Autoignition and oxidation of two Methane (CH4) and Dimethyl Ether (CH3OCH3 or DME) mixtures in air were studied in shock tubes over a wide range of equivalence ratios at elevated temperatures and pressures. These experiments were conducted in the reflected shock region with pressures ranging from 0.8 to 35.7 atmospheres, temperatures ranging from 913 to 1650 K, and equivalence ratios of 2.0, 1.0, 0.5, and 0.3. Ignition delay times were obtained from shock-tube endwall pressure traces for fuel mixtures of CH4/CH3OCH3 in ratios of 80/20 percent volume and 60/40 percent volume, respectively. Close examination of the data revealed that energy release from the mixture is occurring in the time between the arrival of the incident shock wave and the ignition event. An adjustment scheme for temperature and pressure was devised to account for this energy release and its effect on the ignition of the mixture. Two separate ignition delay correlations were developed for these pressure- and temperature-adjusted data. These correlations estimate ignition delay from known temperature, pressure, and species mole fractions of methane, dimethyl ether, and air (0.21 O2 + 0.79 N2). The first correlation was developed for ignition delay occurring at temperatures greater than or equal to 1175 K and pressures ranging from 0.8 to 35.3 atm. The second correlation was developed for ignition delay occurring at temperatures less than or equal to 1175 K and pressures ranging from 18.5 to 40.0 atm. Overall good agreement was found to exist between the two correlations and the data of these experiments. Findings of these experiments also include that with pressures at or below ten atm, increased concentrations of dimethyl ether will consistently produce faster ignition times. At pressures greater than ten atmospheres it is possible for fuel rich mixtures with lower concentrations of dimethyl ether to give the fastest ignition times. This work represents the most thorough shock tube investigation for oxidation of methane with high concentration levels of dimethyl ether at gas turbine engine relevant temperatures and pressures. The findings of this study should serve as a validation for detailed chemical kinetics mechanisms.

An axi-symmetric shock-tube model has been developed to simulate the shock-wave propagation and reflection in both non-reactive and reactive flows. Simulations were performed for the full shock-tube geometry of the high-pressure shock tube facility at Texas A&M University. Computations were carried out in the CFD solver FLUENT based on the finite volume approach and the AUSM+ flux differencing scheme. Adaptive mesh refinement (AMR) algorithm was applied to the time-dependent flow fields to accurately capture and resolve the shock and contact discontinuities as well as the very fine scales associated with the viscous and reactive effects. A conjugate heat transfer model has been incorporated which enhanced the credibility of the simulations. The multi-dimensional, time-dependent numerical simulations resolved all of the relevant scales, ranging from the size of the system to the reaction zone scale. The robustness of the numerical model and the accuracy of the simulations were assessed through validation with the analytical ideal shock-tube theory and experimental data. The numerical method is first applied to the problem of axi-symmetric inviscid flow then viscous effects are incorporated through viscous modeling. The non-idealities in the shock tube have been investigated and quantified, notably the non-ideal transient behavior in the shock tube nozzle section, heat transfer effects from the hot gas to the shock tube side walls, the reflected shock/boundary layer interactions or what is known as bifurcation, and the contact surface/bifurcation interaction resulting into driver gas contamination. The non-reactive model is shown to be capable of accurately simulating the shock and expansion wave propagations and reflections as well as the flow non-uniformities behind the reflected shock wave. Both the inviscid and the viscous non-reactive models provided a baseline for the combustion model iii which involves elementary chemical reactions and requires the coupling of the chemistry with the flow fields adding to the complexity of the problem and thereby requiring tremendous computational resources. Combustion modeling focuses on the ignition process behind the reflected shock wave in undiluted and diluted Hydrogen test gas mixtures. Accurate representation of the Shock - tube reactive flow fields is more likely to be achieved by the means of the LES model in conjunction with the EDC model. The shock-tube CFD model developed herein provides valuable information to the interpretation of the shock-tube experimental data and to the understanding of the impact the facility-dependent non-idealities can have on the ignition delay time measurements.

Flame-holding in a recessed cavity is investigated experimentally in a Mach 2.5 preheated cross-flow for both stable and unstable combustion, with a relatively low preheating. Self-sustained combustion is investigated for stagnation pressures and temperatures reaching 1.4 MPa and 750 K. In particular, cavity blowout is characterized with respect to cavity aspect ratio (L/D =2.84 - 3.84), injection strategy (floor - ramp), aft ramp angle (90 deg - 22.5 deg) and multi-fuel mixture (CH₄-H₂ or CH₄-C₂H₄ blends). The results show that small hydrogen addition to methane leads to significant increase in flame stability, whereas ethylene addition has a more gradual effect. Since the multi-fuels used here are composed of a slow and a fast chemistry fuel, the resulting blowout region has a slow (methane dominant) and a fast (hydrogen or ethylene dominant) branch. Regardless of the fuel composition, the pressure at blowout is close to the non-reacting pressure imposed by the cross-flow, suggesting that combustion becomes potentially unsustainable in the cavity at the sub-atmospheric pressures encountered in these supersonic studies. The effect of preheating is also investigated and results show that the stability domain broadens with increasing stagnation temperature. However, smaller cavities appear less sensitive to the cross-flow preheating, and stable combustion is achieved over a smaller range of fuel flow rate, which may be the result of limited residence and mixing time. The blowout data point obtained at lower fuel flow rate fairly matches the empirical model developed by Rasmussen et al. for floor injection phi = 0.0028 Da^-.8, where phi is the equivalence ratio and Da the Damkohler number. An alternate model is proposed here that takes into account the ignition to scale the blowout data. Since the mass of air entrained into the cavity cannot be accurately estimated and the cavity temperature is only approximated from the wall temperature, the proposed scaling has some uncertainty. Nevertheless the new phi-Da scaling is shown to preserve the subtleties of the blowout trends as seen in the current experimental data.

