El objetivo global de esta tesis está encaminado a la construcción de las herramientas conceptuales necesarias para analizar de forma sencilla los mecanismos físicos que gobiernan el proceso de combustión de los chorros de combustible bajo las condiciones de contorno de un motor Diesel de inyección directa de unos dos litros de cilindrada unitaria altamente sobrealimentado. El trabajo parte del conocimiento sobre el comportamiento del chorro Diesel isotermo existente en el grupo de trabajo en el que se desarrolla. En primer lugar, se ha realizado una revisión para identificar los aspectos del proceso de inyección--combustión Diesel que deben ser tenidos en cuenta para realizar esta descripción sencilla. Por otra parte, se ha trabajado sobre el supuesto ampliamente aceptado de que esta descripción puede apoyarse en el análisis del chorro Diesel como si se tratara de un chorro gaseoso. De acuerdo con ella, se ha desarrollado un estudio profundo del chorro gaseoso basado en simulaciones numéricas y en razonamientos teóricos. Los conceptos de fracción de mezcla, relaciones de estado y diámetro equivalente han sido adaptados de forma sencilla para la descripción de los chorros gaseosos con la mayor generalidad posible, tanto en el caso inerte como reactivo. Estos conceptos han sido extendidos posteriormente al caso del chorro Diesel. De esta manera se han estudiado en apartados sucesivos los problemas de la evaporación, el autoencendido y la llama de difusión Diesel mediante resultados experimentales obtenidos a partir de técnicas convencionales y ópticas. Los razonamientos apoyados en los conceptos de chorro gaseoso han permitido completar una descripción sencilla pero rigurosa de los procesos físicos relevantes para la evolución de los chorros de combustible. / García Oliver, JM. (2004). Aportaciones al estudio del proceso de combustión turbulenta de chorros en motores diesel de inyección directa [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/55164

[EN] Since the last two decades of the XX century and still nowadays the automotive industry has resorted to the very understanding of the combustion process. Regarding the Diesel engine many contributions has been built from the machine itself or test rigs that simulate real operating conditions. Based on that, the use of non-intrusive optical techniques has propelled the understanding of Diesel combustion phenomena, and extended conceptual models as Dec stablishes the Diesel flame morphology from the visualization of the injection/combustion process. From such combustion process picture, a review of the current state of the art has been done in order to assess on the still remain questions of the injection/combustion areas open to knowledge contribution. In that sense, it has been identified that Diesel flame transient evolution turns contradictory either on the final penetration result or the difficulties involved with reacting spray studies. While the quantification of the soot and its temperature in diffusive conditions might be related with high uncertainties of the experimental set-up, i.e. with the final result. The approach of this thesis is experimental; therefore, it considers the experimental conditions to ideally address the investigation with two main optical techniques, schlieren visualization and the two color method. Regarding the first one, the solution to saturation of the camera sensor enabled a reliable penetration on the reacting spray penetration. This technique added value has helped to evaluate two different test rigs in order to define the ideal environment (optical technique + test rig) to better describe the reacting spray. Regarding two color thermometry, experimental calibration has helped to define the basis to obtain a spatial relationship of images with different spectral information and to significantly improve the technic results. As a result, using standard techniques to investigate lift-off length of diffusion flames has helped to establish that the schlieren image with temporal resolution is feasible from the radial expansion in the auto-ignition area. Schlieren results: penetration, inert and reactive spray angle and lift-off have supported the description of the evolution of penetration flame phases, which compared with an inert jet have been modified by the establishment of the combustion. Depending on the radial and axial flame expansion the process description can be modified according to the variation of combustion conditions. Although, in the overall description framework the 5 stages of penetration: inert, self-ignition and expansion, stabilization, acceleration and quasi stationarity are kept. On the other hand, research on competing fuels in the formation of soot as n-heptane and Diesel, has helped to establish the sensitivity of soot indicators under different operating conditions evaluated in an optical engine. As an overall, understanding the evolution of the flame front penetration and soot formation in diffusive flames provides an extensive data with which it is possible to feed complex calculation models as the CFD and thus, provide additional elements for comprehending the radial and axial flame expansion processes; something that in the present work has been analyzed only from the macroscopic point of view document. / [ES] A lo largo de las dos últimas décadas del final del siglo XX y aún hasta la actualidad la industria de automoción ha recurrido al entendimiento de los procesos que gobiernan el proceso de combustión. En el caso del motor Diesel, muchos son los aportes que se han construido en tal sentido a partir de estudios sobre el motor propiamente dicho o a través de herramientas que simulan las condiciones de operación de este. Con ello, la introducción de medidas no intrusivas de carácter óptico ha impulsado el entendimiento del fenómeno de combustión Diesel. Conceptos tan amplios como el Dec establecen la morfología de la llama Diesel generados a partir de la visualización del proceso de inyección/combustión. A partir de esta fotografía del proceso de combustión, se ha hecho un revisión de cuál es el estado del arte actual con la finalidad de identificar los aspectos de inyección y combustión que en la literatura permanecen aún abiertos al aporte de conocimiento. En ese sentido, se ha identificado que el conocimiento de la evolución transitoria de llamas Diesel resulta contradictoria, bien por el resultado final de penetración o por la dificultad planteada al estudiar chorros reactivos. Mientras que en condiciones de combustión por difusión, la cuantificación del hollín y su temperatura parece estar relacionada con un alta incertidumbre asociada al desarrollo experimental, en sí, con el resultado final. El enfoque de esta tesis es experimental, y por tanto se plantean las condiciones