No description available.

No description available.

No description available.

[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]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/149389

[ES] La reducción de emisiones en motores de combustión interna (MCI) es uno de los mayores desafíos técnicos de la sociedad. Aunque están surgiendo nuevas tecnologías para la movilidad, el ICE seguirá teniendo un papel clave en el transporte durante las próximas décadas. Los motores diesel son un desafío en términos de emisiones contaminantes, en particular óxidos de nitrógeno (NOX) y hollín. De hecho, el último representa el 50 % de las emisiones totales de este tipo de motores. En este contexto, las nuevas tecnologías de hardware y los nuevos combustibles renovables han mostrado un gran potencial para reducir las emisiones de hollín sin afectar la eficiencia del motor (emisiones de CO2). Por esta razón, los impactos del uso de e-fuels (OMEX y FT diesel) y diferentes geometrías del bowl del pistón (reentrante, labio escalonado y labio escalonado con ondas) en la formación de hollín y el desarrollo de la combustión han sido analizados en un motor óptico mono cilíndrico diesel. Primero, se realizó una caracterización del flujo en el cilindro utilizando un pistón de geometría real (Reentrante) y aplicando la técnica de velocímetro de imágenes por partículas (PIV). Posteriormente, se analizó el movimiento de la llama, el proceso de combustión y la formación de hollín para diferentes geometrías de pistón mediante diversas técnicas ópticas como la velocímetro de imagen por combustión (CIV), luminosidad natural, quimioluminiscencia OH * y pirometría de 2 colores. Finalmente, se estudió el proceso de combustión y la formación de hollín al utilizar diferentes e-fuels aplicando las mismas técnicas ópticas utilizadas anteriormente. Además, para esta parte del estudio, se incluyó una técnica óptica específica denominada espectroscopia de alta velocidad para el análisis de hollín. Con respecto a la evaluación de las distintas geometrías del bowl, el labio escalonado y el labio escalonado con ondas presentaron una oxidación tardía del hollín que ha sido más rápida en comparación con la geometría reentrante. En condiciones extremas de hollín, también se observaron diferencias entre el labio escalonado y el labio escalonado con ondas. Se observó una oxidación más rápida del hollín para el segundo. Los e-fuels mostraron una notable reducción en la formación de hollín (especialmente OMEX) en comparación con el diesel fósil. A partir del análisis de espectroscopia, es posible afirmar la ausencia de hollín durante la combustión de OMEX puro. En general, tanto la aplicación de nuevos hardware (geometrías de bowls) como nuevos tipos de combustibles (e-fuels) en motores diesel han presentado un gran potencial para disminuir las emisiones de hollín / [CA] La reducció d'emissions en motors de combustió interna (MCI) es un dels majors reptes tècnics de la societat. Encara que estan sorgint noves tecnologies per a la mobilitat, el ICE seguirà tenint un paper clau en el transport durant les pròximes dècades. Els motors diesel son un dels reptes en termes d'emissió de contaminants, en particular òxids de nitrogen (NOX) i sutge. De fet, l'últim representa el 50% de les emissions totals d'aquest tipus de motor. Dins aquest context, les noves tecnologies de hardware y de nous combustibles renovables han mostrat un gran potencial per reduir les emissions de sutge sense afectar l'eficiència del motor (emissions de CO2). Per aquesta raó, els impactes sobre l'ús de e-fuels (OMEX i FT-diesel) i diferents geometries de bowl del pistó (re-entrant, llavi escalonat i llavi escalonat amb ones) en la formació de sutge i el desenvolupament de la combustió, han estat analitzats en un motor òptic mono-cilíndric diesel. Primer, es va realitzar una caracterització de flux en el cilindre utilitzant un pistó amb geometria real (re-entrant) i aplicant la tècnica de velocimetria de imatges per partícules (PIV). Posteriorment, es va analitzar el moviment de la flama, el procés de combustió i la formació de sutge per a diferents geometries de pistó mitjançant diverses tècniques òptiques com per exemple la de velocimetria de imatge per combustió (CIV), lluminositat natural, quimioluminescència de OH* i pirometria de 2 colors. Finalment, es va estudiar el procés de combustió i la formació de sutge utilitzant diferents e-fuels aplicant les mateixes tècniques òptiques utilitzades anteriorment. A més, per aquesta part de l'estudi, es va implementar una tècnica òptica específica denominada espectroscòpia d'alta velocitat per a l'anàlisi del sutge. Respecte a l'avaluació de les distintes geometries de bowl, els llavis escalonats i els escalonats amb ones presentaren una oxidació tardana del sutge