La dégradation de l’environnement ainsi que l’épuisement progressif des énergies fossiles devient très inquiétant et incite les états à définir des limites d’émission polluantes plus strictes. Ceci a conduit les constructeurs automobiles à poursuivre leurs recherches dans le développement de conception propre et efficace des moteurs en utilisant des combustibles alternatifs dans les moteurs à combustion interne.Dans le présent travail, on s’intéresse à l’étude des moteurs fonctionnant en mode DF afin d’améliorer ses performances tout en minimisant les émissions polluantes, en particulier les HC et les CO. Pour ce faire des études expérimentales ont été menées. Une réduction de 77% des émissions de HC a été observée en passant d’une richesse de 0,35 à 0,7. Par ailleurs, Il a été noté aussi qu’une diminution de 20% à 50% des émissions de CO avec une amélioration de 30% du rendement peut être visualisée en variant l’avance à l’injection de 4,5 °V à 6 °V. Concernant la mise en place de la pré-injection, une baisse de 30% des émissions de NOx a été observée avec un gain de 12% à 30% de rendement par rapport à une seule injection. En dernier terme, un modèle thermodynamique à une zone a été développé afin de prédire la température et la pression dans le cylindre. Une bonne concordance a été notée entre les deux résultats avec une erreur moyenne relative inférieure à 5%. / Currently, the environmental degradation due to pollutant emissions and the gradual depletion of fossil fuels, becoming very worrying, are prompting European directives to set pollutant emission limits. These have led manufacturers to continue research in the development of clean and efficient engine designs using alternative fuels in internal combustion engines.In this work, we focus on the study of engines operating in dual-fuel mode to improve its performance while minimizing pollutant emissions, particularly HC and CO. For this, experimental studies were conducted. A reduction of about 77% in the HC emissions was observed as the equivalence ratio was varied from 0.35 to 0.7. Regarding the effect of injection timing, it was noted that the CO emissions decreased about 20% to 50% with an improvement in the brake thermal efficiency by 30% upon varying the injection advance from 4,5 °CA to 6 °CA. On the other hand, the introduction of pre-injection strategy led to a decrease by 30% in NOx emissions with an amelioration of brake thermal efficiency of 12% to 30% compared to a single injection. Lastly, a single zone thermodynamic model was developed to predict the in-cylinder temperature and pressure. A good agreement was noted between the predicted and experimental results. The average relative error was less than 5%.

Made available in DSpace on 2015-05-14T13:21:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Arquivototal.pdf: 1573543 bytes, checksum: 0b63370ad035d100bd7ca434e78b1c47 (MD5) Previous issue date: 2012-09-13 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In Brazil, the major employability of diesel oil is in the road system of cargo transport which is necessary for a rigorous accompaniment of the ignition quality of this fuel. Among the physical and chemical properties, Cetane Number (CN) is one of the most common indicators of the diesel quality. Beyond the standard method (ASTM D613) for CN determination, there are others alternative methods, such as ASTM D6890, ASTM D4737, through infrared spectroscopy and the portable IROX DIESEL. This work aimed to evaluate and compare alternative methods for CN determination and applying non-parametric statistical tests (Friedman, Wilcoxon). There were selected randomly 80 samples that were in accordance with ANP specifications and subsequently assayed in triplicate. According to statistical analysis, the CN determinations through ASTM D6890 and infrared spectroscopy have no significant differences at a significance level of 5%. CN results through ASTM D4737 and IROX DIESEL were statistically different from each other and when they are compared with the previous mentioned methods at a significance level of 5%. The infrared spectroscopic technique shows to be an alternative for obtaining CN if it is included in diesel oil specifications because it is a technique that requires less cost of implementation and maintenance, fast and accurate determination requiring no external calibration and easy operability. / No Brasil, a maior empregabilidade do óleo diesel é no sistema rodoviário de transporte de cargas, tornando necessário um rigoroso acompanhamento da qualidade de ignição deste combustível Dentre os parâmetros físicos e químicos, o Número de Cetano (NC) é um dos mais comuns indicadores da qualidade do óleo diesel. Além do método padrão (ASTM D-613) para determinação do NC, existem outros métodos alternativos, como, ASTM D-6890, ASTM D-4737, por técnicas de espectroscopia no infravermelho e pelo aparelho portátil IROX DIESEL. O presente estudo teve como objetivo avaliar e comparar métodos alternativos para determinação do NC, utilizando-se teste de estatísticas não paramétricas (Friedman, Wilcoxon). Foram selecionadas aleatoriamente 80 amostras que estivessem em conformidade com as especificações da ANP e posteriormente ensaiadas em triplicatas. De acordo com análise estatística, os resultados das determinações de NC pelo método ASTM D-6890 e por técnicas de espectroscopia no infravermelho, não possuem diferenças significativas ao nível de significância de 5%. Já os resultados de NC dos métodos ASTM D-4737 e IROX DIESEL, foram estatisticamente diferentes entre si e também quando comparados com os métodos anteriores mencionados ao nível de significância de 5%. A técnica de espectroscopia no infravermelho mostra ser uma alternativa para obtenção do NC se incluído nas especificações de óleo diesel, pois é uma técnica que requer menor custo de implementação e manutenção, determinação rápida e precisa não requerendo calibração externa e de fácil operação.

