[ES] El aumento global de las emisiones de gases de efecto invernadero desde el inicio de la Revolución Industrial se ha convertido en un grave peligro para la vida humana. Además de la generación de energía y la industria, el transporte, con el aumento del número total de vehículos en las últimas décadas, es uno de los principales responsables de este incremento exponencial de los gases causantes del calentamiento global. De hecho, ciudades como Barcelona o Madrid, entre muchas otras, están imponiendo restricciones al tráfico para mitigar esta situación. Sin embargo, la humanidad aún está a tiempo de invertir esta tendencia negativa y solucionar el problema medioambiental para las generaciones futuras. El objetivo principal de la presente Tesis se centra en el estudio, implementación y análisis del concepto de encendido por precámara pasiva para su aplicación en la próxima generación de vehículos automóviles. Más específicamente, esta investigación aborda los fenómenos físicos que intervienen en el proceso de combustión cuando se utiliza el sistema de encendido por precámara en un motor de encendido provocado. A continuación, se aplican algunas estrategias para mejorar el rendimiento térmico que se obtiene operando con este concepto. Finalmente, a partir del conocimiento generado, se presentan unas directrices básicas para el prediseño de este tipo de precámaras. La primera aproximación al concepto consiste en su implementación directa en el motor, obteniendo resultados experimentales en tres condiciones de funcionamiento diferentes en términos de carga y régimen de giro del motor. Además, también se evalúan diferentes geometrías de precámara. Aunque su implementación directa es relativamente sencilla mediante la sustitución de la bujía, la comprensión de ciertos fenómenos relevantes relacionados con la combustión, como el intercambio de gases o la penetración de los chorros, es extremadamente difícil sin el apoyo de herramientas computacionales. Esta es la principal razón que justifica el uso de herramientas numéricas 1D en la presente Tesis, ya que con un modelado adecuado basado en datos experimentales, se puede obtener información relevante en aquellas situaciones en las que no es factible generarla experimentalmente. Estas herramientas 1D tienen las ventajas de su bajo coste computacional y su capacidad de proporcionar resultados en poco tiempo. En cuanto al rendimiento térmico, se adoptan dos estrategias diferentes, como el aumento de lambda o el aumento de la tasa de recirculación de los gases de escape, para incrementar aún más las ventajas del sistema de encendido por precámara pasiva. Sin embargo, se alcanzan los límites físicos de aplicación de ambas estrategias y se proponen una serie de posibilidades para ampliar estos límites y aumentar el rendimiento térmico. Finalmente, a partir de los resultados experimentales y numéricos, se sugieren algunas pautas para diseñar una precámara que aproveche las ventajas observadas, aumentando el rendimiento térmico en comparación con los conceptos de encendido por bujía convencional y por precámara pasiva actuales. / [CA] L'augment global de les emissions de gasos d'efecte d'hivernacle des de l'inici de la Revolució Industrial s'ha convertit en un greu perill per a la vida humana. A més de la generació d'energia i la indústria, el transport, amb l'augment del nombre total de vehicles en les últimes dècades, és un dels principals responsables d'aquest increment exponencial dels gasos causants de l'escalfament global. De fet, ciutats com Barcelona o Madrid, entre moltes altres, estan imposant restriccions al trànsit per a mitigar aquesta situació. No obstant això, la humanitat encara és a temps d'invertir aquesta tendència negativa i solucionar el problema mediambiental per a les generacions futures. L'objectiu principal de la present Tesi se centra en l'estudi, implementació i anàlisi del concepte d'encesa per precàmera passiva per a la seua aplicació en la pròxima generació de vehicles automòbils. Més específicament, aquesta investigació aborda els fenòmens físics que intervenen en el procés de combustió quan s'utilitza el sistema d'encesa per precàmera en un motor d'encesa provocada. A continuació, s'apliquen algunes estratègies per a millorar el rendiment tèrmic que s'obté operant amb aquest concepte. Finalment, a partir del coneixement generat, es presenten unes directrius bàsiques per al predisseny d'aquesta mena de precàmeres. La primera aproximació al concepte consisteix en la seua implementació directa en el motor, obtenint