesel fuel is composed of a complex mixture of hundreds of hydrocarbons that vary globally depending on crude oil sources, refining processes, legislative requirements and other factors. In order to simplify the study of this fuel, researchers create surrogate fuels with a much simpler composition, in an attempt to mimic and control the physical and chemical properties of Diesel fuel. The first surrogates were single-component fuels such as n-heptane and n-dodecane. Recent advancements have provided researchers the ability to develop multi-component surrogate fuels and apply them to both analytical and experimental studies. The systematic application of precisely controlled surrogate fuels promises to further enhance our understanding of Diesel combustion, efficiency, emissions and particulates and provide tools for investigating new and alternative engine combustion systems. This thesis employed analytical and experimental methods to develop, validate and study a library of multi-component surrogate Diesel fuels. The first step was to design a surrogate fuel to precisely match the physical and chemical properties of a full-range petroleum Diesel fuel with 50 cetane number and a typical threshold soot index value of 31. The next step was to create a Surrogate Fuel Library with 18 fuels that independently varied two key fuel properties: cetane number and threshold soot index. Within the fuel library cetane number ranged from 35 to 60 at three threshold soot index levels of 17, 31 and 48 (low, mid-range and high). Extensive ASTM fuel property tests showed that good agreement with important physical and chemical properties of petroleum Diesel fuel such as density, viscosity, heating value and distillation curve. An experimental investigation was conducted to evaluate the combustion, emissions, soot and exhaust particles from the petroleum Diesel fuel and the matching surrogate fuel. A fully-instrumented single-cylinder Diesel engine was operated with combustion strategies including Premixed Charge Compression Ignition (PCCI), Low-Temperature Combustion (LTC) and Conventional Diesel Combustion (CDC). For combustion, the ignition delay, low-temperature (first stage) and high temperature (second stage) heat-release matched very well. Gaseous emissions, soot and exhaust particles maintained good agreement as exhaust gas recirculation and combustion phasing were varied. This thesis demonstrated that fully representative Diesel surrogate fuels could be tailored with the proper blending of the following hydrocarbon components: n-hexadecane, 2,2,4,4,6,8,8-heptamethylnonane, decahydronaphthalene and 1-methylnaphthalene. It was also established that the volumetric blending fractions of these four components could be varied to independently control the fuel cetane number and threshold soot index while retaining the combustion, physical and chemical properties of full-range petroleum Diesel fuel. The Surrogate Fuel Library provided by this thesis supplies Diesel engine researchers and designers the ability to analytically and experimentally vary fuel cetane number and threshold soot index. This new capability to independently vary two key fuel properties provides a means to further enhance the understanding of Diesel combustion and design future combustion systems that improve efficiency and emissions. / El combustible diésel está compuesto por cientos de hidrocarburos cuya presencia y proporción varía dependiendo del origen del crudo, del proceso de refinado, de los requerimientos legislativos, y de muchos otros factores. Para evitar las dificultades que produce esta variabilidad y complejidad en su composición, en los estudios sistemáticos, los investigadores suelen trabajar con combustibles de sustitución, mucho más sencillos, pero que reproducen las propiedades químicas y físicas del gasóleo. Los primeros combustibles de sustitución estuvieron formados por un solo componente, como el n-heptano y el n-dodecano. Recientemente se han desarrollado combustibles de sustitución multi-componentes, que se aplican tanto a estudios experimentales como de modelado. La aplicación sistemática de combustibles de sustitución controlados con precisión es una vía prometedora para mejorar la comprensión de la combustión Diesel, su eficiencia, y sus emisiones y proporciona herramientas para la investigación de sistemas de combustión nuevos y alternativos. En esta tesis se han empleado métodos experimentales y de cálculo para desarrollar, estudiar y validar una librería de combustibles de sustitución multi-componentes. El primer combustible de sustitución se diseñó para reproducir con precisión las propiedades físicas y químicas de un gasóleo con número de cetano 50 y un índice de hollín umbral (TSI) de 31.El siguiente paso