experimentales para afrontar de manera idónea la investigación con dos técnicas ópticas principales, la visualización schlieren y la termometría de dos colores. Respecto a la primera, la solución al fenómeno de saturación de sensores de cámara de visualización ha permitido establecer una medida fiable de la penetración del chorro reactivo. Este valor agregado a la técnica, ha permitido evaluar dos instalaciones disponibles en el grupo de investigación donde se ha desarrollado la investigado y definir el entorno experimental técnica + instalación ideal para la descripción de evolución transitoria de la llama. Respecto a la termometría de dos colores, la puesta a punto experimental ha permitido establecer las bases para establecer una relación espacial de imágenes con información espectral diferente y mejorar sensiblemente el resultado de la técnica. Como resultados, el apoyo en técnicas estándar para la investigación de la longitud de lift-off de llamas de difusión, ha permito establecer comparativamente que la medida a partir de la imagen de schlieren con resolución temporal es factible a partir de la expansión radial en la zona de autoencendido. Los resultados de schlieren: penetración, ángulo de chorro inerte/reactivo y el lift-off han apoyado la descripción de las fases de la evolución de le penetración de llama, que en comparación con un chorro-inerte se ha visto modificada por el establecimiento de la combustión. Dependiendo de la expansión radial y axial de la llama la descripción del proceso puede modificarse según varían las condiciones de combustión, aunque el marco global de la descripción se mantienen las 5 fases de penetración: Inerte, autoencendido y expansión, estabilización, aceleración y cuasi estacionalidad. Por otra parte, la investigación sobre combustibles contrapuestos en la formación de hollín como el n-Heptano y Diesel, han permitido establecer la sensibilidad de indicadores de la cantidad de hollín y su en diferentes condiciones de operación evaluadas en un motor óptico. En conjunto, el entendimiento de la evolución del penetración del frente y de llama y la formación de hollín en llamas difusivas provee de una matriz de ensayos extensa con la cual es posible alimentar modelos de cálculos complejos como el CFD y así, proporcionar elementos adicionales para el entendimiento de los procesos de expansión radial y axial de la llama. Algo que en e / [CA] Al llarg de les dues últimes dècades del final del segle XX i encara fins a l'actualitat la indústria d'automoció ha recorregut a l'enteniment dels processos que governen el procés de combustió. En el cas del motor Diesel, molts són les aportacions que s'han construït en aquest sentit a partir d'estudis sobre el motor pròpiament dit o a través d'eines que simulen les condicions d'operació d'aquest. Amb això, la introducció de mesures no intrusives de caràcter òptic ha impulsat l'enteniment del fenomen de combustió dièsel. Models conceptuals tan amplis com el de Dec estableixen la morfologia de la flama Diesel generats a partir de la visualització del procés d'injecció / combustió. A partir d'aquesta fotografia del procés de combustió, s'ha fet un revisió de quin és l'estat de l'art actual amb la finalitat d'identificar els aspectes d'injecció i combustió que en la literatura romanen encara oberts a l'aportació de coneixement. En aquest sentit, s'ha identificat que el coneixement de l'evolució transitòria de flames Diesel resulta contradictòria, bé pel resultat final de penetració o per la dificultat plantejada en estudiar dolls reactius. Mentre que en condicions de combustió per difusió, la quantificació del sutge i la seva temperatura sembla estar relacionada amb una alta incertesa associada al desenvolupament experimental, en si, amb el resultat final. L'enfocament d'aquesta tesi és experimental, i per tant es plantegen les condicions experimentals per afrontar de manera idònia la investigació amb dues tècniques òptiques principals, la visualització schlieren i la termometria de dos colors. Respecte a la primera, la solució al fenomen de saturació de sensors de cambra de visualització ha permès establir una mesura fiable de la penetració del doll reactiu. Aquest valor afegit a la tècnica, ha permès avaluar dues instal·lacions disponibles en el grup de recerca on s'ha desenvolupat el treball i definir l'entorn experimental tècnica + instal·lació ideal per a la descripció d'evolució transitòria de la flama. Respecte a la termometria de dos colors, la posada a punt experimental ha permès establir les bases per establir una relació espacial d'imatges amb informació espectral diferent i millorar sensiblement el resultat de la tècnica. Com a resultats, el suport en tècniques estàndard per a la recerca de la longitud de lift-off de flames de difusió, ha permès establir comparativament que la mesura a partir de la imatge de schlieren amb resolució temporal és factible a partir de l'expansió radial en la zona d'autoencesa. Els resultats de schlieren: penetració, angle de doll inert / reactiu i lift-off han donat suport a la descripció de les fases de l'evolució de la penetració de flama, que en comparació amb un doll inert s'ha vist modificada per l'establiment de la combustió. Depenent de l'expansió radial i axial de la flama la descripció del procés pot modificar-se segons varien les condicions de combustió, tot i que en el marc global de la descripció es mantenen les 5 fases de penetració: Inert, autoencesa i expansió, estabilització, acceleració i quasi estacionalitat . D'altra banda, la investigació sobre combustibles contraposats en la formació de sutge com el n-heptà i Diesel, han permès establir la sensibilitat d'indicadors de la quantitat de sutge i la seva en diferents condicions d'operació avaluades en un motor òptic. En conjunt, l'enteniment de l'evolució del penetració del front de flama i la formació de sutge en flames difusives proveeix d'una matriu d'assajos extensa amb la qual és possible alimentar models de càlculs complexos com el CFD i així, proporcionar elements addicionals per l'enteniment dels processos d'expansió radial i axial de la flama. Una cosa que en aquest document s'ha analitzat només des del punt de vista macroscòpic. / Briceño Sánchez, FJ. (2016). APORTACIONES AL ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN TRANSITORIA DE LLAMAS DE DIFUSIÓN DIESEL [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61485

