[ES] Esta tesis doctoral se encuadra en el contexto de una creciente concienciación y preocupación en la sociedad por la contaminación y su efecto sobre la salud de las personas, así como la influencia de los gases de efecto invernadero en el cambio climático. En este sentido, el sector transporte no ha sido una excepción, y se ha legislado para regular tanto las emisiones contaminantes como las de efecto invernadero de manera cada vez más estricta, retando continuamente a las empresas del sector y fabricantes de motores a aumentar la eficiencia y limpieza de sus sistemas propulsivos. Este trabajo tiene por objetivo estudiar el impacto que tienen distintos sistemas de recirculación de gases de escape (exhaust gas recirculation o EGR) en un motor de encendido provocado, de inyección directa, sobrealimentado, con distribución variable y dentro de la tendencia del downsizing. Cabe resaltar que el motor bajo estudio es un modelo sin EGR empleado actualmente en aplicaciones de transporte por carretera de turismos utilitarios, por lo que el proyecto ha estado en todo momento ligado a la actualidad del sector, y los avances y descubrimientos de los estudios aquí presentados pueden resultar de una enorme utilidad y ser empleados en aplicaciones reales. Estos sistemas de recirculación de gases de escape pretenden aumentar la eficiencia de los motores de encendido provocado con el objetivo de reducir la desventaja que estos presentan con respecto a los motores de encendido por compresión, mientras que se mantienen los niveles de emisiones. Dicha desventaja en eficiencia radica principalmente en una menor relación de compresión del motor de encendido provocado para evitar la autoignición y en el uso del dosado estequiométrico para el correcto funcionamiento del postratamiento. / [CA] Aquesta tesi doctoral s'enquadra en el context d'una creixent conscienciació i preocupació en la societat per la contaminació i el seu efecte sobre la salut de les persones, així com la inuència dels gasos d'efecte d'hivernacle en el canvi climàtic. En aquest sentit, el transport no ha sigut una excepció, i s'ha legislat per a regular tant les emissions contaminants com les d'efecte d'hivernacle de manera cada vegada més estricta, reptant contínuament a les empreses del sector i fabricants de motors a augmentar l'eficiència dels seus sistemes propulsius. Aquest treball té per objectiu estudiar l'impacte que tenen diferents sistemes de recirculació de gasos d'escapament (exhaust gas *recirculation o EGR) en un motor d'encesa provocada, d'injecció directa, sobrealimentat, amb distribució variable i dins de la tendència del downsizing. Cal ressaltar que el motor sota estudi és un model sense EGR empleat actualment en aplicacions de transport per carretera de turismes utilitaris, per la qual cosa el projecte ha estat en tot moment lligat a l'actualitat del sector, i els avanços i descobriments dels estudis presentats poden resultar d'una enorme utilitat i ser emprats en aplicacions reals. Aquests sistemes de recirculació de gasos d'escapament pretenen augmentar l'eficiència dels motors d'encesa provocada amb l'objectiu de reduir el desavantatge que aquests presenten respecte als motors d'encesa per compressió, mantenint els nivells d'emissions. Aquest desavantatge en eficiència radica principalment en una menor relació de compressió del motor d'encesa provocada per a evitar l'autoignició i en l'ús del dosatge estequiomètric per al correcte funcionament del postractament / [EN] This PhD-Thesis is framed in the context of a growing awareness and concern in society about pollution and its effect on people's health, as well as the influence of greenhouse gases on climate change. In this sense, transportation has not been an exception, and legislation has been reated to regulate both polluting emissions and greenhouse gases in an increasingly strict manner, continually challenging companies in the sector and engine manufacturers to increase efficiency and cleanliness of their propulsive systems. The objective of this work is to study the impact that different exhaust gas recirculation (EGR) systems have on a spark ignition, direct injection, turbocharged engine, with a variable timing and within the downsizing trend. It should be noted that the engine under study is mass-produced without EGR and is currently used in passenger utility cars, so the project has been always linked to current events in the sector, and the advances and discoveries of