que ha estat més ràpida en comparació amb la de geometria re-entrant. En condicions extremes de sutge, també es varen observar diferencies entre la geometria de llavi escalonat y la de llavi escalonat amb ones. Es va observar una oxidació més ràpida del sutge per al segon. Els e-fuels mostraren una reducció més ràpida del sutge (especialment l'OMEX) en comparació amb el diesel fòssil. A partir de l'anàlisi d'espectroscòpia, es possible afirmar l'absència de sutge durant la combustió de l'OMEX pur. En general, tant l'aplicació de nous hardwares (geometries de bowl) com nous tipus de combustibles (e-fuels) en motors diesel han presentat un gran potencial per a la reducció d'emissions de sutge. / [EN] The emissions reduction in internal combustion engines (ICE) is one of the greatest technical challenges of society. Although new technologies for mobility are emerging, the ICE will still have a key role in transport over the next decades. Diesel engines are challenging in terms of pollutant emissions, in particular nitrogen oxides (NOX) and particles. In fact, the last one represents 50 % of total emissions of this kind of engine. In this context, new hardware technologies as well as new renewable fuels have shown great potential to reduce soot emissions without affecting engine efficiency (CO2) emissions. For this reason, the impacts of using e-fuels (OMEX and FT-diesel) and different piston bowl geometries (re-entrant, stepped lip and stepped lip-wave bowl) on soot formation and combustion development were analyzed in a single cylinder optical diesel engine. First, an in-cylinder flow characterization when using a real bowl shape was performed by applying particle image velocimetry (PIV) technique. Subsequently, the flame movement, combustion process and soot formation were analyzed for different piston geometries through several optical techniques such as combustion image velocimetry (CIV), natural luminosity, OH* chemiluminescence and 2 color pyrometry. Finally, the combustion process and soot formation when using different e-fuels were studied by applying the same optical techniques used previously. In addition, for this part of the study, it was included a specific optical technique named high-speed spectroscopy for the soot analysis. Regarding the bowl geometries evaluation, the stepped lip and wave-stepped lip presented a faster late soot oxidation in comparison with the re-entrant geometry. Under extreme soot conditions, differences were also observed between the wave-stepped lip and the stepped lip. A faster soot oxidation was observed for the first one. The e-fuels showed a remarkable reduction in soot formation (especially OMEX) when compared with fossil diesel. From the spectroscopy analysis, it is possible to state the absence of soot during the combustion of pure OMEX. In general, the application of new hardware (bowl geometries) as well as new kind of fuels in diesel engines have presented a great potential in order to diminish the soot emissions. / This work was partially funded by Generalitat Valenciana through the Programa Santiago Grisolía (GRISOLIAP/2018/142) program. / Vargas Lewiski, FD. (2021). Analysis of the combustion process and soot formation in a single cylinder optical engine fueled with e-fuels and using different piston geometries [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/180351

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]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/81857

In-cylinder thermal barrier materials have been thoroughly investigated for their potential improvements in thermal efficiency in reciprocating internal combustion engines. These materials show improvements both directly in indicated work and indirectly through reduced demand on the cooling system. Many experimental and analytical sources have shown reductions in heat losses to the combustion chamber walls, but converting the additional thermal energy to indicated work has proven more difficult. Gains in indicated work over the expansion stroke could be made, but these were negated by increased compression work and reduced volumetric efficiency due to charge heating. Typically, the only improvements in brake work would come from the pumping loop in turbocharged engines, or from additional exhaust energy extraction through turbine-compounding devices. The concept of inter-cycle wall-temperature-swing holds promise to reap the benefits of insulation during combustion and expansion, while not suffering the penalties incurred with hotter walls during intake and compression. The combination of low volumetric heat capacity and low thermal conductivity would allow the combustion chamber surface temperature to quickly respond to the gas temperature throughout combustion. Surface temperatures are capable of