fue crear una biblioteca de combustibles de sustitución con 18 combustibles que pueden modificar independientemente dos propiedades clave del combustible: índice de cetano y TSI. En la biblioteca de combustibles el número de cetano osciló entre 35 y 60 con tres niveles de TSI iguales a 17, 31 y 48 (bajo, medio y alto rango). Los ensayos según la normativa ASTM demostraron una buena coincidencia con las propiedades del gasóleo como densidad, viscosidad, poder calorífico y curvas de destilación. Para comprobar la validez de la librería, se realizó un estudio experimental comparativo sobre el proceso de combustión, las emisiones gaseosas, hollín y partículas de un gasóleo y de su combustible de sustitución ajustado. El estudio se realizó con un motor monocilíndrico Diesel completamente instrumentado y operando con estrategias de combustión en premezcla parcial (PPCI) y de baja temperatura (LTC), además de la combustión Diesel convencional (CDC). Los parámetros de la combustión como el retraso al encendido y la liberación de calor tanto de baja como de alta temperatura se aproximaron muy bien. Las emisiones de gases, hollín y partículas también fueron similares al variar el nivel de EGR y la fase de la combustión. La tesis demuestra que se pueden encontrar combustibles de sustitución perfectamente representativos de un gasóleo corriente, en base a mezclas apropiadas de n-hexadecano, 2,2,4,4,6,8,8-heptamethylnonano, decahidronaftaleno y 1-metilnaftaleno. Asimismo, se concluye que variando la proporción de estos cuatro componentes se puede controlar independientemente el número de cetano y el índice de hollín umbral, a la vez que se mantienen las propiedades físico-químicas y de combustión del gasóleo. La librería de combustibles de sustitución definida en esta tesis es una herramienta a disposición de los investigadores para profundizar en el conocimiento de la combustión diésel y avanzar en el diseño de sistemas futuros de combustión con mejor rendimiento y menores emisiones. / El combustible Diesel està compost per centenars d'hidrocarburs, la presència i proporció dels quals varia depenent de l'origen del cru, del procés de refinat, dels requeriments legislatius, i de molts altres factors. Per a evitar les dificultats que produeix aquesta variabilitat i complexitat en la seua composició, en els estudis sistemàtics, els investigadors solen treballar amb combustibles de substitució, molt més senzills, però que reprodueixen les propietats químiques i físiques del gasoil. Els primers combustibles de substitució van estar formats per un sol component, com el n-heptà i el n-dodecà. Recentment s'han desenvolupat combustibles de substitució multi-components, que s'apliquen tant a estudis experimentals com de modelatge. L'aplicació sistemàtica de combustibles de substitució controlats amb precisió és una via prometedora per a millorar la comprensió de la combustió Dièsel, la seua eficiència, i les seues emissions i proporciona eines per a la recerca de sistemes de combustió nous i alternatius. En aquesta tesi s'han emprat mètodes experimentals i de càlcul per a desenvolupar, estudiar i validar una llibreria de combustibles de substitució multi-components. El primer combustible de substitució es va dissenyar per a reproduir amb precisió les propietats físiques i químiques d'un gasoil amb índex de cetà 50 i un índex de sutge límit (TSI) de 31. El següent pas va ser crear una biblioteca de combustibles de substitució amb 18 combustibles que poden modificar independentment dues propietats clau del combustible: índex de cetà i TSI. En la biblioteca de combustibles l'índex de cetá va oscil·lar entre 35 i 60 amb tres nivells de TSI iguals a 17, 31 i 48 (baix, mitjà i alt rang). Els assajos segons la normativa ASTM van demostrar una bona coincidència amb les propietats del gasoil com a densitat, viscositat, poder calorífic i corbes de destil·lació. Per a comprovar la validesa de la llibreria, es va realitzar un estudi experimental comparatiu sobre el procés de combustió, les emissions gasoses, sutge i partícules d'un gasoil i del seu combustible de substitució ajustat. L'estudi es va realitzar amb un motor monocilíndric Dièsel completament instrumentat i operant amb estratègies de combustió en premescla parcial (PPCI) i de baixa temperatura (LTC), a més de la combustió Dièsel convencional (CDC). Els paràmetres de la combustió com el retard a l'encès i l'alliberament de calor tant de baixa com d'alta temperatura es van aproximar molt bé. Les emissions de gasos, sutge i partícules també van ser similars en variar el nivell d'EGR i la fase de la combustió. La tesi demostra que es poden trobar combustibles de substitució perfectament representatius d'un gasoil corrent, sobre la base de mescles apropiades de n-hexadecà, 