the studies presented here can be useful in real applications. These exhaust gas recirculation systems aim to increase the efficiency of spark ignition engines, reducing the disadvantage they present with respect to compression ignition engines, while maintaining emission levels. Said disadvantage in efficiency lies mainly in a lower compression ratio in order to avoid autoignition and in the use of stoichiometric operation for the optimal operation of the aftertreatment system. / Pitarch Berná, R. (2023). Study of different Exhaust Gas Recirculation Configurations and their Impact on Turbocharged Spark Ignition Engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/198094

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

[ES] Las emisiones de CO2 en el sector transporte se han incrementado considerablemente durante los últimos años debido al desarrollo económico mundial. El crecimiento de las flotas de transporte, junto con otros factores, ha contribuido al desequilibrio del ciclo de carbono del planeta. Es por ello que el CO2 se considera un gas de efecto invernadero de origen antropogénico que debe ser reducido para evitar el calentamiento global. Las estrategias para reducir el CO2 en el sector transporte están enfocadas a la electrificación y al uso de combustibles neutros o de bajo impacto al ambiente. Sin embargo, una efectiva implementación de esta última requiere un profundo entendimiento de la combustión con tales combustibles. En la presente tesis doctoral, se ha caracterizado experimentalmente la combustión de diferentes tipos de combustibles, entre ellos, algunos de bajo impacto en emisiones de CO2 como lo son el Aceite Vegetal Hidrotratado (HVO) y dos éteres de oximetileno (OME1 y OMEx).Además, por su potencial en la reducción de contaminantes se han evaluado mezclas de diésel y gasolina y de HVO y Gas Licuado de Petróleo (LPG), lo que requirió adecuar el sistema de inyección para evitar la evaporación a lo largo de la línea. Todos estos combustibles y mezclas han sido inyectados con una tobera mono-orificio y han sido evaluados mediante técnicas de visualización a alta velocidad bajo diferentes condiciones termodinámicas típicas de un motor de encendido por compresión operando en condiciones de combustión a baja temperatura, en instalaciones con accesos ópticos. Se ha analizado el efecto de las propiedades físico químicas de estos combustibles y mezclas sobre los parámetros característicos de un chorro como lo son la longitud líquida y la penetración de vapor. La combustión ha sido evaluada mediante la caracterización del tiempo de retraso, de la liberación de calor y la longitud del despegue de la llama, que viene condicionada por el proceso de mezcla. Igualmente, el estudio de la formación de hollín en función de las propiedades del combustible y de las características del proceso de mezcla, representa un aporte importante de esta tesis. En adición a los beneficios en reducción de CO2 que brindan los combustibles y mezclas utilizados en este estudio, estos también redujeron la formación de hollín en la cámara de combustión, destacándose entre ellos los combustibles oxigenados, especialmente el OMEx que además de no formar hollín, fue el de mayor reactividad en todas las condiciones de operación evaluadas. / [CA] Les emissions de CO2 en el sector transport s'han incrementat considerablement durant els últims anys a causa del desenvolupament econòmic mundial. El creixement de les flotes de transport, juntament amb altres factors, ha contribuït al desequilibri del cicle de carboni del planeta. És per això, que el CO2 es considera un gas d'efecte hivernacle d'origen antropogènic que ha de ser reduït per evitar l'escalfament global. Les estratègies per reduir el CO2 dins el sector transport, estan enfocades a l'electrificació i a l'ús de combustibles neutres o de baix impacte ambiental. No obstant això, una efectiva implementació d'aquesta última, requereix un profund coneixement del procés de combustió d'aquests combustibles. En la present tesi doctoral, s'ha caracteritzat experimentalment la combustió de diferents tipus de combustibles, entre ells, alguns de baix impacte en emissions de CO2 com són l'Oli Vegetal Hidrotratat (HVO) i dos èters de oximetileno (OME1 i OMEx) .A més , degut al seu alt potencial en la reducció de contaminants, s'han avaluat mescles de dièsel i gasolina, i de HVO i Gas Liquat de Petroli (LPG), el que va requerir adequar el sistema d'injecció per evitar l'evaporació