rising in response to the spike in heat flux, thereby minimizing the temperature difference between the gas and wall early in the expansion stroke when the greatest conversion of thermal energy to mechanical work is possible. The combination of low heat capacity and thermal conductivity is essential in allowing this temperature increase during combustion, and in enabling the surface to cool during expansion and exhaust to avoid harmfully affecting engine volumetric efficiency during the intake stroke and minimizing compression work performed on the next stroke. In this thesis, thermal and thermodynamic models are constructed in an attempt to predict the effects of material properties in the walls, and to characterize the effects of heat transfer at different portions of the cycle on indicated work, volumetric efficiency, exhaust energy and gas temperatures of a reciprocating internal combustion engine. The expected impact on combustion knock in spark-ignited engines was also considered, as this combustion mode was the basis for the experimental engine testing performed. Conventional insulating materials were evaluated to benchmark the current state-of-the-art, and to gain experience in the analysis of materials with temperature-swing capability. Unfortunately, the effects of permeable porosity within the conventional coating on heat losses, fuel absorption and compression ratio tended to mask the effects of temperature swing. The individual impact of each of these loss mechanisms on engine performance was analyzed, and the experience helped to further refine the necessary traits of a successful temperature-swing material Finally, from the learnings of this analysis phase, a novel material was created and applied to the piston surface, intake valve faces, and exhaust valve faces. Engine data was taken with these coated components and compared to an un-coated baseline. While some of the test pieces physically survived the testing, analysis of the data suggests that they were not fully sealed and suffered from the same permeability losses that affected the conventional insulation. Further development is necessary to arrive at a robust, effective solution for minimizing heat transfer through wall temperature swing in reciprocating internal combustion engines. The success of temperature-swing thermal barrier materials requires very low thermal conductivity, heat capacity, and appropriate insulation thickness, as well as resilient sealing of any porous volume within the coating to avoid additional heat and fuel energy losses throughout the cycle. / Los materiales aislantes han sido investigados a fondo por sus posibles mejoras en la eficiencia térmica de los motores de combustión interna alternativos. Estas mejoras se ven reflejadas tanto directamente en el trabajo indicado como indirectamente a través de la reducción del sistema de refrigeración del propio motor. Diferentes estudios, tanto experimentales como analíticos, han mostrado la reducción en la transferencia de calor a través de las paredes de la cámara de combustión mediante la utilización de estos materiales. Sin embargo, demostrar la conversión de la energía térmica adicional en trabajo indicado ha resultado más difícil. En ciertos estudios se pudieron obtener mejoras en el trabajo indicado durante la carrera de expansión, pero éstas fueron reducidas debido a un menor rendimiento volumétrico debido al calentamiento de la carga durante el proceso de admisión y un mayor trabajo en la carrera de compresión. Típicamente, las únicas mejoras en el trabajo al freno provendrían de la reducción de pérdidas por bombeo en los motores turboalimentados, o de la extracción de la energía adicional de los gases de escape a través de turbinas. El concepto de los materiales con oscilación de la temperatura durante el ciclo motor intenta aprovechar los beneficios del aislamiento durante los procesos de combustión y expansión, mitigando las perdidas por el incremento de la temperatura de las paredes durante la admisión y la compresión. La combinación de baja capacidad calorífica y baja conductividad térmica permitiría que la temperatura de la superficie de la cámara de combustión respondiera rápidamente a la temperatura del gas durante el proceso de combustión. Las temperaturas de la superficie son capaces de aumentar en respuesta al pico de flujo de calor, minimizando así la diferencia de temperatura entre el gas y la pared en la carrera de expansión cuando es posible la mayor conversión de energía térmica en trabajo mecánico. La combinación de baja capacidad calorífica y conductividad térmica es también esencial para permitir este aumento de temperatura durante la combustión y para permitir que la superficie se enfríe durante la expansión y el escape para no perjudicar así el rendimiento