2,2,4,4,6,8,8-heptamethylnonà, decahidronaftalé i 1-metilnaftaleno. Així mateix, es conclou que variant la proporció d'aquests quatre components es pot controlar independentment l'índex de cetà i l'índex de sutge límit, alhora que es mantenen les propietats físic-químiques i de combustió del gasoil. La llibreria de combustibles de substitució definida en aquesta tesi és una eina a la disposició dels investigadors per a aprofundir en el coneixement de la combustió Diesel i avançar en el disseny de sistemes futurs de combustió amb millor rendiment i menors emissions. / Szymkowicz, P. (2017). ANALYTICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF MULTI-COMPONENT SURROGATE DIESEL FUELS [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90406

Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) combustion is an alternative combustion mode in which the fuel is homogeneously mixed with air and is auto-ignited by compression. Due to charge homogeneity, this mode is characterized by low equivalence ratios and temperatures giving simultaneously low nitric oxide (NOx) and soot in diesel engines. The conventional problem of NOx-soot trade-off is avoided in this mode due to absence of diffusion combustion. This mode can be employed at part load conditions while maintaining conventional combustion at high load thus minimizing regulatory cycle emissions and reducing cost of after-treatment systems. The present study focuses on achieving this mode in a turbocharged, common rail, direct injection, four-cylinder, heavy duty diesel engine. Specifically, the work involves a combination of three-dimensional CFD simulations and experiments on this engine to assess both traditional and novel strategies related to fuel injection. The first phase of the work involved a quasi-dimensional simulation of the engine to assess potential of achieving HCCI. This was done using a zero-dimensional, single-zone HCCI combustion model with n-heptane skeletal chemistry along with a one-dimensional model of intake and exhaust systems. The feasibility of operation with realistic knock values with high EGR rate of 60% was observed. The second aspect of the work involved three-dimensional CFD simulations of the in-cylinder process with wall film prediction to evaluate injection strategies associated with Early Direct Injection (EDI). The extended Coherent Flame Model-3Zone (ECFM-3Z) was employed for combustion simulation of conventional CI and EDI, and was validated with experimental in-cylinder pressure data from the engine. A new Uniformity Index (UI) parameter was defined to assess charge homogeneity. Results showed significant in-homogeneity and presence of wall film for EDI. Simulations were conducted to assess improvement of charge homogeneity by several strategies; narrow spray cone angle, injection timing, multiple injections, intake air heating, Port Fuel Injection (PFI) as well as combination of PFI and EDI. The maximum UI achieved by EDI was 0.78. The PFI strategy could achieve UI of 0.95; however, up to 50% of fuel remained trapped in the port after valve closure. This indicated that except EDI, none of the above-mentioned strategies could help achieve the benefits of the HCCI mode. The third part of the work involved engine experimentation to assess the EDI strategy. This strategy produced lower soot than that of conventional CI combustion with very short combustion duration, but led to high knock and NOx which is attributed to pool fire burning phenomenon of the wall film, as confirmed by CFD. An Optimized EDI (OptimEDI) strategy was then developed based on results of CFD and Design of Experiments. The Optim EDI consisted of triple injections with split ratio of 41%-45%-14% and advancing the first injection. This strategy gave 20% NOx and soot reduction over the conventional CI mode. Although this strategy gave encouraging results, there was a need for more substantial reduction in emissions without sacrificing efficiency. Hence, a novel concept of utilizing air-assisted Injection (AAI) into the EGR stream was employed, as this implied injecting very small droplets of fuel into the intake which would have sufficient residence time to evaporate before reaching the cylinder, thereby enabling HCCI. The fourth and final part of the work involved engine experimentation with AAI, and combination of OptimEDI with AAI. Results with 20% EGR showed that 5 to 10% of AAI gave further reduction in NOx but not in soot. With experiments involving 48% EGR rate, there was soot reduction of 75% due to combined AAI-EDI. NOx was negligible due to the high EGR rate. Thus, the significant contribution of this work is in proving that combining AAI with EDI as a novel injection strategy leads to substantial NOx and soot reduction.