[EN] The overall objective of this doctoral thesis is to deepen in combustion diagnosis from in-cylinder pressure in direct injection Diesel engines. This work stems from the knowledge of pressure signal acquisition and combustion diagnosis by means of thermodynamic modelling, existing in the research group where it has been developed. Starting from a general scheme of the combustion diagnosis process, that includes a reference diagnosis model, the most important uncertainties related with the experimental measurements, engine and calculation sub-models, have been identified. At this point, the work was oriented, on one hand, to the development of a trustworthy procedure to adjust the engine uncertainties, and on the other hand, to the improvement of the reference diagnosis model, priorizing the most critical aspects. This has led to the implementation of a procedure for the engine characterization, based on motoring tests, and has produced some contributions related to the pressure signal processing, the estimation of the conditions at the intake valve closing, the heat transfer to the chamber walls and the rate of fuel injection-evaporation. The most suitable experimental, theoretical or calculation tools have been used in each case, such as wall temperature measurements, CFD calculation or one-dimensional unsteady gas-dynamic modelling (1D). This thesis allows to increase the accuracy and robustness of the calculation of the thermodynamic gas conditions in the cylinder as well as the heat transfer to the chamber wall, and thus a better heat release law and combustion characterization is obtained. / [ES] El trabajo desarrollado en la presente tesis doctoral está encaminado a profundizar en el diagnóstico de la combustión a partir de la señal de presión en el cilindro en los motores Diesel de inyección directa. Para ello, se dispone del conocimiento previo sobre adquisición de señal de presión y diagnóstico de la combustión mediante el modelado termodinámico existente en el grupo de trabajo en que se ha desarrollado. Partiendo de un esquema general del proceso de diagnóstico de la combustión, que incluye un modelo de diagnóstico de referencia, se han identificado cuales son las incertidumbres experimentales, del motor y de los diferentes submodelos de cálculo, más importantes para los resultados. En este punto, el trabajo se ha orientado, por un lado, al desarrollo de un procedimiento fiable de ajuste de incertidumbres del motor y por otro, a la mejora del modelo de diagnóstico de referencia, priorizando los aspectos más críticos. Esto ha llevado a implementar un procedimiento de caracterización del motor basado en ensayos sin combustión y a la realización de aportaciones relativas al tratamiento de la señal de presión instantánea, la estimación de las condiciones al cierre de la válvula de admisión, la transmisión de calor a las paredes de la cámara y la tasa de inyección-evaporación del combustible. Para ello se ha hecho uso de las herramientas experimentales, teóricas y de cálculo más apropiadas en cada caso, entre las que cabe destacar la medida de la temperatura de paredes de la cámara, el cálculo CFD o el modelado unidimensional de la dinámica de gases no estacionaria (1D). El trabajo realizado aporta precisión y robustez al cálculo de las condiciones termodinámicas en la cámara y la transmisión de calor a las paredes, lo que mejora el cálculo de la ley de liberación de calor y permite una mejor caracterización de la combustión. / [CA] El treball dut a terme en la present Tesi doctoral està encaminat a aprofundir en el diagnòstic de la combustió a partir del senyal de pressió en el cilindre en els motors Dièsel d’injecció directa. Per a això, es disposa del coneixement previ sobre adquisició de senyal de pressió i diagnòstic de la combustió per mitjà del modelatge termodinàmic existent en el grup de treball en què s’ha desenvolupat. Partint d’un esquema general del procés de diagnòstic de la combustió, que inclou un model de diagnòstic de referència, s’han identificat quines són les incerteses experimentals, del motor i dels diferents submodels de càlcul, m´es importants per als resultats. En aquest punt, el treball s’ha orientat, d’una banda, al desenvolupament d’un procediment fiable d’ajust d’incerteses del motor i d’un altre, a la millora del model de diagnòstic de referència, prioritzant els aspectes més crítics. Açò ha portat a implementar un procediment de caracterització del motor basat en assajos sense combustió i a la realització d’aportacions relatives al tractament del senyal de pressió instantània, l’estimació de les condicions al tancament de la vàlvula d’admissió, la transmissió de calor a les parets de la cambra i la taxa d’injecció-evaporació del combustible. Per a això s’ha fet ús de les ferramentes experimentals, teòriques i de càlcul més apropiades en cada cas, entre les que cal destacar la mesura de la temperatura de parets de la cambra, el càlcul CFD o el modelatge unidimensional de la dinàmica de gasos no estacionària (1D). El treball realitzat aporta precisió i robustesa al càlcul de les condicions termodinàmiques en la cambra així com a la transmissió de calor a les parets, la qual cosa millora el càlcul de la llei d’alliberament de calor i permet una millor caracterització de la combustió. / Martín Díaz, J. (2007). Aportación al diagnóstico de la combustión en motores Diesel de inyección directa [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/135955

[EN] The research work presented on this thesis has been performed in the framework of the development and optimization of the combustion system of a novel two-stroke CI engine, with a scavenging configuration through poppet-valves, which has been specifically designed for a light-duty vehicle application. The main objective of this investigation is to improve the existing understanding about two-stroke poppet-valves engines, and assess the main relationships between the gas exchange and combustion processes in this type of architecture, with the aim of evaluating their impact on the exhaust emissions formation processes and on final engine efficiency. Then, the performance of this two-stroke engine is going to be optimized while operating in conventional diesel mixing-controlled controlled combustion; and in a second step, two advanced premixed combustion concepts will be evaluated to identify their potential for decreasing NOx and soot emissions compared to CDC as well as its main technological limitations. The methodology proposed on this thesis combines both a theoretical and experimental approach, that allows maximizing the available information about the basic phenomena involved in the various processes under study, while also keeping an efficient optimization approach to reduce as much as possible the number of necessary experimental tests. Additionally, to analyze in detail the physical relationships between the local cylinder gas conditions (such as the oxygen concentration, the combustion temperature and the equivalence ratio) and the formation of exhaust emissions, particularly NOx and soot, it was necessary to develop and setup different theoretical tools to complement and support the