volumétrico del motor durante la carrera de admisión y minimizar el trabajo de compresión realizado en el siguiente ciclo. En esta tesis se han desarrollado modelos térmicos y termodinámicos para predecir los efectos de las propiedades de los materiales en las paredes y caracterizar los efectos de la transferencia de calor en diferentes partes del ciclo sobre el trabajo indicado, el rendimiento volumétrico, la energía en los gases de escape y las temperaturas del gas para un motor de combustión interna alternativo. También se ha evaluado el impacto del uso de estos materiales en el knock en motores de combustión de encendido provocado, ya que los estudios experimentales de esta tesis se realizaron en un motor de estas características. Durante la investigación se evaluaron materiales aislantes convencionales para comprender el estado actual de esta técnica y para adquirir también experiencia en el análisis de materiales aislantes con oscilación de temperatura. Desafortunadamente, los efectos de la permeabilidad a través de la porosidad del material en los recubrimientos convencionales, la absorción de combustible y la relación de compresión tendieron a ocultar los efectos de la oscilación de la temperatura y la reducción de la transferencia de calor a través de las paredes. Así pues, se analizó el impacto individual de cada uno de estos mecanismos y su influencia en el rendimiento del motor para así definir un nuevo material con las características necesarias que mejorasen el aislante con de oscilación de temperatura. Finalmente, a partir de los estudios de esta fase de análisis, se creó un nuevo material y se aplicó a la superficie del pistón y a la supe / Els materials aïllants han estat investigats a fons per les seves possibles millores en l'eficiència tèrmica en el motors de combustió interna alternatius. Aquestes millores es veuen reflectides tant directament en el treball indicat com indirectament a través de la reducció del sistema de refrigeració del propi motor. Diferents estudis, tant experimentals com analítics, han mostrat la reducció en la transferència de calor a través de les parets de la cambra de combustió mitjançant la utilització d'aquests materials. No obstant això, demostrar la conversió de l'energia tèrmica addicional en treball indicat ha resultat més difícil. En certs estudis es van poder obtenir millores en el treball indicat durant la carrera d'expansió, però aquestes van ser reduïdes a causa d'un menor rendiment volumètric causat de l'escalfament de la càrrega durant el procés d'admissió i un major treball en la carrera de compressió. Típicament, les úniques millores en el treball al fre provindrien de la reducció de pèrdues per bombeig en els motors turbo alimentats, o de l'extracció addicional de l'energia dels gasos d'escapament a través de turbines. El concepte dels materials amb oscil·lació de la temperatura durant el cicle motor intenta aprofitar els beneficis de l'aïllament durant els processos de combustió i expansió, mitigant les perdudes per l'increment de la temperatura de les parets durant l'admissió i la compressió. La combinació de baixa capacitat calorífica i baixa conductivitat tèrmica permetria que la temperatura de la superfície de la cambra de combustió respongués ràpidament a la temperatura del gas durant el procés de combustió. Les temperatures de la superfície són capaços d'augmentar en resposta al flux de calor, minimitzant així la diferència de temperatura entre el gas i la paret en la carrera d'expansió quan és possible la major conversió d'energia tèrmica en treball mecànic. La combinació de baixa capacitat calorífica i conductivitat tèrmica és també essencial per permetre aquest augment de temperatura durant la combustió i el refredament de la superfície durant l'expansió i l'escapament per no perjudicar així el rendiment volumètric del motor durant la carrera d'admissió i minimitzar el treball de compressió realitzat en el següent cicle. En aquesta tesi s'han desenvolupat models tèrmics i termodinàmics per predir els efectes de les propietats dels materials en les parets i caracteritzar els efectes de la transferència de calor en diferents parts del cicle sobre el treball indicat, el rendiment volumètric, l'energia en els gasos d'escapament i les temperatures del gas per un motor de combustió interna alternatiu. També s'ha avaluat l'impacte d'aquests materials en el knock en motors de combustió d'encesa provocada, ja que les proves experimentals d'aquesta tesi es van realitzar en un motor d'aquestes característiques. Durant la investigació es van avaluar materials aïllants convencionals per comprendre l'estat actual d'aquesta tècnica i per adquirir també experiència en l'anàlisi de materials aïllants amb oscil·lació de temperatura. Desafortunadament, els efectes de la permeabilitat