al llarg de la línia. Tots aquests combustibles i mescles han estat injectats amb una tovera mono-orifici i han estat avaluats mitjançant tècniques de visualització a alta velocitat a través dels accessos òptics del que disposa la instal·lació. Les diferents condicions termodinàmiques utilitzades son típiques d'un motor d'encesa per compressió operant en condicions de combustió a baixa temperatura. S'ha analitzat l'efecte de les propietats fisicoquímiques d'aquests combustibles i de les mescles sobre els paràmetres característics d'un raig com són la longitud líquida i la penetració de vapor. La combustió ha estat avaluada mitjançant la caracterització del temps de retard, de l'alliberació de calor i de la longitud de l'enlairament de la flama que ve condicionada pel procés de mescla. A més, l'estudi de la formació de sutge en funció de les propietats del combustible i de les característiques del procés de mescla, representa una aportació important d'aquesta tesi evidenciant que a més dels beneficis en reducció de CO2 que brinden tots aquests combustibles i mescles, també varen reduir la formació de sutge a la cambra de combustió, destacant-se entre ells els combustibles oxigenats, especialment el OMEx, que a més de no formar sutge, va ser el de major reactivitat en totes les condicions d'operació avaluades. / [EN] CO2 emissions in the transport sector have increased considerably in recent years due to global economic development. The growth of transport fleets, along with other factors, has contributed to the imbalance of the planet's carbon cycle. For that, CO2 is considered a greenhouse gas from anthropogenic origin that must be reduced to avoid global warming. Strategies to reduce CO2 in the transport sector are focused on electrification and the use of neutral fuels or those with a low impact on the environment. However, an effective implementation of the latter requires a deep understanding of the combustion with those fuels. In this doctoral thesis, the combustion of different types of fuels has been experimentally characterized, including some with low impact on CO2 emissions such as Hydrotreated Vegetable Oil (HVO) and two oxymethylene ethers (OME1 and OMEx). Furthermore, due to their potential in reducing pollutants, blends of diesel and gasoline and HVO and Liquefied Petroleum Gas (LPG) have also been evaluated, which required adapting the injection system to avoid evaporation along the injection line. All these fuels and blends have been injected with a single-hole nozzle and they have been evaluated using high speed visualization techniques under different thermodynamic conditions typical of a compression ignition engine operating under low-temperature combustion conditions in installations with optical accesses. The effect of the physical-chemical properties of these fuels and blends on the characteristic parameters of a jet, such as the liquid length and the vapor penetration, has been analyzed. Combustion has been evaluated by characterizing the ignition delay, the heat release and the flame Lift-off length that is conditioned by the mixing process. Furthermore, the study of soot formation based on the fuel properties and the characteristics of the mixing process represents an important contribution of this thesis, showing that in addition to the benefits in CO2 reduction provided by the different fuels and blends used in this study, these fuels also reduced the soot formation in the combustion chamber, highlighting among them the oxygenated fuels, especially OMEx which, in addition to not forming soot, was the most reactive in all conditions of operation evaluated. / This research has been partly funded by the Government of Spain and FEDER under TRANCO project (TRA2017-87694-R), by the European Union’s Horizon 2020 Programme through the ENERXICO project, grant agreement n° 828947, and from the Mexican Department of Energy, CONACYT-SENER Hidrocarburos grant agreement n° B-S-69926 and by Universitat Politècnica de València through the Programa de Ayudas de Investigación y Desarrollo (PAID-01-18 and PAID-06-18). / García Carrero, AA. (2021). Experimental Study of the Fuel Effect on Diffusion Combustion and Soot Formation under Diesel Engine-Like Conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/179997