experimentally measured trends. To achieve these objectives, the research work has been divided in two sequential stages: first, the conventional diesel combustion is studied and optimized, based on a proper combination of engine settings that have a strong influence over the characteristics of the mixing-controlled combustion; and in a second step, two advanced combustion concepts are implemented and analyzed, the highly-premixed combustion (HPC) of diesel and the partially premixed combustion (PPC) using a fuel with higher resistance to autoignition (in this case it has been used a RON95 gasoline). In this phase of the research, special emphasis has been made to the gasoline PPC concept, since this combustion mode showed the highest potential and most promising results during the initial implementation studies. Accordingly, the last stage of the research was mainly focused on the detailed study of the effect of different injection settings over the characteristics of the gasoline PPC concept. Finally, the main results obtained with the gasoline PPC concept have been compared against the optimized points found in CDC, in regards to the final exhaust emissions levels, specific fuel consumption and indicated efficiency. / [ES] El trabajo de investigación presentado en esta tesis doctoral está enmarcado en el desarrollo y optimización del sistema de combustión de un novedoso motor de dos tiempos de encendido por compresión, que presenta una arquitectura de barrido por válvulas en culata, y que ha sido diseñado para aplicaciones de automoción dentro de la gama de coches compactos. El objetivo principal de esta investigación ha consistido en mejorar el conocimiento existente sobre los motores dos tiempos con arquitectura de barrido por válvulas, y a la vez identificar los principales vínculos entre los procesos de renovación de la carga y de combustión, con el fin de cuantificar su impacto sobre la formación de emisiones contaminantes y el rendimiento térmico del motor. Adicionalmente, se desea optimizar las prestaciones de este motor de dos tiempos operando con el proceso de combustión diésel convencional controlada por mezcla, así como evaluar el potencial de distintos conceptos avanzados de combustión de baja temperatura con fase de premezcla extendida, con el fin de reducir los niveles de emisiones contaminantes y mejorar el consumo específico de combustible del motor. La metodología utilizada en esta tesis ha sido concebida combinando un enfoque teórico-experimental, que permite maximizar la información que se puede obtener acerca de los fenómenos físicos involucrados en los diferentes procesos objeto de estudio, y a la vez conservar un enfoque de optimización eficiente reduciendo en la medida de lo posible el número de ensayos experimentales requeridos. Con la finalidad de analizar en detalle la relación que existe entre las condiciones en el cilindro (como lo es la concentración de oxígeno, la temperatura de combustión y el dosado local) y el proceso de formación de emisiones contaminantes, especialmente de NOx y hollín, se desarrollaron y utilizaron distintas herramientas teóricas para complementar y sustentar los comportamientos y tendencias observadas mediante los ensayos experimentales, tanto para el modo de combustión diésel convencional como para los conceptos avanzados de combustión. Para la consecución de dichos objetivos se ha seguido una estructura secuencial en la cual el trabajo de investigación ha sido desarrollado en dos grandes bloques: primero, se analizó y optimizó el proceso de combustión diésel convencional, mediante la combinación adecuada de parámetros de operación del motor que modifican apreciablemente las características del proceso de combustión controlada por mezcla; y segundo, se logró implementar y evaluar el desempeño de dos conceptos avanzados de combustión, específicamente el modo combustión altamente premezclado de tipo HPC utilizando diésel como combustible (acrónimo de "Highly-Premixed Combustion") y el modo de combustión parcialmente premezclada de tipo PPC ("Partially Premixed Combustion") utilizando un combustible con mayor resistencia a la auto-ignición (en este caso se utilizó gasolina de octanaje 95). En esta segunda fase, se hizo énfasis en el análisis del concepto de combustión PPC con gasolina, ya que este arrojó los resultados más prometedores durante la fase inicial de implementación. Consecuentemente, la última etapa de la investigación se centró en el estudio detallado del efecto de distintos parámetros de inyección sobre las características del proceso de combustión de tipo PPC. Finalmente, se ha comparado críticamente dicha operación en modo PPC con los resultados obtenidos operando con el modo de combustión diésel convencional, en cuanto al nivel final de emisiones contaminantes, al consumo de combustible y rendimiento indicado y al desempeño general del motor. / [CA] El treball d'investigació presentat en esta tesi està emmarcat en el desenvolupament i optimització del sistema de combustió d'un nou motor dos temps d'encesa per compressió, amb configuració d'escombratge per vàlvules, i que ha estat dissenyat per a aplicacions d'automoció dins de la gamma de cotxes compactes. L'objectiu principal d'esta investigació ha consistit a millorar el coneixement existent sobre els motors dos temps amb configuració d'escombratge per vàlvules, així com també identificar els principals vincles entre els processos de renovació de la càrrega i de combustió, a fi de quantificar el seu impacte sobre la formació d'emissions contaminants i el rendiment tèrmic del motor. Addicionalment, es desitja optimitzar les prestacions d'este nou motor operant amb el mode convencional de combustió dièsel per difusió, així com avaluar el potencial de noves maneres de combustió de baixa temperatura amb fase de premescla extesa, per a controlar el nivell d'emissions i el consum de combustible. La metodologia utilitzada en esta tesi s'ha plantejat des d'un punt de vista teóric experimental, que permet maximitzar la informació que es pot obtindre sobre els fenòmens basics involucrats en els diferents processos objecte d'estudi, i al mateix temps conservar un enfocament d'optimització eficient reduïnt en la mesura del possible el nombre d'proves experimentals requerit. Amb la finalitat d'analitzar en detall la relació que existeix entre les condicions en el cilindre (com ho és la concentració d'oxigen, la temperatura de combustió i el dosatge local) i el procés de formació d'emissions contaminants, especialment de NOx i sutge, es van desenvolupar i van utilitzar distintes eines teòriques per a complementar i sustentar els comportaments i tendències observades per mitjà dels assajos experimentals, tant per al mode de combustió dièsel convencional com per als conceptes avançats de combustió. Per