a través de la porositat del material en el recobriment convencional, l'absorció de combustible i la relació de compressió van tendir a ocultar els efectes de l'oscil·lació de la temperatura i la reducció de la transferència de calor a través de les parets. Així doncs, es va analitzar l'impacte individual de cada un d'aquests mecanismes i la seva influència en el rendiment del motor per així definir un nou material amb les característiques necessàries que milloressin el aïllant d'oscil·lació de temperatura. Finalment, a partir dels estudis d'aquesta fase d'anàlisi, es va crear un nou material i es va aplicar a la superfície del pistó i a la superfície interna de les vàlvules d'admissió i d'escapament. Les dades de motor es van prendre a / Andruskiewicz, PP. (2017). ANALYTICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF TEMPERATURE-SWING INSULATION ON ENGINE PERFORMANCE [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90467

Elevada eficiencia térmica y mínimas emisiones contaminantes impuestas por las restrictivas normativas anticontaminación en motores alternativos representan el principal objetivos de los fabricantes de motores. La estrategia de combustión diésel convencional es ampliamente utilizada en el mundo gracias a su excelente economía en el consumo de carburante. Esta estrategia permite operar con mezclas pobres de combustible y aire proporcionando elevada eficiencia térmica. Además, este tipo de combustión puede ser aplicada desde motores tanto para vehículos ligeros como en motores marinos. Sin embargo, este proceso de combustión conlleva a la generación de elevadas emisiones de NOx y emisiones de partículas (comúnmente llamado hollín en los diésel), siendo imposible reducir ambos contaminantes de forma simultánea. Por tanto, los fabricantes han incorporado sistemas de post-tratamiento con el objetivo de cumplir con las normativas de emisiones, cuya intención es la de proveer emisiones más limpias y elevada eficiencia. Por el contrario, este tipo de sistemas para mitigar las emisiones contaminantes incrementan la complejidad del motor dado el complejo proceso llevado a cabo durante el post-tratamiento y una aumento en los costes tanto de producción como operativos a lo largo del ciclo de vida del motor. La comunidad científica continua desarrollando soluciones alternativas a la combustión diésel convencional manteniendo los beneficios de este proceso de combustión mientras que las emisiones son reducidas (principalmente NOx y hollín). La comunidad científica ha encontrado en las estrategias de combustión de baja temperatura un proceso de combustión capaz de proporcionar elevada eficiencia térmica y emisiones ultra bajas de NOx y humo. En este sentido, la revisión bibliográfica dice que estos tipos de combustión permiten la reducción simultánea de ambas emisiones, rompiendo así el tradicional "trade-off" existente en la combustión diésel convencional. Sobre todas las estrategias, la que muestra un potencial superior es la estrategia conocida como combustión dominada por la reactividad del combustible. Este proceso de combustión se caracteriza por emplear dos combustibles, siendo capaz de solucionar los principales problemas de las estrategias de baja temperatura tales como el fasado de la combustión. Sin embargo, esta estrategia de combustión también presenta algunos inconvenientes como el elevado nivel de monóxido de carbono e hidrocarburos inquemados a baja carga y elevado gradiente de presión y presión en cámara a elevada carga que limitan el rango de operación. El objetivo general de la presente investigación es proveer de una estrategia de combustión "dual-fuel" capaz de operar sobre todo el rango de operación de un motor proporcionando igual o mejores eficiencia térmica que el diésel convencional y emisiones ultra bajas de NOx y humos. Adicionalmente, esta investigación implica una exploración delas emisiones de las partículas del concepto de combustión ya que el número de partículas se encuentra actualmente regulado por la normativa anticontaminante. El proceso de combustión que responde a este objetivo es "Dual-Mode Dual-Fuel". Este concepto de combustión emplea dos combustibles y cambia de combustión premezclada a baja carga a combustión de naturaleza difusiva a plena carga. Con el deseo de explorar las capacidades de la estrategia de combustión, se han empleado dos configuraciones de "hardware" y se ha realizado un estudio de la distribución por tamaños de las partículas. Finalmente, considerando los principales resultados de la investigación, el último capítulo pretende resumir las principales bondades del concepto de combustión así como sus limitaciones y trabajos futuros. / Elevada eficiència tèrmica i mínimes emissions contaminants impostes per les normatives anticontaminants en motores