Im Rahmen dieser Arbeit wurden die laminaren Flammengeschwindigkeit und die Zündverzugszeit für verschiedene alternative Treibstoffe und Treibstoffkomponenten experimentell bestimmt. Mit Farnesan, Alcohol-to-Jet SPK, Alcohol-to-Jet SKA und ReadiJet wurden vier verschiedene alternative Treibstoffe untersucht, die sich durch ihre Herkunft und in ihrer Zusammensetzung unterscheiden. Die Betrachtung einzelner Treibstoffkomponenten diente der Untersuchung inwieweit die Molekülstruktur einen Einfluss auf die Verbrennungseigenschaften hat. Dazu wurde aus jeder der vier Hauptstrukturgruppen (n-Alkane, iso-Alkane, Cycloalkane und Aromaten) jeweils ein Vertreter ausgewählt: n-Dodecan, Isooctan, n-Propylcyclohexan und n-Propylbenzol. Alle erhaltenen Ergebnisse worden mit Jet A-1, einem realen Treibstoff, verglichen. Aus den einzelnen Komponenten wurde auch ein aromatenfreies Surrogat hergestellt von welchem die Verbrennungseigenschaften ebenfalls experimentell untersucht wurden. Für das Surrogat wie auch seine Komponenten wurden die laminare Flammengeschwindigkeit und die Zündverzugszeit zusätzlich in einer Modellierung berechnet.:SYMBOLVERZEICHNIS ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 1 EINLEITUNG 2 GRUNDLAGEN ZUR VERBRENNUNG VON TREIBSTOFFEN 2.1 Laminare Flammen und Zündprozesse 2.2 Vorgänge bei der Oxidation von Kohlenwasserstoffen 2.3 Schadstoffbildung 3 UNTERSUCHTE TREIBSTOFFE 3.1 Jet A‐1 3.2 Alternative Treibstoffe 3.3 Treibstoffkomponenten 4 EXPERIMENTE 4.1 Einführung 4.2 Laminare Flammengeschwindigkeit 4.2.1 Einführung zur Messung der laminaren Flammengeschwindigkeit 4.2.2 Anwendung der Winkelmethode 4.2.3 Einfluss der Streckung auf laminare Flammen 4.2.4 Versuchsaufbau und Durchführung der Messung 4.2.5 Messergebnisse 4.3 Zündverzugszeit 4.3.1 Einführung zur Messung der Zündverzugszeit 4.3.2 Funktionsprinzip eines Stoßrohres 4.3.3 Versuchsaufbau und Durchführung der Messung 4.3.4 Messergebnisse 5 ZUSAMMENHANG ZWISCHEN STRUKTUR UND REAKTIVITÄT 5.1 Vergleich von n‐Dodecan und Isooctan 5.2 Vergleich von n‐Propylcyclohexan und n‐Propylbenzol 6 BERECHNUNG DER VERBRENNUNGSEIGENSCHAFTEN 6.1 DLR‐Mechanismus 6.2 Berechnung der laminaren Flammengeschwindigkeit 6.3 Berechnung der Zündverzugszeit 7 ZUSAMMENFASSUNG 8 FAZIT UND AUSBLICK 9 LITERATURVERZEICHNIS ABBILDUNGSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS ANHANG

Autoignition characteristics of pre-vaporized iso-octane, primary reference fuels, gasolines, and dimethyl ether (DME) have been investigated experimentally in a coflow with elevated temperature of air. With the coflow air at relatively low initial temperatures below autoignition temperature Tauto, an external ignition source was required to stabilize the flame. Non-autoignited lifted flames had tribrachial edge structures and their liftoff heights correlated well with the jet velocity scaled by the stoichiometric laminar burning velocity, indicating the importance of the edge propagation speed on flame stabilization balanced with local flow velocity. At high initial temperatures over Tauto, the autoignited flames were stabilized without requiring an external ignition source. The autoignited lifted flames exhibited either tribrachial edge structures or Mild combustion behaviors depending on the level of fuel dilution. For the iso-octane and n-heptane fuels, two distinct transition behaviors were observed in the autoignition regime from a nozzle-attached flame to a lifted tribrachial-edge flame and then a sudden transition to lifted Mild combustion as the jet velocity increased at a certain fuel dilution level. The liftoff data of the autoignited flames with tribrachial edges were analyzed based on calculated ignition delay times for the pre-vaporized fuels. Analysis of the experimental data suggested that ignition delay time may be much less sensitive to initial temperature under atmospheric pressure conditions as compared with predictions. For the gasoline fuels for advanced combustion engines (FACEs), and primary reference fuels (PRFs), autoignited liftoff data were correlated with Research Octane Number and Cetane Number. For the DME fuel, planar laser-induced fluorescence (PLIF) of formaldehyde (CH2O) and CH* chemiluminescence were visualized qualitatively. In the autoignition regime for both tribrachial structure and mild combustion, formaldehyde were found mainly between the fuel nozzle and the lifted flame edge. On the other hand, they were formed just prior to the flame edge for the non-autoignited lifted