Avec la sévérisation des réglementations environnementales sur les émissions polluantes (normes Euro) des moteurs d'automobiles, la nécessité de maitriser les phénomènes de combustion a motivé le développement de la simulation numérique comme outil d'aide à la conception. Tenant compte de la complexité des phénomènes à modéliser, et de l'antagonisme des objectifs à optimiser, l'optimisation évolutionnaire multi-objectif semble être la mieux adaptée pour résoudre ce type de problèmes. Cependant, l'inconvénient principal de cette approche reste le coût très élevé en termes de nombre d'évaluations qui peut devenir très contraignant dans le contexte des optimisations réelles caractérisées par des évaluations très coûteuseL'objectif principal de ce travail de thèse est de réduire le coût global des optimisations du monde réel, en explorant la parallélisation des algorithmes évolutionnaires multi-objectifs, et en utilisant les techniques de réduction du nombre d'évaluations (méta-modèles).Motivés par le phénomène d'hétérogénéité des coûts des évaluations, nous nous proposons d'étudier les schémas d'évolution stationnaires asynchrones dans une configuration parallèle de type « maître-esclave ». Ces schémas permettent une utilisation plus efficace des processeurs sur la grille de calcul, et par conséquent de réduire le coût global de l'optimisation.Ce problème a été attaqué dans un premier temps d'un point de vue algorithmique, à travers une adaptation artificielle des algorithmes évolutionnaires multi-objectifs au contexte des optimisations réelles caractérisées par un coût d'évaluation hétérogène. Dans un deuxième temps, les approches développées et validées dans la première partie sur des problèmes analytiques, ont été appliquées sur la problématique de la combustion Diesel qui représente le contexte industriel de cette thèse. Dans ce cadre, deux types de modélisations ont été utilisés: la modélisation phénoménologique 0D et la modélisation multidimensionnelle 3D. La modélisation 0D a permis par son temps de retour raisonnable (quelques heures par évaluation) de comparer l'approche stationnaire asynchrone avec celle de l'état de l'art en réalisant deux optimisations distinctes. Un gain de l'ordre de 42 % a été réalisé avec l'approche stationnaire asynchrone. Compte tenu du temps de retour très coûteux de la modélisation complète 3D (quelques jours par évaluation), l'approche asynchrone stationnaire déjà validée a été directement appliquée. L'analyse physique des résultats a permis de dégager un concept intéressant de bol de combustion permettant de réaliser un gain en termes d'émissions polluantes. / In order to comply with environmental regulations, automotive manufacturers have to develop efficient engines with low fuel consumption and low emissions. Thus, development of engine combustion systems (chamber, injector, air loop) becomes a hard task since many parameters have to be defined in order to optimize many objectives in conflict. Evolutionary Multi-objective optimization algorithms (EMOAs) represent an efficient tool to explore the search space and find promising engine combustion systems. Unfortunately, the main drawback of Evolutionary Algorithms (EAs) in general, and EMOAs in particular, is their high cost in terms of number of function evaluations required to reach a satisfactory solution. And this drawback can become prohibitive for those real-world problems where the computation of the objectives is made through heavy numerical simulations that can take hours or even days to complete.The main objective of this work is to reduce the global cost of real-world optimization, using the parallelization of EMOAs and surrogate models.Motivated by the heterogeneity of the evaluation costs observed on real-world applications, we study asynchronous steady-state selection schemes in a master-slave parallel configuration. This approach allows an efficient use of the available processors on the grid computing system, and consequently reduces the global optimization cost.In the first part of this work, this problem has been studied in an algorithmical point of view, through an artificial adaptation of EMOAs to the context of real-world optimizations characterized by a heterogeneous evaluation cost.In the second part, the proposed approaches, already validated on analytical functions, have been applied on the Diesel combustion problem, which represents the industrial context of this thesis. Two modelling approaches have been used: phenomenological modelling (0D model) and multi-dimensional modelling (3D model).The 0D model allowed us, thanks to its reasonable evaluation cost (few hours per evaluation) to compare the asynchronous steady-state approach with the standard generational one by performing two distinct optimizations. A gain of 42 % was observed with the asynchronous steady-state approach.Given the very high evaluation cost of the full 3D model, the asynchronous steady-state approach already validated has been applied directly. The physical analysis of results allowed us to identify an interesting concept of combustion bowl with a gain in terms of pollutant emissions.