resultats experimentals en tres condicions de funcionament diferents en termes de càrrega i règim de gir del motor. A més, també s'avaluen diferents geometries de precàmera. Encara que la seua implementació directa és relativament senzilla mitjançant la substitució de la bugia, la comprensió d'uns certs fenòmens rellevants relacionats amb la combustió, com l'intercanvi de gasos o la penetració dels dolls, és extremadament difícil sense el suport d'eines computacionals. Aquesta és la principal raó que justifica l'ús d'eines numèriques 1D en la present Tesi, ja que amb un modelatge adequat basat en dades experimentals es pot obtindre informació rellevant en aquelles situacions en les quals no és factible generar-la experimentalment. Aquestes eines 1D tenen com a principal avantatge el seu baix cost computacional i la seua capacitat de proporcionar resultats en poc temps. Quant al rendiment tèrmic, s'adopten dues estratègies diferents, com l'augment de lambda o l'augment de la taxa de recirculació dels gasos d'escapament, per a incrementar encara més els avantatges del sistema d'encesa per precàmera passiva. No obstant això, s'aconsegueixen els límits físics d'aplicació de totes dues estratègies i es proposen una sèrie de possibilitats per a ampliar aquests límits i augmentar el rendiment tèrmic. Finalment, a partir dels resultats experimentals i numèrics, se suggereixen algunes pautes per a dissenyar una precàmera que aprofite els avantatges observats, augmentant el rendiment tèrmic en comparació amb els conceptes d'encesa per bugia convencional i per precàmera passiva actuals. / [EN] The global greenhouse gas emissions increase since the start of the Industrial Revolution has become a serious hazard to human life. In addition to power generation and industry, transportation, with the rise in the total vehicle number in the last decades, is one of the main contributors to this exponential increase of global warming-causing gases. In fact, cities such as Barcelona or Madrid, among many others, are imposing traffic restrictions to mitigate this situation. However, mankind is still on time to reverse this negative tendency and fix the environmental issue for the upcoming generations. The main goal of the present Thesis focuses on the study, implementation and analysis of the passive pre-chamber ignition concept in a near-future light-duty passenger car application. To be more specific, the investigation addresses the physical phenomena involving the combustion process when pre-chamber ignition system is used in a spark-ignition engine. Then, some strategies to improve thermal efficiency while employing this concept are applied. Finally, with all the knowledge gathered, basic guidelines for a pre-chamber pre-design are presented. The first approach to the concept consists of its direct implementation in the engine, obtaining experimental results in three different operating conditions in terms of engine load and speed. Furthermore, different prechamber geometries are also evaluated. Although its direct implementation is relatively straightforward by exchanging the spark plug, understanding some of the relevant phenomena related to the combustion process, such as gas exchange or jet-tip penetration, is extremely difficult without the support of computational tools. This is the main reason supporting the use of 1D numerical tools in the present Thesis, since with proper modeling based on experimental data, further knowledge can be obtained in those situations where experimental evaluations are not feasible. These 1D tools have the benefits of their low computational cost and their ability to provide reasonably good results in a short period of time. In terms of thermal efficiency, two different strategies, such as the increase of lambda or the increase of the exhaust gas re-circulation rate, are adopted to extend further the benefits of the passive pre-chamber ignition system. However, the physical application limits of both strategies are reached, and a series of possibilities are proposed to expand these limits and increase thermal efficiency. Finally, with all the experimental and numerical results, some guidelines are suggested to design a pre-chamber that takes advantage of the benefits, increasing thermal efficiency compared with the conventional spark ignition and the current passive pre-chamber concepts. / The respondent wishes to acknowledge the financial support received through contract FPI-S2-19-21993 of the Programa de Apoyo para la Investigación y Desarrollo (PAID) of Universitat Politècnica de València. Parts of the work presented in this thesis have been supported by different collaborations with the research partner Sandia National Laboratories LLC, 7011 East Ave, Livermore, California, US. / Martínez Hernándiz, PJ. (2023). Implementation and Analysis of the Pre-Chamber Ignition Concept in a SI Engine for Passenger Car Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202063