a abordar eixe objectiu, s'ha seguit una estructura seqüencial, en la qual el treball d'investigació s'ha desenvolupat en en dos grans blocs: en primer lloc, es va analitzar i va optimitzar el procés de combustió dièsel convencional, per mitjà de la combinació adequada de paràmetres d'operació del motor que modifiquen apreciablement les característiques del procés de combustió controlada per difusió; i en segon lloc, es va aconseguir implementar i avaluar les prestacions de dos conceptes avançats de combustió de baixa temperatura premesclats, específicament el mode combustió altament premesclat HPC (acrònim de "Highly-Premixed Combustion") utilitzant dièsel com a combustible i el mode de combustió parcialment premesclat PPC ("Partially Premixed Combustion") utilitzant un combustible amb major resistència a l'autoignició (en aquest cas s'ha utilitzat gasolina d'octanatge 95). En esta segona etapa, es va fer èmfasi en l'anàlisi del concepte de combustió PPC amb gasolina, ja que aquest va presentar els resultats més prometedors durant la fase inicial d'implementació. Conseqüentment, l'última etapa de la investigació es va centrar en l'estudi detallat de l'efecte de distints paràmetres d'injecció sobre les característiques del mode de combustió PPC. Finalment, s'ha comparat críticament la dita operació en mode PPC amb els resultats obtinguts operant amb el mode de combustió dièsel convencional, quant al nivell final d'emissions contaminants, al consum de combustible i rendiment indicat, i a les prestacions generals del motor. / De Lima Moradell, DA. (2016). Analysis of combustion concepts in a poppet valve two-stroke downsized compression ignition engine designed for passenger car applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/68502

[ES] Las amenazas a las que se enfrentan los motores de combustión interna, tales como emisiones contaminantes, agotamiento del petróleo o el auge de otros tipos de motores (vehículo eléctrico), vinculan el futuro de los vehículos propulsados por este tipo de motor a la mejora del mismo en cuanto a consumo de combustible y a emisiones contaminantes se refiere. Adicionalmente, la alta exigencia de la normativa actual y venidera está forzando a las empresas de automoción a centrarse en el desarrollo de estrategias innovadoras dirigidas a aumentar el rendimiento del motor con baja repercusión en emisiones contaminantes. Un primer paso para atajar esta problemática es centrarse en los procesos que ocurren en la cámara de combustión, que es la base del motor. Teniendo en cuenta este escenario, el objetivo principal del presente trabajo es evaluar y optimizar el ciclo indicado de un motor de combustión interna por medio de una herramienta termodinámica 0D. El acoplamiento de esta herramienta, previamente desarrollada en el grupo de trabajo, con un modelo de emisiones de \NOx{} y una herramienta de optimización, permite la evaluación del impacto sobre el rendimiento indicado de varios límites operacionales y procesos reales que tienen lugar en la cámara de combustión. En primer lugar, se ha evaluado el rendimiento indicado de diferentes ciclos ideales en los motores estudiados en el trabajo. Debido a que la diferencia entre ciclos ideales y reales es resultado de la existencia de varias imperfecciones, se ha realizado un estudio de sensibilidad de dichas imperfecciones para determinar cuáles son las que tienen mayor impacto sobre el rendimiento indicado. A continuación, se han buscado los ciclos teóricos óptimos, en este caso ya teniendo en cuenta los principales fenómenos que ocurren en el cilindro, para obtener la ley de combustión que maximiza el rendimiento indicado a la vez que cumple con diferentes restricciones mecánicas y límites de emisiones. En este análisis se concluye que la velocidad de combustión es el parámetro más importante a tener en cuenta. Con el fin de evaluar algunas técnicas experimentales comúnmente usadas para aumentar la velocidad de combustión, parámetro clave como se ha comentado, se han utilizado diferentes enfoques tales como balances globales de energía, división de pérdidas y diseños de experimentos. Las conclusiones extraídas de dichos análisis han sido usadas para optimizar experimentalmente la ley de combustión. La comparación entre esta optimización experimental y la teórica proporciona el impacto en el rendimiento indicado que supone la limitación en la velocidad de combustión impuesta por el motor analizado. Esta metodología actúa como una herramienta de análisis comparativo entre diferentes arquitecturas del motor, estableciendo el techo de eficiencia bajo las condiciones de operación consideradas, y con ello la ganancia máxima alcanzable por un hipotético motor perfecto. / [CA] Les amenaces a què s'enfronten els motors de combustió interna, com ara emissions contaminants, esgotament del petroli o motors alternatius (vehicle elèctric), vinculen el futur dels vehicles propulsats per aquest tipus de motor a la millora del mateix quant a consum de combustible i a emissions contaminants es refereix. Addicionalment, l'alta exigència de la normativa actual i venidora està forçant a les empreses d'automoció a centrar-se en el desenrotllament d'estratègies innovadores dirigides a augmentar el rendiment del motor amb baixa repercussió en emissions contaminants. Un primer pas per a atallar esta problemàtica és centrar-se en els processos que ocorren en la cambra de combustió, que és la base del motor. Tenint en compte aquest escenari, l'objectiu principal del present treball és avaluar i optimitzar el cicle indicat d'un motor de combustió interna per mitjà d'una ferramenta termodinàmica 0D. L'adaptament d'esta ferramenta, prèviament desenrotllada en el grup de treball, amb un model d'emissions de \NOx{} i una ferramenta d'optimització, permet l'avaluació de l'impacte sobre el rendiment indicat d'uns quants límits operacionals i processos reals que tenen lloc en la cambra de combustió. En primer lloc, s'ha avaluat el rendiment indicat de diferents cicles ideals en els motors estudiats en el treball. Pel fet que la diferència entre cicles ideals i reals és resultat de l'existència de diverses imperfeccions, s'ha realitzat un estudi de sensibilitat de les dites imperfeccions per a determinar quines són les que tenen major impacte sobre el rendiment indicat. A continuació, s'han buscat els cicles teòrics òptims, en aquest cas ja tenint en compte els principals fenòmens que ocorren en el cilindre, per a obtindre la llei de combustió que maximitza el rendiment indicat al mateix temps que compleix amb diferents restriccions mecàniques i límits d'emissions. En aquest anàlisi es conclou que la velocitat de combustió és el paràmetre més important a tindre en compte. A fi d'avaluar algunes tècniques experimentals comunament usades per a augmentar