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

[ES] La creciente aversión pública contra los motores de combustión interna ha llevado a un fuerte deseo de cambio hacia fuentes de energía renovables y más limpias. Sin embargo, todavía es difícil reemplazar los combustibles líquidos derivados del petróleo como fuente primaria de energía, principalmente debido a su gran disponibilidad, confiabilidad, y asequibilidad. Por lo tanto, la comunidad científica debe mantener los esfuerzos para aumentar la eficiencia de estos motores en beneficio de la sociedad. Con respecto a los motores diésel, una técnica implementada ha sido aumentar el número de orificios de salida del inyector y reducir sus diámetros, mejorando el proceso de mezcla aire/combustible. Sin embargo, a medida que aumenta el número de orificios en la boquilla, también aumenta la proximidad entre ellos, lo que lleva a una reducción en el espacio disponible para que cada chorro se desarrolle sin interactuar con los chorros adyacentes. Esta interacción podría afectar el evento de combustión y sus implicaciones no se han definido por completo. De esta manera, la presente tesis tuvo como objetivo analizar la influencia del espaciamiento entre chorros en el desarrollo de la inyección, y mejorar la metodología empleada en el instituto para estudiar el chorro en inyectores multi-orificios, teniendo en cuenta las interacciones entre chorros. Con este objetivo, Continental fabricó dos inyectores diésel idénticos excepto por la distribución geométrica de los orificios de salida de cada boquilla, ya que se destinaron específicamente a estudiar la influencia del espaciamiento entre chorros en el evento de inyección. Concretamente, el primer inyector permitió estudiar, durante el mismo evento de inyección, el desarrollo de un chorro aislado en un lado de la boquilla y, en la cara opuesta, cinco chorros con un espaciamiento entre ellos de 30°. Por otro lado, el segundo inyector tiene dos distribuciones de orificios adicionales, por lo que un total de tres configuraciones de espaciado entre chorros (30° - 36° - 45°) fueron comparadas con el rendimiento del chorro aislado (espaciado = 120°). Además, se probaron con éxito una nueva ventana óptica y un espejo de cerámica de alta temperatura. Con respecto al retraso de la ignición, los chorros con chorros vecinos tendieron a tener valores de retraso de la ignición iguales o ligeramente inferiores a los del chorro aislado en condiciones pobres de contorno (baja presión del raíl, temperatura, o densidad de la cámara). Por otro lado, el efecto contrario se observó al aumentar los valores de las condiciones de contorno, con valores de retraso de la ignición iguales o más altos para los chorros con chorros vecinos. No obstante, no se observó una tendencia clara, con interacciones complejas y múltiples factores afectando simultáneamente el evento de ignición. Sobre la longitud de levantamiento de llama, los resultados mostraron que al alcanzar cierta proximidad entre los chorros, la interacción entre ellos se convierte en un factor predominante en su comportamiento, y dicha longitud se reduce considerablemente. Por otro lado, a medida que aumentaba el espaciado entre chorros, la longitud se aproximaba gradualmente a la obtenida con el chorro aislado. En cuanto a la formación de hollín, los chorros con menor espaciado con sus chorros vecinos (30° y 36°) generalmente tuvieron mayor espesor óptico KL y valores máximos de masa de hollín para una condición de contorno dada, en comparación con el desarrollo del chorro aislado. Estas tendencias están en línea con los resultados de la longitud de levantamiento de llama observados, en los que los chorros estrechamente espaciados tuevieron una longitud más corta debido (posiblemente) al englobamiento de gases calientes. Esta reducción deterioraría el proceso de mezcla de aire/combustible y, en consecuencia, la combustión ocurriría en condiciones de mezcla más ricas que son propicias para la formación de hollín. / [CA] La creixent aversió pública contra els motors de combustió interna ha portat a un fort desig de canvi cap a fonts d'energia renovables i més netes. Tot i aixó, encara és difícil substituir els combustibles líquids derivats del petroli com a font primària d'energia, principalment per la seva gran disponibilitat, seguretat, i assequibilitat. Per tant, la comunitat científica ha de mantenir la investigació per tal d'augmentar l'eficiència d'aquests motors en benefici de la societat. Pel que fa als motors dièsel, una tècnica implementada ha estat augmentar el nombre d'orificis de sortida de l'injector i reduir els seus diàmetres, millorant el procés de barreja aire/combustible. No obstant això, a mesura que augmenta el nombre d'orificis a la tovera, també augmenta la proximitat entre ells, fet que porta a una reducció a l'espai disponible perquè cada raig es desenvolupi sense interactuar amb els dolls adjacents. Aquesta interacció podria afectar l'esdeveniment de la combustió i les seves implicacions no s'han definit del tot. D'aquesta manera, aquesta tesi va tenir com a objectiu analitzar la influència de l'espaiament entre dolls en el desenvolupament de la injecció, i millorar la metodologia emprada a l'institut per a estudiar els esdeveniments d'injecció d'injectors de múltiples orificis, tenint en compte les interaccions entre dolls. Amb aquest objectiu, Continental va fabricar dos injectors dièsel amb idèntic disseny intern excepte per la distribució geomètrica dels orificis de sortida de cada tovera, ja que es van destinar específicament a estudiar la influència de l'espaiament entre dolls a l'esdeveniment d'injecció. Concretament, el primer injector va permetre estudiar, durant el mateix esdeveniment d'injecció, el desenvolupament d'un raig solitari en un costat del tovera i, a la cara oposada, cinc raigs amb un espai entre ells de 