Tesis por compendio / [ES] El objetivo principal de esta tesis es establecer una metodología para predecir el consumo de combustible y las emisiones de un motor de encendido por compresión en condiciones transitorias. Además, su objetivo es explorar cómo las diferentes configuraciones del motor y los factores ambientales impactan el comportamiento del motor utilizando un enfoque de modelado 0D/1D. Además, el estudio pretende extender esta metodología a los motores duales, analizando específicamente las características de combustión de metano-diésel e hidrógeno-diésel. Para lograrlo, la herramienta de modelado 0D/1D se ajustó y validó meticulosamente utilizando un motor diésel de cuatro cilindros. Esta alineación entre la simulación y datos experimentales se centró especialmente en factores cruciales como la presión, la liberación de calor, las temperaturas en los fluidos del motor y el par. Se realizó un análisis exhaustivo del Balance Energético Global (GEB) utilizando VEMOD (Virtual Engine Model). Este análisis proporcionó información detallada sobre el consumo del motor y su reacción en diversas condiciones de funcionamiento, particularmente durante el Ciclo de ensayo mundial armonizado de vehículos ligeros (WLTC). La comparación de términos energéticos entre diferentes condiciones ambientales y de motor destacó aspectos como la fricción, la transferencia de calor y la acumulación de calor. Además, el análisis GEB permitió explorar cómo se distribuía la energía con diferentes temperaturas y altitudes ambientes. El estudio también evaluó las emisiones de NOx, revelando patrones influenciados por factores como las tasas de recirculación de gases de escape (EGR) y la temperatura de admisión. En el ámbito de los motores de combustible dual, se elaboró y validó un modelo de combustión utilizando la herramienta de simulación 0D/1D. La atención inicial se centró en la combustión de metano-Diesel, validada con datos experimentales. Posteriormente, el alcance de este modelo se amplió para simular la combustión de hidrógeno-Diesel. Esta tesis ha introducido con éxito una metodología que utiliza VEMOD para predecir el consumo y las emisiones del motor en distintos escenarios. El análisis exhaustivo arrojó luz sobre cómo funcionan los mecanismos de distribución de energía y cómo diferentes factores influyen en el comportamiento del motor. La aplicación de esta metodología a motores de encendido por compresión ha demostrado su versatilidad y capacidad de predicción, lo que la convierte en una herramienta valiosa para investigar escenarios futuros, también con combustiones duales. / [CA] L'objectiu principal d'aquesta tesi és establir una metodologia per predir el consum de combustible i les emissions d'un motor d'encesa per compressió en condicions transitòries. A més, pretén explorar com diferents configuracions de motors i factors ambientals afecten el comportament del motor mitjançant un enfocament de modelització 0D/1D. A més, l'estudi s'esforça a estendre aquesta metodologia als motors de doble combustible (duals), analitzant específicament les característiques de combustió de metà-dièsel i hidrogendièsel. Per aconseguir-ho, l'eina de modelització 0D/1D es va ajustar minuciosament i es va validar mitjançant un motor dièsel de quatre cilindres. Aquesta alineació entre dades de simulació i món real es va centrar especialment en factors crucials com la pressió, l'alliberament de calor, les temperatures dels fluids del motor i el parell. Es va realitzar una anàlisi completa del Balanç Global d'Energia (GEB) mitjançant VEMOD (Virtual Engine Model). Aquesta anàlisi va proporcionar una visió profunda sobre el consum del motor i la seua reacció en diverses condicions de funcionament, especialment durant el Cicle mundial d'assaig de vehicles lleugers harmonitzats (WLTC). La comparació de termes energètics entre diferents condicions ambientals i del motor van posar de manifest aspectes com la fricció, la transferència de calor i l'acumulació de calor. A més, l'anàlisi GEB va explorar com es va distribuir l'energia amb diferents temperatures i altituds ambientals. L'estudi també va valorar les emissions de NOx, revelant patrons influenciats per factors com la recirculació de gasos d'escapament (EGR) i la temperatura d'admissió. En l'àmbit dels motors duals, es va elaborar i validar un model de combustió mitjançant l'eina de simulació 0D/1D. El focus inicial es va centrar en la combustió metà-Diesel, validada amb dades experimentals. Posteriorment, l'abast d'aquest model es va ampliar per simular la combustió hidrogen-Diesel. Aquesta tesi ha introduït amb èxit una metodologia que utilitza VEMOD per