[ES] La búsqueda por la neutralidad de carbono para mitigar los efectos del cambio climático ha impulsado la investigación de fuentes de energía alternativas, así como de formas más eficientes de utilizar la matriz energética actual y futura en todos los sectores de la economía. En el sector del transporte, que representa alrededor del 10% de las emisiones totales de gases de efecto invernadero, la electrificación y el uso de combustibles libres de carbono son alternativas a largo plazo. Sin embargo, los motores de combustión interna de alta eficiencia aún siguen jugando un papel importante en la descarbonización del sector. En este contexto, el sistema de encendido por precámara es un método promisor para aumentar la eficiencia térmica de los motores para coches de pasajeros y los motores para la generación de energía debido a su fuente de ignición de alta energía, lo que permite una operación pobre y mitiga el knock en alta carga y baja velocidad. En este marco, esta tesis tiene como objetivo profundizar el conocimiento del método de encendido por precámara, centrándose en el análisis de la eyección del chorro por medio de técnicas ópticas y datos de presión de cilindro. Para cumplir con este objetivo, se ha propuesto estudiar precámaras de un solo orificio en instalaciones experimentales simplificadas como el primer paso para mejor comprender dicho método de ignición. Partiendo de la necesidad de determinar correctamente el volumen y el diámetro del orificio de esta precámara simplificada, se ha llevado a cabo un estudio teórico y numérico para identificar los principales parámetros geométricos para reproducir lo más fielmente posible las características del chorro de una geometría de PC ya existente en una geometría simplificada. En este sentido, se ha utilizado un modelo numérico termodinámico para suministrar los datos de entrada para el modelo unidimensional de spray utilizado para predecir la penetración del chorro para diferentes geometrías de PC y condiciones de operación. Una vez conocidos los parámetros geométricos clave que gobiernan la eyección del chorro, se ha rediseñada una máquina de compresión-expansión rápida (RCEM) para estudios ópticos de precámaras y se ha evaluado el efecto de la geometría de la precámara, del dosado, y de la tasa de EGR en la eyección del chorro y la ignición de la cámara principal por medio de la presión en ambas cámaras y imágenes simultáneas de schlieren y quimioluminiscencia OH*. Por fin, como complemento al análisis de precámaras de un solo orificio en la RCEM, se ha evaluado el efecto del diámetro del orificio y los parámetros de operación del motor en un motor óptico. Se han utilizado imágenes de alta velocidad de quimioluminiscencia de banda ancha y datos de presión en el cilindro para evaluar las características del chorro y el desarrollo de la combustión en la cámara principal en tres geometrías de precámara bajo diferentes dosados. / [CA] La busca de la neutralitat de carboni per a mitigar els efectes del canvi climàtic ha impulsat la investigació de fonts d'energia alternatives, així com de formes més eficients d'utilitzar la matriu energètica actual i futura en tots els sectors de l'economia. En el sector del transport, que representa al voltant del 10% de les emissions totals de gasos d'efecte d'hivernacle, l'electrificació i l'ús de combustibles lliures de carboni són alternatives a llarg termini. No obstant això, mentrestant els motors de combustió interna d'alta eficiència continuen jugant un paper important en la descarbonització del sector del transport. En este context, el sistema d'encesa per precàmera és un mètode promissor per a augmentar l'eficiència tèrmica dels motors per a cotxes de passatgers i els motors per a la generació d'energia a causa de la seua font d'ignició d'alta energia, la qual cosa permet una operació pobra i mitiga el knock en operació a baixa velocitat i alta càrrega. En este marc, esta tesi té com a objectiu aprofundir el coneixement del procés d'encesa per precàmera, centrant-se en l'anàlisi de l'ejecció del doll per mitjà de tècniques òptiques i dades de pressió de cilindre. Per