This thesis studies the influence of internal nozzle flow characteristics over a large spectrum of experimental conditions and diagnostics. Experiments were carried out for two nozzle geometries---cylindrical and conical single hole nozzles---and three different fuels. Two of the fuels are pure components---n-heptane and n-dodecane---while the third fuel consists of a three-component surrogate to better represent the physical and chemical properties of diesel fuel. Measurements include a complete hydraulic characterization consisting of instantaneous injection rate and spray momentum flux measurements; a high-speed visualization of isothermal liquid spray; a high-speed visualization of the evaporative inert spray, imaging liquid and vapor phases simultaneously and finally, a high-speed visualization of the high temperature reactive spray, imaging vapor phase and OH* chemiluminescence for each injection event. All high-temperature diagnostics were performed in a continuous flow test chamber that allows an accurate control on a wide range of thermodynamic conditions (up to 1000 K and 15 MPa). The experimental findings from this work, and the large database obtained (available for download at: http://www.cmt.upv.es/DD01.aspx), could be used to validate CFD models that could help the community understand the fundamental driving mechanisms behind these observations. / En esta tesis se estudia la influencia del flujo interno sobre un amplio espectro de condiciones y diagnósticos experimentales. Se realizaron experimentos para dos geometrías de tobera---toberas cilíndrica y cónica de un único orificio---y tres combustibles. Dos de los combustibles son puros---n-heptano y n-dodecano--- mientras el tercero es un combustible sustituto que consiste en una mezcla de tres componentes que busca representar mejor las propiedades físicas y químicas del diesel. Las medidas incluyen una caracterización hidráulica completa, compuesta por tasa de inyección y cantidad de movimiento instantáneas; una visualización de alta velocidad del chorro líquido isotermo; una visualización de alta velocidad del chorro inerte evaporativo, con captura simultánea de las fases líquida y vapor y, finalmente, una visualización del chorro reactivo a alta temperatura, con captura de la fase vapor y la quimioluminiscencia del radical OH* para cada evento de inyección. Todos los diagnósticos en condiciones de alta temperatura fueron realizados en una maqueta de alta presión y temperatura de flujo constante que permite controlar con precisión un rango amplio de condiciones termodinámicas (hasta 1000 K y 15 MPa). Los resultados experimentales y la gran base de datos obtenida en este trabajo (disponible en: http://www.cmt.upv.es/DD01.aspx), podrían ser utilizados para validar modelos CFD detallados que podrían ayudar a la comunidad científica a entender mejor los mecanismos fundamentales que producen los resultados observados. / Aquesta tesi estudia la influència del flux intern sobre un gran espectre de condicions i diagnòstics experimentals. Es van realitzar experiments per a dos geometries de tovera---toveres ci¿líndrica i cónica amb un únic orifici---i tres combustibles. Dos dels combustibles són purs---n-heptà i n-dodecà--- mentre el tercer combustible consisteix en una mescla de tres components que formen un combustible substitut que busca representar millor les propietats físiques i químiques del dièsel. Les mesures inclouen una caracterització hidràulica completa, composta per taxa d'injecció i quantitat de moviment instantanis; visualització d'alta velocitat del doll líquid isoterme; visualització d'alta velocitat del doll inert evaporatiu, capturant simultàniament les fases líquid i vapor i, finalment, una visualització del doll reactiu a alta temperatura, capturant la fase vapor i la quimioluminiscència del radical OH per a cada esdeveniment d'injecció. Tots els diagnòstics en condicions d'alta temperatura van ser realitzats en una insta¿lació d'alta pressió i temperatura amb flux constant que permet controlar amb precisió un ampli rang de condicions termodinàmiques (fins a 1000 K i 15 MPa). Els resultats experimentals i la gran base de dades obtinguda en aquest treball (disponible a la web en: http://www.cmt.upv.es/dd01.aspx), podrien ser utilitzats per tal de validar models CFD detallats que podrien ajudar a la comunitat científica a entendre millor els mecanismes fonamentals que produeixen aquestes observacions. / Viera Sotillo, JP. (2017). Experimental study of the effect of nozzle geometry on the performance of direct-injection diesel sprays for three different fuels [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/81857 / TESIS