alternatius representen el principal objectiu dels fabricants de motors. La estratègia de combustió diésel convencional es àmpliament utilitzada per tot el mon gracies al excel·lent consum de carburant. Esta estratègia permet operar el motor amb dosatges pobres que resulten en elevada eficiència tèrmica. A més, aquest tipus de combustió pot ser aplicada tant a els motor mes lleugers con als motor per aplicacions marines. No obstant això, aquest procés de combustió implica la generació de elevats nivells de emissió de NOx i sutja, que no es poden reduir simultàniament. Per tant, els fabricants han incorporat sistemes de post-tractament amb el objectiu de acomplir les normatives anticontaminació, que pretenen obtindre motors en emissions mes netes i mes eficients. Per el contrari, aquest tipus de sistemes per a reduir les emissions incrementen la complexitat del motor i els costos tant de producció com operatius al llarg del cicle de vida del motor. La comunitat científica continua desenvolupant solucions alternatives a la combustió dièsel mantenint els beneficis d¿aquest tipus de combustió però reduint les emissions (principalment NOx i sutja). La comunitat científica ha trobat a les estratègies de combustió de baixa temperatura un procés de combustió que te elevada eficiència tèrmica i extremadament baixes emissions de NOx y partícules. En aquest sentit, la revisió bibliogràfica constata que aquests tipus de combustions permeten la reducció simultània dels contaminants NOx i sutja, trencant el tradicional "trade-off" existent a la combustió dièsel. De entre totes les estratègies proposades de baixa temperatura, la estratègia combustió dominada per la reactivitat del combustible presenta mes potencial que les altres. Aquest procés de combustió es caracteritza per utilitzar dos combustibles, lo que li permet solventar els principals problemes que han aparegut al llarg de la investigació de les estratègies de baixa temperatura com el control de la combustió. No obstant, aquest concepte de combustió també presenta algunes limitacions com el excessiu nivell de monòxid de carbó e inquemats a baixa càrrega i el elevat gradient de pressió i elevada pressió en càmera a elevada càrrega que limiten el rang de operació del motor. El objectiu de la investigació es proposar un concepte de combustió "dual-fuel" que puga operar en tot el rang de operació de un motor proporcionant el mateix o millorant la eficiència tèrmica que el dièsel amb emissions ultra baixes de NOx y partícules. A més, aquesta investigació també implica realitzar una exploració de les partícules emitides per el concepte ja que actualment està regulat per les normatives anticontaminants. El procés de combustió que compleix el objectiu es diu "Dual-Mode Dual-Fuel". Aquest concepte de combustió utilitza dos combustibles de diferent reactivitat y modifica la combustió de totalment premesclada a baixa càrrega a combustió de natura difusiva a plena càrrega. Amb el desig de explorar les capacitats del concepte, s¿han arribat a provar dos configuracions de pistons diferent per a adequar la relació de compressió i també un anàlisi per tamanys de les partícules. Finalment, considerant els principals resultats obtinguts, el últim capítol pretén resumir les principals avantatges del concepte ací com les principals limitacions y , per tant, els treballs futurs. / High thermal efficiency coupled to minimum pollutants emissions imposed by the stringent standard emissions limitations in reciprocating engines represent the main target of the engine manufacturers industry. Conventional diesel combustion strategy is widely used worldwide due to its excellent fuel economy. This combustion strategy allows operating under lean mixtures of fuel and air that provide high thermal efficiency. In addition, this type of combustion can be applied from light-duty engines to large bore marine engines. However, the combustion process leads to high NOx and particle matter emissions, being impossible to reduce both pollutants simultaneously. Hence, manufactures have incorporated aftertreatment systems in order to meet the imposed standard emissions limitations, which are aimed to provide cleaner emissions and high efficiency. By contrast, these systems required for the emissions mitigation result in a very complex processes and an increase in the engine production and operational costs. The research community continues developing alternative solutions to the conventional diesel combustion concept keeping the benefits of this combustion process while the emissions are reduced (mainly focused on NOx and soot). Research community have found in the low temperature combustion strategies the combustion process able to provide excellent high thermal efficiency and ultra-low NOx and smoke emissions. In this sense, the