a complir amb este objectiu, s'ha proposat estudiar precàmeres d'un sol orifici en installacions experimentals simplificades com el primer pas per a comprendre este mètode d'ignició. Partint de la necessitat de determinar correctament el volum de la precàmera i el diàmetre de l'orifici d'esta configuració simplificada, es va dur a terme un estudi teòric i numèric per a identificar els principals paràmetres geomètrics per a reproduir tan bé com siga possible les característiques del doll d'una precàmera amb múltiples orificis en una geometria de precàmera simplificada. Una vegada coneguts els paràmetres geomètrics clau que impulsen l'ejecció del doll, s'ha redissenyada una màquina de compressió-expansió ràpida (RCEM) per a estudis òptics de precàmeres i s'ha avaluat l'efecte de la geometria de la precàmera, del dosatge, i de la taxa de EGR en l'ejecció del doll i la ignició de la cambra principal per mitjà de la pressió en totes dues cambres i imatges simultànies de schlieren i quimioluminescència OH*. Per fi, com a complement a l'anàlisi de precàmeres d'un sol orifici en la RCEM, s'ha avaluat l'efecte del diàmetre de l'orifici i els paràmetres d'operació del motor en un motor òptic. S'han utilitzat imatges d'alta velocitat de quimioluminescència de banda ampla i dades de pressió en el cilindre per a avaluar les característiques del doll i el desenrotllament de la combustió en la càmera principal en tres geometries de precàmera sota diferents dosatges. / [EN] The pursuit of carbon neutrality to mitigate the effects of climate change has been demanding research into alternative energy sources, as well as more efficient ways of using the current and future energy matrix in all sectors of the economy. In the transportation sector, which accounts for about 10% of the total greenhouse gas emissions, electrification and the use of carbon-free fuels are promising alternatives in the long term. In the meanwhile, however, highly efficient internal combustion engines still play an important role in the decarbonization of the transportation sector. In this context, the pre-chamber ignition system is an attractive method to increase the thermal efficiency of small engines for passenger cars and large-bore engines for power generation due to its high-energy ignition source, enabling lean operation and mitigating knock at low-speed and high-load operation. Within this framework, this present thesis aims to further understand the pre-chamber ignition concept, focusing on the jet ejection analysis by means of optical techniques and in-cylinder pressure data. In order to fulfill this objective, the study of single-orifice pre-chambers on simplified experimental facilities was proposed as the first step for understanding such ignition method. Arising from the necessity to correctly determine the pre-chamber volume and orifice diameter of this simplified configuration, a theoretical and numerical study was carried out to identify the main geometrical parameters to reproduce as much as possible the jet characteristics of an existing PC geometry into a simplified pre-chamber geometry. In this sense, an one-dimensional engine model was used to provide the input data for the one-dimensional spray model used to predict the jet penetration for different PC geometries and operating conditions. Once the key geometrical parameters that drive the jet ejection were addressed, a Rapid Compression-Expansion Machine (RCEM) was redesigned for pre-chamber optical studies, and the effect of the pre-chamber geometry, equivalence ratio, and EGR rate on the jet ejection and MC ignition was assessed by means of in-cylinder pressure on both chambers and simultaneous Schlieren and OH* chemiluminescence optical techniques. Finally, as a complement to the analysis of single-orifice pre-chambers on the RCEM, the effect of the diameter of the orifices and the engine operating parameters was assessed in a small optical engine. High-speed broadband chemiluminescence imaging and in-cylinder pressure data were used to evaluate the jet characteristics and the main chamber combustion development for three pre-chamber geometries under different mixture conditions. / This thesis was developed with the assistance of the Universitat Politècnica de València through the predoctoral contract FPI-2019-20-545. / Beltrão De Vargas Antolini, J. (2024). Assessment of the pre-chamber ignition concept: insights from rapid compression-expansion machine and optical engine testing [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/214193