flames. The effect of fuel pyrolysis and partial oxidation were found to be important in explaining autoignited liftoff heights, especially in the Mild combustion regime. Flame structures of autoignited flames were investigated numerically for syngas (CO/H2) and methane fuels. The simulations of syngas fuel accounting for the differential diffusion have been performed by adopting several kinetic mechanisms to test the models ability in predicting the flame behaviors observed previously. The results agreed well with the observed nozzle-attached flame characteristics in case of non-autoignited flames. For autoignited lifted flames in high temperature regime, a unique autoignition behavior can be predicted having HO2 and H2O2 radicals in a broad region between the nozzle and stabilized lifted flame edge. Autoignition characteristics of laminar nonpremixed methane jet flames in high- temperature coflow air were studied numerically. Several flame configurations were investigated by varying the initial temperature and fuel mole fraction. Characteristics of chemical kinetics structures for autoignited lifted flames were discussed based on the kinetic structures of homogeneous autoignition and flame propagation of premixed mixtures. Results showed that for autoignited lifted flame with tribrachial structure, a transition from autoignition to flame propagation modes occurs for reasonably stoichiometric mixtures. Characteristics of Mild combustion can be treated as an autoignited lean premixed lifted flame. Transition behavior from Mild combustion to a nozzle-attached flame was also investigated by increasing the fuel mole fraction.

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[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

Spark ignited engines are still important for conventional as well as for hybrid power trains and are thus objective to optimization. Today a lot of functionalities arise from software solutions, which have to be calibrated. Modern engine technologies provide an extensive variability considering their valve train, fuel injection and load control. Thus, calibration efforts are really high and shall be reduced by introduction of virtual methods. In this work a physical 0D combustion model is set up, which can cope with a new generation of spark ignition engines. Therefore, at first cylinder thermodynamics are modeled and validated in the whole engine map with the help of a real-time capable approach. Afterwards an up to date turbulence model is introduced, which is based on a quasi-dimensional k-epsilon-approach and can cope with turbulence production from large scale shearing. A simplified model for ignition delay is implemented which emphasizes the transfer from laminar to turbulent flame propagation after ignition. The modeling is completed with the calculation of overall heat release rates in a 0D entrainment approach with the help of turbulent flame velocities. After validation of all sub-models, the 0D combustion prediction is used in combination with a 1D gas exchange analysis to virtually calibrate the modern engine torque structure and the ECU function for exhaust gas temperature with extensive simulations. / Moderne Ottomotoren spielen heute sowohl in konventionellen als auch hybriden Fahrzeugantrieben eine große Rolle. Aktuelle Konzepte sind hochvariabel bezüglich Ventilsteuerung, Kraftstoffeinspritzung und Laststeuerung und ihre Optimierungspotentiale erwachsen zumeist aus neuen Softwarefunktionen. Deren Applikation ist zeit- und kostenintensiv und soll durch virtuelle Methoden unterstützt werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein physikalisches 0D Verbrennungsmodell für Ottomotoren aufgebaut und bis zur praktischen Anwendung geführt. Dafür wurde zuerst die Thermodynamik echtzeitfähig modelliert und im gesamten Motorenkennfeld abgeglichen. Der Aufbau eines neuen Turbulenzmodells auf Basis der quasidimensionalen k-epsilon-Gleichung ermöglicht anschließend, die veränderlichen Einflüsse globaler Ladungsbewegung auf die Turbulenz abzubilden. Für den Brennverzug wurde ein vereinfachtes Modell abgeleitet, welches den Übergang von laminarer zu turbulenter Flammenausbreitung nach der Zündung in den Vordergrund stellt. Der restliche Brennverlauf wird durch die physikalische Ermittlung der turbulenten Brenngeschwindigkeit in einem 0D Entrainment-Ansatz dargestellt. Nach Validierung aller Teilmodelle erfolgt die virtuelle Bedatung der Momentenstruktur und der Abgastemperaturfunktion für das Motorsteuergerät.