The main objective of this Thesis is the study of the autoignition phenomenon of reactive mixtures from a theoretical and experimental point of view. A wide parametric study has been carried out in a Rapid Compression-Expansion Machine (RCEM) for different initial temperatures, compression ratios, equivalence ratios and molar fractions of oxygen (by using synthetic EGR) for different fuels. The ignition delay referred to cool flames (if it can be identified), as well as the ignition delay referred to the high-temperature stage of the ignition, have been experimentally obtained and their trends have been explained regarding the chemical kinetics of each fuel. The different effects of the species that compose the synthetic EGR on the ignition delay have been studied, decoupling the thermodynamic effects from the chemical ones. Different compositions have been taken into account to generate the synthetic EGR, and validation limits have been obtained for each mixture. The thermodynamic and the chemical effects have shown to be opposed, while the dominant one is different depending on the working temperature. Several chemical kinetic mechanisms have been validated by comparison to the experimental results. A detailed mechanism for iso-octane and n-heptane blends and a reduced mechanisms for n-dodecane have been analyzed. Moreover, a sub-model for the generation and decay of excited OH* has been validated by comparison to chemiluminescence and spectroscopy results. The different radiation sources have been studied for iso-octane and n-heptane by means of spectroscopy techniques. Besides, chemiluminescence measurements filtered at 310nm (OH* emission wavelength) have been performed in order to analyze the generalization and propagation velocity of the autoignition front. The ignition propagation has shown to depend on the thermodynamic conditions reached in the combustion chamber when the first ignition spot occurs and not on the global reactivity of the mixture. Furthermore, two different radiation sources have been found at 310nm in the spectroscopic analysis depending on the ignition intensity: the decay of the OH* radical from excited to ground state and the oxidation of CO to CO2 (CO continuum). However, these optical techniques have been applied only in the experiments carried out with iso-octane and n-heptane due to technical limitations. Finally, a new predictive model has been theoretically developed starting from the Glassman's model for autoignition. This method is based on modeling the accumulation rate of chain carriers up to reach their critical concentration (obtaining the ignition delay referred to cool flames) and, afterwards, modeling the disappearance rate of such chain carriers up to their consumption (when the maximum heat release rate is reached, obtaining the ignition delay referred to the high-temperature stage of the process). The predictive capability of the model has been compared to the ability of other methods that can be found in the literature, such as the Livengood & Wu integral method. The validity of each method has been tested, defining a working methodology to obtain reasonable predictions for the ignition delay. / El objetivo de esta Tesis Doctoral es el estudio del fenómeno de autoencendido de mezclas reactivas desde un punto de vista teórico y experimental. Se ha realizado un amplio estudio paramétrico en una Máquina de Compresión-Expansión Rápida (RCEM por sus siglas en inglés) barriendo diversas temperaturas iniciales, relaciones de compresión, dosados relativos y fracciones molares de oxígeno (mediante el uso de EGR sintético) para distintos combustibles. El tiempo de retraso del fenómeno de llamas frías (en el caso de existir), así como el tiempo de retraso de la etapa de alta temperatura, han sido obtenidos experimentalmente y sus tendencias explicadas mediante cinética química. Se han estudiado los diferentes efectos de las distintas especies involucradas en el EGR sintético sobre el tiempo de retraso, desligando aquellos de carácter termodinámico de los efectos puramente químicos. Se han tenido en cuenta distintas composiciones para definir dicho EGR, estableciendo límites de validez para cada una de las mezclas propuestas. Los efectos termodinámicos y químicos resultaron ser opuestos, siendo dominante uno u otro a distintos rangos de temperatura de trabajo. Varios mecanismos de cinética química han sido validados gracias a los resultados experimentales obtenidos. Además de un mecanismo detallado para mezclas PRF de iso-octano y n-heptano, se ha llevado a cabo la validación de otro mecanismo simplificado para el n-dodecano. Por otro lado, un submodelo de formación y decaimiento de OH* excitado ha sido validado contra resultados de quimioluminiscencia y espectroscopía. Se han estudiado las diferentes fuentes de radiación del proceso de autoencendido para el iso-octano y el n-heptano mediante técnicas de espectroscopía. Además, se han realizado medidas de quimioluminiscencia filtrada a 310nm (longitud de onda de emisión del radical OH*) para el análisis de la generalización y velocidad de propagación del frente de autoencendido. La propagación del encendido ha mostrado ser dependiente de las condiciones termodinámicas alcanzadas en la cámara de combustión en el instante de ignición más que de la reactividad de la mezcla. Se han encontrado dos fuentes de radiación distintas a 310nm mediante espectroscopía, dependiendo de la intensidad del encendido: el decaimiento del radical OH* de estado excitado a estado natural y la oxidación del CO a CO2 (continuo del CO). No obstante, estas técnicas han sido utilizadas solamente para los dos combustibles de referencia de la escala de octanaje debido a limitaciones técnicas. Finalmente, se ha desarrollado un nuevo modelo predictivo de manera teórica partiendo del modelo de Glassman para el autoencendido. Este método se basa en modelar primero la tasa de acumulación de portadores de cadena hasta su concentración crítica (obteniendo así el tiempo de retraso referido a la etapa de llamas frías) y, tras dicho instante, modelar la tasa de