la velocitat de combustió, paràmetre clau com s'ha comentat, s'han utilitzat diferents enfocaments com ara balanços globals d'energia, divisió de pèrdues i dissenys d'experiments. Les conclusions extretes d'aquest anàlisi han sigut usades per a optimitzar experimentalment la llei de combustió. La comparació entre esta optimització experimental i la teòrica proporciona l'impacte en el rendiment indicat que suposa la limitació en la velocitat de combustió imposada pel motor analitzat. Esta metodologia actua com una ferramenta d'anàlisi comparativa entre diferents arquitectures del motor, establint el sostre d'eficiència davall les condicions d'operació considerades, i amb això el guany màxim abastable per un hipotètic motor perfecte. / [EN] Issues affecting internal combustion engines, such as pollutant emissions, oil depletion and the raising of alternative powertrains (full electric vehicle), link the future of vehicles powered by this type of powertrain to its improvement in terms of fuel consumption and pollutant emissions. Additionally, the high stringency of the current and upcoming legislation is forcing automotive manufacturers to focus on developing innovative engine strategies aimed to increase the efficiency with low penalty in emissions. A first step to tackle this issue is to focus on the processes occurring in the combustion chamber, which is the core of the engine. Taking into account this scenario, the main objective of the present work is to assess and optimize the indicated cycle of an internal combustion engine based on a zero-dimensional thermodynamic tool. The coupling of this tool, previously developed in the work group, with a \NOx{} emissions model and an optimization tool allows evaluating the impact on gross indicated efficiency of several operational limits and real processes taking place in the combustion chamber. Thus, the first step was the assessment of the indicated efficiency of some ideal cycles in the engines studied in the work. Since the difference between ideal and real cycles is due to the existence of some imperfections, a sensitivity study of these imperfections is carried out to determine the ones with the highest impact on gross indicated efficiency. Later on, the optimum theoretical cycles have been searched for, now taking into account the main phenomena occurring in the cylinder, to get the combustion profile that maximizes the indicated efficiency while keeping some mechanical restrictions and emission limits. In this analysis, the combustion velocity raised as the most important parameter to take into account. In order to assess some experimental techniques commonly used to enhance the combustion velocity, key parameter as commented, different approaches such as Global Energy Balance, split of losses and the use of design of experiments have been conducted. The conclusions extracted from these analysis have been used to optimize experimentally the combustion law. The comparison between this experimental optimization and the theoretical one provides the impact on gross indicated efficiency of the combustion velocity limitation imposed by the engine hardware. This methodology acts as a benchmarking tool between different hardware architectures, setting the efficiency ceiling of the considered operating point, and thus the maximum gain achievable by implementing an hypothetical perfect hardware. / Blanco Cavero, D. (2018). Assessment and optimization of the indicated cycle with a 0D thermodynamic model [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/115934

El hidrógeno como un vector energético y combustible renovable es una de las mejores alternativas a los combustibles fósiles tradicionales por su alta densidad de energía y nula generación de gases de efecto invernaderos durante su combustión. Por esta razón, en los últimos años se han desarrollado múltiples métodos para su producción a partir de fuentes renovables como el agua y la biomasa. Sin embargo, actualmente la producción mayoritaria de hidrógeno proviene de fuentes no renovables, de modo que el impacto medioambiental de una economía basada en hidrógeno como fuente de energía puede resultar negativa. Bajo este contexto surge la necesidad de evaluar el nivel de sostenibilidad de los métodos de producción para garantizar que una eventual economía basada en este elemento sea sustentable desde su etapa de síntesis hasta el momento de su aplicación. El presente trabajo de investigación presenta una revisión crítica de los principales procesos de obtención de hidrógeno, así como de alternativas emergentes, tras lo cual se realiza una evaluación del grado de sostenibilidad de cada uno en base a los doce principios de química verde. A partir de esta valoración se proponen las alternativas más favorables para la producción de hidrógeno. Asimismo, se ofrecen opciones para desarrollar una metodología flexible que permita cuantificar el grado de sostenibilidad con el fin de eliminar la ambigüedad y subjetividad inherentes a realizar una evaluación con criterios descriptivos.

La combustión representa en la actualidad una de las principales fuentes de generación de energía en el mundo. A pesar de las ventajas significativas de los procesos de combustión, estos traen consigo un problema crítico relacionado con la emisión de contaminantes que impactan directamente en la salud y el medio ambiente. Estudios continuos son por lo tanto requeridos para mejorar la eficiencia de los sistemas de combustión existentes y reducir los efectos negativos de los procesos de combustión. El estudio numérico de una llama difusiva turbulenta en un quemador tipo bluff-body, usando OpenFOAM como herramienta computacional, es realizado en este trabajo. El modelamiento numérico es realizado utilizando un abordaje basado en la resolución de las ecuaciones Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS). El modelo de combustión usado es el Eddy Dissipation Concept (EDC). GRI-MECH 3.0 es utilizado a su vez como el mecanismo describiendo la cinética química del proceso. La turbulencia es tratada con el modelo RANS k-omega y la radiación con el modelo de aproximación P-1. La malla computacional incluye 900 mil elementos, la cual permite describir razonablemente bien el flujo en la estela próxima al bluff-body. Los resultados numéricos obtenidos son comparados con datos experimentales disponibles de campos de velocidad, tensores de Reynolds y perfiles de OH. Las referidas comparaciones enfatizan que hay una concordancia aceptable entre los resultados obtenidos de las simulaciones numéricas y los valores de los parámetros medidos experimentalmente. Esto implica que el modelo de combustión EDC puede ser utilizado para caracterizar el flujo reactivo turbulento en configuraciones de quemadores como los analizados en este trabajo.