predir el consum i les emissions del motor en diferents escenaris. L'anàlisi completa va donar llum a com funcionen els mecanismes de distribució d'energia i com diferents factors influeixen en el comportament del motor. L'aplicació d'aquesta metodologia als motors d'encesa per compressió va demostrar la seva versatilitat i capacitats de predicció, convertint-la en una valuosa eina per investigar els futurs escenaris, fins i tot amb combustions duals. / [EN] The main aim of this thesis is to establish a methodology for predicting fuel consumption and emissions of a compression ignition engine in transient conditions. Additionally, it aims to explore how different engine setups and environmental factors impact the engine's performance using a 0D/1D modelling approach. Moreover, the study strives to extend this methodology to dual fuel engines, specifically analysing methane-Diesel and hydrogen- Diesel combustion characteristics. The 0D/1D modelling tool was meticulously fine-tuned and validated using a four-cylinder Diesel engine to achieve this. This alignment between simulation and experimental data focused on crucial factors such as pressure, heat release, engine fluid temperatures and torque. A comprehensive Global Energy Balance (GEB) analysis was conducted using VEMOD (Virtual Engine Model). This analysis provided insights into the engine consumption and performance under diverse operating conditions, particularly during the Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle (WLTC). The comparison of energy terms across different engine and boundary conditions highlighted aspects such as friction, heat rejection, and heat accumulation. Additionally, the GEB analysis allowed exploration of how energy was split across varying ambient temperatures and altitudes. The study also assessed NOx emissions, revealing patterns influenced by factors such as Exhaust Gas Recirculation (EGR) rates and intake temperature. A combustion model was developed and validated using the 0D/1D simulation tool in the scope of dual fuel engines. The initial focus was on methane-Diesel combustion, validated against experimental data. Subsequently, this model scope was expanded to simulate hydrogen-Diesel combustion. This thesis has successfully introduced a methodology based on VEMOD to predict engine consumption and emissions across varying scenarios. The comprehensive analysis illuminated how energy distribution mechanisms operate and how factors influence engine performances. The application of this methodology to compression ignition engines demonstrated its versatility and prediction capabilities, making it a valuable tool for investigating future combustion scenarios, including dual fuel operation. / This research has been partially funded by the European Union’s Horizon 2020 Framework Programme for research, technological development and demonstration under grant agreement 723976 (“DiePeR”) and by the Spanish government under the grant agreement TRA2017-89894-R (”MECOEM”) and I was supported by FPI grant with reference PRE2018-084411. / Artham, S. (2023). Contribution to the simulation of new standard testing cycles by means of a 0D/1D tool [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/201238 / Compendio

[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

[ES] La reducción de la huella de carbono de los motores de combustión interna así como de sus emisiones contaminantes es necesaria para la supervivencia de esta tecnología, especialmente para aplicaciones de uso medio y pesado. En la última década, investigadores y fabricantes han explorado diferentes enfoques para lograr este objetivo. En este sentido, el uso de combustibles alternativos y tecnologías alternativas se considera una vía potencial para alcanzarlo. Dentro del ámbito de los combustibles alternativos, los e-fuels y los biocombustibles están ganando relevancia, ya que pueden ser utilizados sin modificaciones importantes en la tecnología de motores de combustión interna. El primer término se refiere a combustibles que pueden ser tanto gaseosos como líquidos y que se producen a partir de electricidad renovable mediante un proceso sintético que consume dióxido de carbono y agua. El segundo se refiere a combustibles producidos a partir de biomasa y residuos orgánicos. Entre los e-fuels, destacan los éteres dimetílicos de oximetileno, y entre los biocombustibles, es particularmente notable el aceite vegetal hidrotratado. Por un lado, los primeros