consumo de dichos portadores de cadena hasta su completa desaparición (instante en el cual se produce la máxima exotermia del proceso, prediciendo el tiempo de retraso referido a la etapa de alta temperatura del encendido). La capacidad predictiva del modelo ha sido comprobada para cada uno de los seis combustibles ensayados. Además, dicha capacidad predictiva ha sido comparada con la de otros métodos existentes en la literatura, como la integral de Livengood & Wu. La validez de cada uno de los métodos ha sido analizada, definiendo una metodología de uso para obtener predicciones razonables del tiempo de retraso. / L'objectiu d'aquesta Tesi Doctoral és l'estudi del fenomen d'autoencesa de mescles reactives des d'un punt de vista teòric i experimental. S'ha realitzat un ampli estudi paramètric en una Màquina de Compressió-Expansió Ràpida (RCEM per les seues sigles en anglès) cobrint diverses temperatures inicials, relacions de compressió, dosatges relatius i fraccions molars d'oxigen (mitjançant l'ús de EGR sintètic) per a diferents combustibles. El temps de retard del fenomen de flames fredes (en el cas d'existir), així com el temps de retard de l'etapa d'alta temperatura, han sigut obtinguts experimentalment i les seues tendències explicades mitjançant cinètica química. S'han estudiat els diferents efectes de les diferents espècies involucrades en l'EGR sintètic sobre el temps de retard, deslligant aquells de caràcter termodinàmic dels efectes purament químics. S'han tingut en compte diferents composicions per a definir aquest EGR, establint límits de validesa per a cadascuna de les mescles proposades. Els efectes termodinàmics i químics van resultar ser oposats, sent dominant un o un altre a diferents rangs de temperatura de treball. Diversos mecanismes de cinètica química han sigut validats gràcies als resultats experimentals obtinguts. A més d'un mecanisme detallat per a mescles PRF d'iso-octà i n-heptà, s'ha dut a terme la validació d'un altre mecanisme simplificat per al n-dodecà. D'altra banda, un submodel de formació i decaïment d'OH* excitat ha sigut validat contra resultats de quimioluminescència i espectroscopía. S'han estudiat les diferents fonts de radiació del procés d'autoencesa per a l'iso-octà i l'n-heptà mitjançant tècniques d'espectroscopía. A més, s'han realitzat mesures de quimioluminescència filtrada a 310nm (longitud d'ona d'emissió del radical OH*) per a l'anàlisi de la generalització i velocitat de propagació del front d'autoencesa. La propagació de l'encesa ha mostrat ser depenent de les condicions termodinàmiques aconseguides en la cambra de combustió en l'instant d'ignició més que de la reactivitat de la mescla. S'han trobat dues fonts de radiació diferents a 310nm mitjançant espectroscopía, depenent de la intensitat de l'encesa: el decaïment del radical OH* d'estat excitat a estat natural i l'oxidació del CO a CO2 (continu del CO). No obstant açò, aquestes tècniques han sigut utilitzades solament per als dos combustibles de referència de l'escala de octanaje a causa de limitacions tècniques. Finalment, s'ha desenvolupat un nou model predictiu de manera teòrica partint del model de Glassman per a l'autoencesa. Aquest mètode es basa a modelar primer la taxa d'acumulació de portadors de cadena fins a la seua concentració crítica (obtenint així el temps de retard referit a l'etapa de flames fredes) i, després d'aquest instant, modelar la taxa de consum d'aquests portadors de cadena fins a la seua completa desaparició (instant en el qual es produeix la màxima exotermia del procés, predient el temps de retard referit a l'etapa d'alta temperatura de l'encesa). La capacitat predictiva del model ha sigut comprovada per a cadascun dels sis combustibles assajats. A més, aquesta capacitat predictiva ha sigut comparada amb la d'altres mètodes existents en la literatura, com la integral de Livengood & Wu. La validesa de cadascun dels mètodes ha sigut analitzada, definint una metodologia d'ús per a obtenir prediccions raonables del temps de retard. / López Pintor, D. (2017). Theoretical and experimental study on the autoignition phenomena of homogeneous reactive mixtures [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90642 / TESIS

[EN] The potential of diesel engines in terms of robustness, efficiency and energy density has made them widely used as power generators and propulsion systems. Specifically, fuel atomization, vaporization and air-fuel mixing, have a fundamental effect on the combustion process, and consequently, a direct impact on pollutant formation, fuel consumption and noise emission. Since the combustion chamber has a limited space respect to the spray penetration, wall impingement is considered to be a common event in direct injection diesel engines, having a relevant influence in the spray evolution and its interaction with both surrounding air and solid walls. This makes of spray-wall interaction an important factor for the combustion process that is still hardly understood. At cold-start conditions, the low in-chamber pressures and temperatures promote the deposition of fuel in the piston wall, which leads to a boost in the formation of unburned hydrocarbons. Additionally, modern design trends such as the increment of rail pressures in injection systems and the progressive reduction of the engine displacement, favor the emergence of spray collision onto the walls. In spite