30°. D'altra banda, el segon injector té dues distribucions d'orificis addicionals, aconseguint que un total de tres configuracions d'espaiat entre dolls (30°-36°-45°) es compararen amb el rendiment del raig solitari (espaiat = 120°). A més, es van provar amb èxit una nova finestra òptica i un mirall de ceràmica d'alta temperatura. Pel que fa al retard de la ignició, els dolls amb dolls adjacents van tendir a tenir valors de retard de la ignició iguals o lleugerament inferiors als del raig solitari en condicions pobres de contorn (baixa pressió del rail, temperatura, o densitat de la càmera). D'altra banda, l'efecte contrari es va observar augmentant els valors de les condicions de contorn, amb valors de retard de la ignició iguals o més alts per als dolls amb dolls adjacents. Tot i això, no es va apreciar un efecte constant, amb interaccions complexes i múltiples factors afectant simultàniament l'esdeveniment d'ignició. Sobre la longitud d'aixecament de flama, els resultats van mostrar que en assolir certa proximitat entre els dolls, la interacció entre ells es converteix en un factor predominant en el seu comportament, reduint-se considerablement aquesta longitud. D'altra banda, a mesura que augmentava l'espaiat entre dolls, la longitud s'aproximava gradualment a l'obtinguda amb el raig solitari. Quant a la formació de sutge, els raigs amb menor espaiat amb els seus raigs adjacents (30° i 36°) generalment van tenir més gruix òptic KL i valors màxims de massa de sutge per a una condició de contorn donada, en comparació amb el desenvolupament del raig solitari. Aquestes tendències estan aliniades amb els resultats de la longitud d'aixecament de flama observats, en què els dolls estretament espaiats van tenir una longitud més curta degut (possiblement) a l'englobament de gasos calents. Aquesta reducció deterioraria el procés de barreja d'aire/combustible i, en per tant, la combustió ocorreria en condicions de mescla més riques que són propícies per a la formació de sutge. / [EN] The growing public aversion to internal combustion engines has led to a strong desire to shift towards renewable and cleaner energy sources. However, it is still hard to replace petroleum-derived liquid fuels as the primary energy source, mainly due to their plenty of availability, reliability, and affordability. Then, efforts have to come from the research community to increase the efficiency of these engines for the benefit of society. Regarding diesel engines, one implemented technique has been to increase the number of outlet holes of the injector and reduce their diameters, enhancing the air/fuel mixing process. Nevertheless, as the number of holes in the nozzle increases, so does the proximity between them, leading to a reduction in the space available for each jet to develop without interacting with the neighbor sprays. This interaction could affect the combustion event, and its implications have not been entirely defined. Thus, the present thesis aimed to analyze the influence of inter-jet spacing on the injection development and enhance the methodology employed in the institute to study injection events of multi-holes injectors, accounting for the interactions between jets. To this end, two diesel injectors with six outlet orifices were manufactured by Continental with identical design, except for the geometric distribution of the outlet holes of each nozzle, as they were specifically allocated to study the influence of inter-jet spacing on the injection event. Concretely, the first injector allowed the study of the development of an isolated spray on one side and a spray with an inter-jet spacing of 30° on the other side during the same injection event. Moreover, the second injector has two additional orifices distributions, so a total of three inter-jet spacing configurations (30°- 36° - 45°) were compared to the performance of the isolated spray (spacing = 120°). Additionally, a novel optical window and high-temperature ceramic mirror were successfully tested. Regarding the ignition delay, sprays with neighbor jets tended to have equal or slightly smaller ignition delay values under poor mixing and ignition conditions (low rail pressure, chamber temperature, or chamber density conditions). On the other hand, the opposite effect was generally observed as the boundary conditions were overall increased, with equal or higher ignition delay values within sprays with neighbor jets, compared to that of the isolated spray. Nonetheless, no clear trend was defined, with complex interactions and multiple factors simultaneously affecting the ignition event. On the lift-off length, the results showed that after certain proximity between sprays is reached, the interaction between the jets becomes a predominant factor in their behavior, and the lift-off length is considerably reduced. Moreover, as the inter-jet spacing increases, the performance gradually approaches that obtained from the isolated spray. Respecting the soot formation, the sprays with closely spaced neighbor jets (30° and 36°) generally had higher optical thickness KL and peak soot mass values for a given boundary condition when compared to the development of the isolated spray. These trends are in line with the lift-off length results observed, in which the closely spaced jets had a shorter lift-off length due to (plausibly) hot gases re-entrainment. This shortening would deteriorate the air/fuel mixing process and, consequently, combustion happens in richer mixture conditions that are suitable for soot formation. / I want to express my gratitude to Generalitat Valenciana and European Social Fund for the financial support provided through the research grant (ACIF/2018/122) / Montiel Prieto, TE. (2022). Influence of Inter-Jet Spacing on the Diesel Spray Formation and Combustion [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181608 / TESIS