destacan por reducir drásticamente las emisiones contaminantes, aunque presentan problemas como una menor densidad energética y compatibilidad con los motores convencionales cuando se utilizan en estado puro. Por otro lado, el aceite vegetal hidrotratado presenta propiedades similares a las del diésel y se considera un buen sustituto de este a pesar de reducir menos las emisiones contaminantes que los éteres de dimetileno de oximetileno. Sin embargo, ambos combustibles, cuando se producen exclusivamente a partir de recursos renovables, pueden reducir drásticamente la huella de carbon. Otra forma de abordar la reducción de las emisiones contaminantes, que ha proporcionado grandes avances en el pasado, es el diseño de nuevo hardware directamente implicado en el proceso de combustión. Desde geometrías complejas del cuenco del pistón o de toberas de los inyectores hasta nuevos conceptos como la inyección de combustible por conductos para aplicaciones pesadas, que mejoran el proceso de mezcla aire-combustible aumentando la eficiencia y reduciendo la formación de contaminantes. No obstante, es necesario comprender mejor su impacto en el proceso de combustión y en el rendimiento del motor para su correcta aplicación en soluciones commercials. A la luz de lo anterior, la presente tesis se centra en avanzar en el conocimiento del comportamiento de los combustibles alternativos y los nuevos conceptos de hardware en las condiciones de funcionamiento de los motores de encendido por compresión y su impacto en el rendimiento de la combustión y la formación de contaminantes. Estas evaluaciones se realizan tanto mediante simulaciones numéricas detalladas como mediante experimentos llevados a cabo en un motor de encendido por compresión ópticamente accesible, utilizando diversas técnicas ópticas. Los resultados ponen de relieve que estos dos enfoques prometedores pueden reducir en gran medida la formación de contaminantes en el interior del motor de encendido por compresión y pueden ser una solución potencial al problema cada vez mayor de la huella de carbono y las emisiones contaminantes de los motores de encendido por compresión. / [CA] La reducció de la petjada de carboni dels motors de combustió interna així com de les seues emissions contaminants és necessària per a la supervivència d'esta tecnologia, especialment per a aplicacions d'ús mitjà i pesat. En l'última dècada, investigadors i fabricants han explorat diferents enfocaments per a aconseguir este objectiu. En este sentit, l'ús de combustibles alternatius i tecnologies alternatives es considera una via potencial per a aconseguir-ho. Dins de l'àmbit dels combustibles alternatius, els e-fuels i els biocombustibles estan guanyant rellevància, ja que poden ser utilitzats sense modificacions importants en la tecnologia de motors de combustió interna. El primer terme es refereix a combustibles que poden ser tant gasosos com líquids i que es produeixen a partir d'electricitat renovable mitjançant un procés sintètic que consumeix diòxid de carboni i aigua. El segon es refereix a combustibles produïts a partir de biomassa i residus orgànics. Entre els e-fuels, destaquen els èters dimetílics d'oximetilè, i entre els biocombustibles, és particularment notable l'oli vegetal hidrotratat. D'una banda, els primers destaquen per reduir dràsticament les emissions contaminants, encara que presenten problemes com una menor densitat energètica i compatibilitat amb els motors convencionals quan s'utilitzen en estat pur. D'altra banda, l'oli vegetal hidrotratat presenta propietats similars a les del dièsel i es considera un bon substitut d'este malgrat reduir menys les emissions contaminants que els èters dimetílics d'oximetilé. No obstant això, tots dos combustibles, quan es produïxen exclusivament a partir de recursos renovables, poden reduir dràsticament la petjada de carboni. Una altra manera d'abordar la reducció de les emissions contaminants, que ha proporcionat grans avanços en el passat, és el disseny de nou maquinari directament implicat en el procés de combustió. Des de geometries complexes del bol del pistó o de toveres dels injectors fins a nous conceptes com la injecció de combustible per conductes per a aplicacions pesades, que milloren el procés de mescla aïre-combustible augmentant l'eficiència i reduint la formació de contaminants. No obstant això, és necessari comprendre millor el seu impacte en el procés de combustió i en el rendiment del motor per a la seua correcta