of the evident relevance of the comprehension of this phenomenon and the efforts of engine researchers to reach it, the transient nature of injection process, its small time scales and the complexity of the physical phenomena that take place in the vicinity of the wall, make challenging the direct observation of this spray-wall interaction. Even though computational tools have proven to be priceless in this field of study, the need for reliable experimental data for the development of those predictive models is present. This thesis is aimed to shed light on the fundamental characteristics of spray-wall interaction (SWI) at diesel-like chamber conditions. A flat wall was set at different impingement distances and angles respect to the spray. In this way, two different kinds of experimental investigations on colliding sprays were carried out: A transparent quartz wall was employed into the chamber to, in isolation, analyze the macroscopic characteristics of the spray at both evaporative inert and reactive conditions, which have been observed laterally and through the wall, thanks to the use of a high-pressure and high-temperature vessel with optical accesses. This same test rig was used in the second kind of experiments, where instead of the quartz plate, a stainless steel wall was used to capture the effect of the operating conditions on the heat flux between the wall and the spray during the injection-combustion events and to determine how spray and flame evolution are affected by realistic heat transfer situations. This wall was instrumented to control its initial in-chamber surface temperature and to measure its variation with time by using high-speed thermocouples. Tests at free-jet conditions were also performed in order to provide a solid comparative base for those experiments. / [ES] El potencial de los motores diesel en términos de robustez, eficiencia y la densidad de energía los ha hecho ser ampliamente usados como generadores de energía y sistemas propulsivos. Específicamente, la atomización de combustible, vaporización y mezcla de aire y combustible tienen un efecto fundamental en el proceso de combustión y, en consecuencia, un impacto directo en la formación de emisiones contaminantes, consumo de combustible y generación de ruido. Dado que la cámara de combustión tiene un espacio limitado con respecto la capacidad de penetración del chorro, el impacto de la pared se considera bastante común en motores de inyección directa diésel, que tienen una influencia relevante en la evolución del chorro y su interacción con el aire circundante y las paredes sólidas. Esto hace de interacción chorro-pared, un factor importante para el proceso de combustión que aún es dificilmente comprendido. En condiciones de arranque en frío, las bajas presiones y temperaturas en la cámara promueven la deposición de combustible en la pared del pistón, lo que conduce a un aumento en los niveles de formación de hidrocarburos no quemados. Además, las tendencias modernas de diseño como el incremento de las presiones de rail en los sistemas de inyección y la progresiva reducción en la cilindrada de los motores, favorecen la aparición de colisiones entre chorro y pared. A pesar de la evidente importancia en la comprensión de este fenómeno y los esfuerzos de los investigadores para alcanzarla, la transitoria naturaleza del proceso de inyección, sus pequeñas escalas de temporales y la complejidad de los fenómenos físicos que tienen lugar en las proximidades de la pared, hacen que la observación directa de esta interacción chorro-pared sea un desafío. Aunque las herramientas computacionales han demostrado ser invaluables en este campo de estudio, la necesidad de datos experimentales confiables para el desarrollo de esos modelos predictivos está muy presente. Esta tesis tiene como objetivo arrojar luz sobre las características fundamentales de la interacción chorro-pared (SWI por sus siglas en inglés) en condiciones de cámara similares a las de un motor diesel. Se colocó una pared plana a diferentes distancias de impacto y ángulos con respecto al jet. De esta manera, dos tipos diferentes de investigaciones experimentales sobre chorros en colisión se llevaron a cabo: se empleó una pared de cuarzo transparente en la cámara para, de forma aislada, analizar las características macroscópicas del chorro en condiciones evaporativas inertes y reactivas, que pueden observarse lateralmente y a través de la pared, gracias al uso de una instalación de alta presión y alta temperatura ópticamente accesible. Esta misma instalación se utilizó en el segundo tipo de experimentos en los que se introdujo una pared de acero inoxidable para capturar adicionalmente el efecto de las condiciones de operación en el flujo de calor entre ésta y el chorro durante los eventos de inyección y combustión y para determinar cómo la evolución del chorro y la llama son afectadas por una situación realista de transferencia de calor. Esta pared fue instrumentada para controlar la temperatura inicial de su superficie expuesta a la cámara y medir su variación con el tiempo, utilizando termopares de alta velocidad. Ensayos en condiciones de chorro libre también se realizaron para proporcionar una base comparativa sólida para esos experimentos. / [CA] El potencial dels motors dièsel en termes de robustesa, eficiència i la densitat d'energia els ha fet ser àmpliament usats com