Spark ignited engines are still important for conventional as well as for hybrid power trains and are thus objective to optimization. Today a lot of functionalities arise from software solutions, which have to be calibrated. Modern engine technologies provide an extensive variability considering their valve train, fuel injection and load control. Thus, calibration efforts are really high and shall be reduced by introduction of virtual methods. In this work a physical 0D combustion model is set up, which can cope with a new generation of spark ignition engines. Therefore, at first cylinder thermodynamics are modeled and validated in the whole engine map with the help of a real-time capable approach. Afterwards an up to date turbulence model is introduced, which is based on a quasi-dimensional k-epsilon-approach and can cope with turbulence production from large scale shearing. A simplified model for ignition delay is implemented which emphasizes the transfer from laminar to turbulent flame propagation after ignition. The modeling is completed with the calculation of overall heat release rates in a 0D entrainment approach with the help of turbulent flame velocities. After validation of all sub-models, the 0D combustion prediction is used in combination with a 1D gas exchange analysis to virtually calibrate the modern engine torque structure and the ECU function for exhaust gas temperature with extensive simulations.:Contents 1 Introduction. 2 Thermodynamic modeling with real-time capability. 3 Quasi-dimensional modeling of turbulence and global charge motion. 4 Physical modeling of ignition delay. 5 Combustion modeling based on a 0D entrainment approach. 6 Virtual engine calibration with a quasi-dimensional combustion model. 7 Summary and outlook. / Moderne Ottomotoren spielen heute sowohl in konventionellen als auch hybriden Fahrzeugantrieben eine große Rolle. Aktuelle Konzepte sind hochvariabel bezüglich Ventilsteuerung, Kraftstoffeinspritzung und Laststeuerung und ihre Optimierungspotentiale erwachsen zumeist aus neuen Softwarefunktionen. Deren Applikation ist zeit- und kostenintensiv und soll durch virtuelle Methoden unterstützt werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein physikalisches 0D Verbrennungsmodell für Ottomotoren aufgebaut und bis zur praktischen Anwendung geführt. Dafür wurde zuerst die Thermodynamik echtzeitfähig modelliert und im gesamten Motorenkennfeld abgeglichen. Der Aufbau eines neuen Turbulenzmodells auf Basis der quasidimensionalen k-epsilon-Gleichung ermöglicht anschließend, die veränderlichen Einflüsse globaler Ladungsbewegung auf die Turbulenz abzubilden. Für den Brennverzug wurde ein vereinfachtes Modell abgeleitet, welches den Übergang von laminarer zu turbulenter Flammenausbreitung nach der Zündung in den Vordergrund stellt. Der restliche Brennverlauf wird durch die physikalische Ermittlung der turbulenten Brenngeschwindigkeit in einem 0D Entrainment-Ansatz dargestellt. Nach Validierung aller Teilmodelle erfolgt die virtuelle Bedatung der Momentenstruktur und der Abgastemperaturfunktion für das Motorsteuergerät.:Contents 1 Introduction. 2 Thermodynamic modeling with real-time capability. 3 Quasi-dimensional modeling of turbulence and global charge motion. 4 Physical modeling of ignition delay. 5 Combustion modeling based on a 0D entrainment approach. 6 Virtual engine calibration with a quasi-dimensional combustion model. 7 Summary and outlook.