Un motor Diesel funcionando en modo Diesel/gas y a cargas bajas tiende a disminuir su rendimiento y producir más emisiones de hidrocarburos (HC) y monóxido de carbono (CO) en los gases de escape, especialmente cuando se utilizan altas proporciones de sustitución de gas natural. Por tal motivo en esta investigación se utilizan dos técnicas para controlar las emisiones de estos contaminantes y mejorar el rendimiento efectivo del motor, la restricción parcial del aire de admisión, para producir una mezcla de gas natural-aire eficazmente rica y el incremento de la temperatura de la mezcla airegas natural, para promover una mejor combustión. Un motor Diesel adaptado a un banco de pruebas en el Laboratorio de Energía de la PUCP que funciona en modo diesel original y modo Diesel/gas natural se utiliza a través de la experimentación. Se analizan los parámetros del consumo específico de combustibles (diesel y gas), rendimiento efectivo, presión en el interior del cilindro y emisiones de HC, CO y óxidos de nitrógeno (NOx) en los gases de escape. Los ensayos son realizados en una amplia gama de condiciones de funcionamiento (velocidad del motor, carga y relación de sustitución Diesel/gas). La eficiencia efectiva y las emisiones de HC, CO y NOx del modo Diesel/gas se encuentra afectadas cuando se utiliza la restricción parcial de aire y una mayor temperatura de la mezcla aire - gas natural. Los resultados demuestran que es posible mejor las prestaciones del modo Diesel/gas en el uso de ambas técnicas.

En la industria nacional, donde es predominante el uso de máquinas rotativas como turbinas, motores eléctricos, compresores, motores de combustión interna, etc, el fenómeno de las vibraciones es descubierto cuando ya estos están en operación. Las fuerzas y torques de excitación por más pequeñas que sean pueden producir vibraciones de amplitudes inadmisibles en zona de resonancia. El análisis de las vibraciones es muy importante más aun en maquinas reciprocantes donde es muy importante el análisis de vibración torsional, ya que nos hace ver la necesidad de usar algunas técnicas para controlar estas vibraciones. Técnicas como medios disipadores de energía o masas auxiliares acopladas al sistema, que sintonizados con la frecuencia de resonancia y aplicados en las zonas que presentan mayor amplitud de vibración correspondiente al modo de vibración, nos ayudarán a neutralizar las vibraciones que se presenten. El análisis del comportamiento de estos sistemas se hacen por lo general considerando los parámetros de inercia y rigidez constantes, los cuales son estudios válidos, sin embargo existen máquinas con mecanismos más complejos que exigen considerar el comportamiento periódico de sus parámetros, como es el caso del mecanismo biela manivela muy utilizado en la fabricación de máquinas; en esta tesis se tomó a consideración tal comportamiento y se diseñó un absorsor pendular basados en la metodología del diseño, normalizado según la norma alemana VDI, para obtener el diseño óptimo, además de analizar la efectividad en la reducción de la amplitud de vibración torsional de un motor de combustión interna de 2 cilindros en línea y 4 tiempos. Finalmente el desarrollo de esta tesis es una base para posteriores investigaciones donde habría que tomar en cuenta aspectos como la variación constante de la velocidad y la comparación de los resultados obtenidos por simulación numérica y datos experimentales medidos, que no se consideraron en esta tesis. / Tesis

[ES] El continuo endurecimiento de las normativas que regulan las emisiones contaminantes de los motores de combustión ha obligado a su desarrollo ininterrumpido, buscando mejorar su consumo y reducir su impacto medioambiental. Esto ha provocado la introducción progresiva de sistemas de post-tratamiento de gases de escape en los motores de combustión a fin de limitar la emisión de sustancias contaminantes a la atmósfera. En el caso concreto de la emisión de partículas, se ha estandarizado el empleo de filtros de partículas de flujo de pared como solución tecnológica para el cumplimiento de las normativas vigentes tanto en motores diésel (DPF) como gasolina (GPF). Por el propio mecanismo de funcionamiento de estos filtros se produce una acumulación de hollín dentro y sobre sus paredes porosas. Esta acumulación tiene un gran efecto sobre el comportamiento fluidodinámico del filtro, afectando a la pérdida de presión y, de ahí, aumentando el consumo específico del motor. Por este motivo, y dada la limitada capacidad de acumulación del filtro, se realizan procesos de regeneración para eliminar las partículas de hollín almacenadas. Se recurre para ello a dos estrategias complementarias. Por un lado, se tienen las estrategias de regeneración activa, que se realizan de forma periódica, mediante un aporte externo de energía. De entre estas estrategias, el método más habitual es el uso de post-inyecciones de combustible. Por otro lado, existen estrategias pasivas, que conducen a la oxidación del hollín sin fuentes de energía externa y reducen la frecuencia de los eventos de regeneración activa. La definición de dichas estrategias, así como su control, requieren del uso de herramientas computacionales para lograr una mayor comprensión y permitir la optimización de estos procesos. En este contexto, la presente tesis doctoral ofrece una contribución al modelado de los procesos de regeneración. Parte importante de este trabajo ha consistido en el desarrollo y validación de un modelo de regeneración que se ha implementado en un modelo termofluidodinámico 1D de DPF ya existente. Esta herramienta se ha desarrollado proponiendo una definición detallada del mecanismo de oxidación de hollín, presentándose un análisis del efecto de las etapas que lo componen. El modelo propuesto también se ha adaptado para su uso en un modelo de valor medio de DPF, que junto al modelo de reactividad química de catalizadores de oxidación desarrollado en el contexto de esta tesis, ha sido empleado en el análisis de la influencia de la variación de los parámetros básicos de la estrategia de post-inyección sobre la regeneración del DPF. Por otra parte, es sabido que el balance entre las etapas de carga y regeneración del filtro determina la distribución de las partículas en su interior. Así, esta tesis se completa con un estudio acerca del efecto de la distribución de las partículas sobre el comportamiento del DPF y cómo la distribución no homogénea de las partículas en el filtro condiciona el proceso de regeneración activa, afectando también a las hipótesis a considerar para su correcto