a generadors d'energia i sistemes propulsius. Específicament, l'atomització de combustible, vaporització i barreja d'aire i combustible tenen un efecte fonamental en el procés de combustió i, en conseqüència, un impacte directe en la formació d'emissions contaminants, consum de combustible i generació de soroll. Atès que la cambra de combustió té un espai limitat pel que fa la capacitat de penetració de l'raig, l'impacte de la paret es considera bastant comú en motors d'injecció directa dièsel, que tenen una influència rellevant en l'evolució del doll i la seva interacció amb el aire circumdant i les parets sòlides. Això fa d'interacció doll-paret, un factor important per al procés de combustió que encara és difícilment comprès. En condicions d'arrencada en fred, les baixes pressions i temperatures a la cambra promouen la deposició de combustible a la paret del pistó, el que condueix a un augment en els nivells de formació d'hidrocarburs no cremats. A més, les tendències modernes de disseny com l'increment de les pressions de rail en els sistemes d'injecció i la progressiva reducció en la cilindrada dels motors, afavoreixen l'aparició de col·lisions entre el doll i la paret. Tot i l'evident importància en la comprensió d'aquest fenomen i els esforços dels investigadors per aconseguir-la, la transitòria naturalesa de l'procés d'injecció, les seves petites escales de temporals i la complexitat dels fenòmens físics que tenen lloc en les proximitats de la paret , fan que l'observació directa d'aquesta interacció doll-paret siga un desafiament. Tot i que les eines computacionals han demostrat ser invaluables en aquest camp d'estudi, la necessitat de dades experimentals fiables per al desenvolupament d'aquests models predictius està molt present. Aquesta tesi té com a objectiu donar llum sobre les característiques fonamentals de la interacció doll-paret (SWI per les seues sigles en anglès) en condicions de cambra similars a les d'un motor dièsel. Es va col·locar una paret plana a diferents distàncies d'impacte i angles pel que fa al jet. D'aquesta manera, dos tipus diferents d'investigacions experimentals sobre dolls en col·lisió es van dur a terme: es va emprar una paret de quars transparent a la cambra per, de forma aïllada, analitzar les característiques macroscòpiques del doll en condicions evaporació inerts i reactives, que poden observar lateralment i a través de la paret, gràcies a l'ús d'una instal·lació d'alta pressió i alta temperatura òpticament accessible. Aquesta mateixa instal·lació es va utilitzar en el segon tipus d'experiments en els quals es va introduir una paret d'acer inoxidable per capturar addicionalment l'efecte de les condicions d'operació en el flux de calor entre aquesta i el dull durant els esdeveniments d'injecció i combustió i per determinar com l'evolució del doll i la flama són afectades per una situació realista de transferència de calor. Aquesta paret va ser instrumentada per controlar la temperatura inicial de la seua superfície exposada a la càmera i mesurar la seua variació amb el temps, utilitzant termoparells d'alta velocitat. Assajos en condicions de doll lliure també es van realitzar per proporcionar una base comparativa sòlida per a aquests experiments. / Peraza Ávila, JE. (2020). Experimental study of the diesel spray behavior during the jet-wall interaction at high pressure and high temperature conditions [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/149389 / TESIS

La préoccupation de plus en plus importante ces dernières décennies, liée à l’épuisement des ressources pétrolières et au réchauffement climatique par les gaz à effet de serre a accentué l’intérêt du butanol comme carburant alternatif dans le secteur des transports grâce à ses propriétés adaptées pour le moteur à allumage par compression. Cependant, le faible rendement des procédés de production et de séparation empêche encore sa commercialisation en tant que carburant. C’est pourquoi le mélange de fermentation intermédiaire de la production de butanol, Acétone-Butanol-Ethanol(ABE), est de plus en plus considéré comme un carburant alternatif potentiel en raison de ses propriétés similaires au butanol et de ses avantages quant à son cout énergétique pour sa fabrication.Dans ce cadre, ce travail a pour objectif d’étudier l’impact des propriétés de différents mélanges d’ABE et n-dodécane en comparaison avec des mélanges d’alcools (éthanol et butanol) sur le processus de pulvérisation et de combustion et ce,pour différentes proportions en volume allant de 20% à 50%. Pour cela, une nouvelle chambre de combustion appelée"New One Shot Engine ", a été réalisée et utilisée car les conditions haute pression et haute température de "Spray-A" (60bars, 800-900 K et 22,8 kg/m³) définies par le réseau Engine Combustion network (ECN) peuvent être atteintes. Autant les phases liquides et vapeur que de combustion ont été caractérisées grâce à l’utilisation des plusieurs techniques optiques (extinction, Schlieren, chimiluminescence d’OH*) dans des conditions non réactives (Azote pur) et réactives (avec15% d'oxygène). Ces résultats expérimentaux ont non seulement permis d’étudier l’impact en oxygène moléculaire et de fournir une nouvelle base de données fiables, mais aussi d’affirmer la possibilité d’utiliser jusque 20% d’ABE en volume dans des moteurs à allumage par compression, grâce à ses caractéristiques de pulvérisation