[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

[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