modelado. Como consecuencia de estos trabajos se ha definido un conjunto de herramientas computacionales que facilitan la comprensión de los procesos de regeneración y que son aplicables al amplio rango de casos de estudio considerados. / [CA] El continu enduriment de les normatives que regulen les emissions contaminants dels motors de combustió ha obligat al seu desenvolupament ininterromput, buscant millorar el seu consum i reduir el seu impacte mediambiental. Açò ha provocat la introducció progressiva de sistemes de post-tractament de gasos de fuga en els motors de combustió a fi de limitar l'emissió de substàncies contaminants a l'atmosfera. En el cas de l'emissió de partícules, s'ha estandarditzat l'utilització de filtres de partícules de flux de paret com a solució tecnològica per al compliment de les normatives vigents tant en motors dièsel (DPF) com gasolina (GPF). Pel propi mecanisme de funcionament estos filtres es produïx una acumulació de sutja dins i sobre les seues parets porosas. Esta acumulació té un gran efecte sobre el comportament fluidodinàmic del filtre, afectant la pèrdua de pressió i, d'aci, augmentant el consum específic del motor. Per este motiu, i per la limitada capacitat d'acumulació del filtre, es realitzen processos de regeneració per a eliminar les partícules de sutja emmagatzemades. Es recorre per a això a dos estratègies complemetaries. Per una banda, es tenen les estratègies de regeneració activa, que es realitzen de forma periòdica, per mitjà d'una aportació externa d'energia. D'entre estes estratègies, el mètode més habitual es l'ús de post-injeccions de combustible. D'altra banda, hi ha estratègies passives, que conduïxen a l'oxidació de la sutja sense fonts externes d'energia i reduïxen la freqüència dels esdeveniments de regeneració activa. La definició de les estratègies, així com el seu control, requerixen de l'ús de ferramentes computacionals per a aconseguir una mitjor comprensió i permetre l'optimització d'estos proccesos. En este context, la present tesi doctoral oferix una contribució al modelatge dels processos de regeneració. Part important d'este treball ha consistit en el desenvolupament i validació d'un model de regeneració que s'ha implementat en un model termofluidodinàmic 1D de DPF ja existent. Esta ferramenta s'ha desenvolupat proposant una definició detallada del mecanisme d'oxidació de sutja, presentant-se una anàlisi de l'efecte de les etapes que ho componen. El model proposat també s'ha adaptat per al seu ús en un model de valor mitjà de DPF, que junt amb el model de reactivitat química de catalitzadors d'oxidació desenvolupat en el context d'esta tesi, ha sigut empleat en l'anàlisi de la influència de la variació dels paràmetres bàsics de l'estratègia de post-injecció sobre la regeneració del DPF. D'altra banda, és sabut que el balanç entre les etapes de càrrega i regeneració del filtre determina la distribució de les partícules en el seu interior. Així, esta tesi es completa amb un estudi sobre l'efecte de la distribució de les partícules sobre el comportament del DPF i com la distribució no homogènia de les partícules en el filtre condiciona el procés de regeneració activa, afectant també les hipòtesis a considerar per al seu correcte modelatge. Com a conseqüència d'estos treballs s'ha definit un conjunt de ferramentes computacionals que faciliten la comprensió dels processos de regeneració i que són aplicables a l'ampli rang de casos d'estudi considerats. / [EN] The continuous tightening of emission regulations for internal combustion engines has forced their uninterrupted development, seeking to improve their fuel consumption and reduce their environmental impact. This fact has led to the progressive introduction of exhaust aftertreatment systems in combustion engines in order to limit the emission of polluting substances into the atmosphere. In the specific case of particle emission, the use of wall flow particle filters has been standardized as a technological solution to comply with current regulations both in diesel (DPF) and gasoline (GPF). The operating principle of these filters results in an accumulation of soot inside and on their porous walls. This accumulation has an important effect on the fluid-dynamic behavior of the filter, affecting the pressure drop and, hence, increasing the specific consumption of the engine. For this reason, and due to the limited accumulation capacity of the filter, regeneration processes are carried out to remove the stored soot particles, where two main strategies can be found. On the one hand, there are active regeneration strategies, that are performed periodically, through an external supply of energy. Among these strategies, the most common method is the use of post-injections. On the other hand, there are passive strategies that lead to soot oxidation without external energy sources and reduce the frequency of active regeneration events. The definition of the strategies, as well as their control, require the use of computational tools to achieve a comprehensive understanding and optimization of these processes. In this context, this doctoral thesis offers a contribution to the modeling of regeneration processes. An important part of this work was dedicated to the development and validation of a regeneration model that was implemented in an existing DPF thermofluid dynamic 1D model. This tool proposes a detailed definition of the soot oxidation mechanism, presenting an analysis of the effect of the steps that comprise it. The proposed model was also adapted for its use in a DPF mean value model and, together with the oxidation catalysts chemical reactivity model developed in the context of this thesis, has been used in the analysis of the influence of variation in the basic parameters of the post-injection strategy. Furthermore, it is known that the balance between the filter loading and regeneration stages determines the soot distribution. Thus, this thesis is completed with a study about the effect of the particle distribution on the behavior of the DPF and how the non-homogeneous distribution of the particles determines the active regeneration process, also affecting the hypotheses to be considered for its correct modeling. As a result of these studies, a set of computational tools was defined to allow the understanding of regeneration processes that are applicable in the wide range of case studies considered. / Sanchis Pacheco, EJ. (2019). Modelado de la oxidación del hollín en filtros de partículas diésel [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/120455