et de combustion similaires au carburant Diesel conventionnel. / The growing concern in recent decades, linked to the depletion of oil resources and global warming by greenhouse gases has increased the interest of butanol as an alternative fuel in the transport sector. However, the low yield of production and separation processes still prevents its commercialization as a fuel. Therefore, the intermediate fermentation mixture of butanol production, Acetone-Butanol-Ethanol (ABE), is increasingly considered as a potential alternative fuel because of its similar properties to butanol and its advantages in terms of the energy and cost in the separation process.The context of this work aims to study the impact of fuel properties on the spray and combustion processes of ABE mixture and alcohol fuels, blended with the diesel surrogate fuel, n-dodecane, in different volume ratio from 20% to 50%. A new combustion chamber called "New One Shot Engine," was designed and developed to reach the high-pressure and high temperatureconditions of "Spray-A" (60 bar, 800-900 K and 22.8 kg/m³) defined by the Engine Combustion Network (ECN).The macroscopic spray and combustion parameters were characterized by using the several optical techniques (extinction,Schlieren, chemiluminescence of OH*) under non-reactive (pure Nitrogen) and reactive (15% of oxygen) conditions. These experimental results not only made it possible to study the molecular oxygen impact and provide a new accurate database,but also to affirm the possibility of using ABE up to 20% by volume in compression-ignition engines, as its spray and combustion characteristics similar to conventional diesel fuel.

Aujourd’hui, les constructeurs automobiles continuent de chercher les technologies renouvelables face à la pénurie d’énergie et les problèmes d’émission de polluants. Un moyen important pour optimiser l’économie de carburant et réduire les émissions polluantes des moteurs à allumage commandés est le concept ‘downsizing’. Cependant, ce concept est limité par le phénomène de cliquetis dû aux conditions de haute température et haut pression. Dans cette étude, le contrôle de la concentration d’oxygène dans l’air est proposé. Car d’une part, la combustion enrichie en oxygène permet d’améliorer la densité de puissance de moteur avec le même niveau de pression d’admission. Cela permet soit de ‘booster’ la combustion pour augmenter la puissance du moteur ou de l’activer lorsque le moteur fonctionne à faible charge ou dans des conditions de démarrage à froid. D’autre part, une faible concentration en oxygène dans l’air (ou dilution de N2) par un système membranaire peut être considérée comme une alternative à la recirculation des gaz d’échappement. Les expériences ont été effectuées dans un moteur monocylindre ‘downsizing’ avec différents taux d’oxygène et richesse. L’étude de l’impact du contrôle de la concentration d’oxygène sur les caractéristiques de combustion et d’émissions a été effectuée pour plusieurs charges en fonctionnement optimum pour limiter la consommation spécifique de carburant. L’effet de la concentration en oxygène sur les caractéristiques de combustion du moteur a été simulé en utilisant le logiciel commercial AMESim avec le modèle de combustion développé par IFP-EN. En mettant en oeuvre des corrélations de la vitesse de combustion laminaire, déterminées au préalable durant ce travail, et délai d’auto-inflammation, les pressions dans les cylindres sont parfaitement calibrés avec une erreur maximale inférieure à 2% et l’intensité du cliquetis a pu être prédite. / Nowadays, car manufacturers continue to lead researches on new technologies facing to the energy shortage and pollutant emission problems. A major way to optimise fuel economy and reduce pollutant emissions for Spark-Ignition (SI) engines is the downsizing concept. However, this concept is unfortunately limited by ‘knock’ phenomena (abnormal combustion) due to high temperature and high pressure in-cylinder conditions. In the present study, control the oxygen concentration in air is proposed. Indeed, on the one hand, oxygen-enriched combustion can improve engine power density with the same intake pressure level. Thus, oxygen-enriched combustion can be used either as a booster to increase engine output or as a combustion enhancer when the engine operates at low loads or in cold start conditions. On the other hand, low oxygen concentration in air (or N2 dilution) can be considered as an alternative to exhaust gas recirculation (EGR). The experiments were carried out in a downsized single-cylinder SI engine with different rates of oxygen and equivalence ratios. The study of the impact of controlling oxygen concentration on the combustion characteristics and emissions was performed at several loads by optimizing the spark advance and the intake pressure to maintain the load and obtain a minimum value of indicated Specific Fuel Consumption (SFC). The effect of oxygen concentration on the engine combustion characteristics was simulated by using the commercial software AMESim, with the combustion model developed by IFP-EN. By implementing correlations for the laminar burning velocity, determined previously during this study, and auto-ignition delay data base, the in-cylinder pressures were perfectly calibrated with a maximum pressure relative error less than 2%, and the knock intensity was predicted.