aplicació en solucions comercials. A la llum de l'anterior, la present tesi se centra en avançar en el coneixement del comportament dels combustibles alternatius i els nous conceptes de maquinari en les condicions de funcionament dels motors d'encesa per compressió i el seu impacte en el rendiment de la combustió i la formació de contaminants. Estes avaluacions es realitzen tant mitjançant simulacions numèriques detallades com mitjançant experiments duts a terme en un motor d'encesa per compressió òpticament accessible, utilitzant diverses tècniques òptiques. Els resultats posen en relleu que estos dos enfocaments prometedors poden reduir en gran manera la formació de contaminants a l'interior del motor d'encesa per compressió i poden ser una solució potencial al problema cada vegada major de la petjada de carboni i les emissions contaminants dels motors d'encesa per compressió. / [EN] The reduction of the carbon footprint of internal combustion engines and the pollutant emissions is mandatory for the survival of this technology, especially for medium and heavy-duty applications. In the last decade, researchers and manufacturers have explored different approaches to achieve this goal. In this sense, the use of alternative fuels and alternative technologies is considered as a potential pathway to reach this objective. Within the scope of alternative fuels, e-fuels and biofuels are gaining relevance as they can be utilized without major modifications of the internal combustion engine technology. The former term refers to fuels that can be both gaseous or liquid and are produced from renewable electricity in a synthetic process consuming carbon dioxide and water. The latter refers to fuels produced from biomass and organic waste. Among e-fuels, oxymethylene dimethyl ethers stand out, and among biofuels, hydrotreated vegetable oil is particularly notable. On the one hand, oxymethylene dimethyl ethers drastically reduce pollutant emissions however suffer challenges like lower energy density, and compatibility with conventional engines when utilized in pure form. On the other hand, hydrotreated vegetable oil presents similar properties as compared to diesel and is considered a good drop in fuel for fossil diesel despite providing a lesser pollutant reduction when compared with oxymethylene dimethyl ethers. However, these fuels, when produced solely from renewable resources, can drastically reduce the carbon footprint. Another way to address pollutant emission reduction, which has provided great advances in the past, is the design of new hardware directly involved with the combustion process. From complex piston bowl geometries or injector nozzles to new concepts like ducted fuel injection for heavy-duty applications, which improves the air-fuel mixing process increasing efficiency and reducing pollutant formation. Nevertheless, a better understanding of their impact on the combustion process and engine performance is required for proper implementation in commercial solutions. In light of the aforementioned text, the current thesis is focused on advancing the knowledge of the behaviour of alternative fuels and new hardware concepts under operating conditions of compression ignition engines and their impact on combustion performance and pollutant formation. These assessments are done both by detailed numerical simulations and experiments carried out in an optically accessible compression ignition engine, utilizing a variety of optical techniques. Results highlight that these two promising approaches can greatly reduce the pollutant formation inside the compression ignition engine and can be a potential solution to the ever-increasing carbon footprint and pollutant emissions problem of compression ignition engines. / The author would like to acknowledge the financial support received through contract UPV - Subprograma 2 (PAID-01-22) del Vicerrectorado de Investigaciòn, which was incremental in the development of this thesis at I.U.I. CMT – Clean Mobility & Thermofluids, Universitat Politècnica de València. Furthermore, author also acknowledges the grant Ayudas Para Movilidad de Estudiantes de Doctorado de la Universitat Politècnica de València - 2022, which made his research stay possible at Sandia National Laboratories. / Khalid, UB. (2024). Numerical and Optical Assessment of Different Solutions for Pollutant Emission Reduction in Compression Ignition Engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207524