literature review states that this types of combustion processes allow the simultaneous reduction of NOx and smoke, breaking the traditional trade-off found in diesel engines. Amongst others, the most promising strategy is the reactivity controlled compression ignition. This combustion process is characterized by using two fuels and is able to solve the main challenges of the low temperature combustion processes such as combustion phasing control. Nonetheless, the reactivity controlled strategy also presents some challenges such as excessive carbon monoxide and unburned hydrocarbons during low load operation and high pressure rise rate and in-cylinder pressure that limit the engine range operation. The general objective of this investigation is to provide a dual-fuel strategy able to operate over the whole range providing similar or better thermal efficiency that the conventional diesel combustion and ultra-low values of NOx and smoke. In addition, the investigation also explores the particle emissions of the concept since it is regulated by the standard emissions. The combustion process that responds to the target provided at the general objective is the Dual-Fuel Dual-Mode concept. This concept uses two fuels and switches from a dual-fuel fully premixed strategy (based on the RCCI concept) during low load operation to a diffusive nature during high load operation. In order to explore the capabilities of the concept, two hardware configurations are used and a particle size distribution exploration is performed. Finally, considering the main findings of the investigation, the last chapter is aimed to provide the benefits of the combustion process developed as well as the main limitations or future works of the concept. / Boronat Colomer, V. (2018). Dual-Fuel Dual-Mode combustion strategy to achieve high thermal efficiency, low NOx and smoke emissions in compression ignition engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/113413

<p>  </p> <p>  </p> <p>An approach to modify surface flashover of insulators in vacuum by limiting duration of its high-current stage responsible for the damaging effects of a classic flashover was developed. The flashover assembly was made by TorrSeal-gluing copper electrodes (10 x 10 x 0.5 mm) to both side of an alumina ceramic sheet (0.635 mm thick). The modified flashover, referred to as low energy surface flashover (LESF), was achieved by utilization of a high voltage (HV) nanosecond pulser or addition of a resistor in series with the LESF assembly when HV DC was utilized. The duration of LESF was visualized by ICCD fast photography to be 100 – 200 ns accompanying electrical characteristics measurements, which gave insight of a way to control the flashover duration by inserting additional capacitor in parallel with the LESF assembly to increase the stored energy prior to breakdown. The LESF assembly was tested for > 1.5 million consecutive pulses and remained operational, while operation in high energy regime with parallel capacitor (4nF) lead to significant damage after 200 pulses.</p> <p>The igniting capabilities of LESF assembly was demonstrated via successful triggering of vacuum arc and a prototype pulsed plasma accelerator. The plasma plume propagation speed and angular distribution was measured via Langmuir probes. Efforts were made for temporally resolved spectroscopy measurements. </p> <p>The LESF assembly was improved by replacing TorrSeal-gluing with direct bonding of copper to alumina ceramic and changing the configuration from parallel plate to coaxial. The improved assembly was demonstrated to be operational throughout and after an extended test of 10 million pulses. A higher resolution ICCD photography revealed finer LESF discharge features including initial bright line across the insulator developing into a double-jet plasma plume propagating at around 10⁵m/s and later-on point-like attachment of the discharge column to the electrodes. The composition of the plasma and erosion pattern on the LESF assembly was studied via SEM/EDX analysis, which supported the predominant ceramic erosion over copper electrodes erosion.</p>

<p dir="ltr">A three-dimensional numerical model was developed using the commercial CFD code CONVERGE to study the gas-dynamic interactions between the two chambers in a gasoline engine. The geometry and parameters of the engine used were based on a modified turbocharged GM four-cylinder 2.0 L GDI gasoline engine. Pre-chambers with nozzle diameters of 0.75 mm and 1.5 mm were used to investigate the effect of pre-chamber geometry on pre-chamber charging, combustion, and jet formation. The local developments of gas temperature and velocity were captured by adaptive mesh refinement, while the turbulence was resolved with the k-epsilon model of the Reynolds averaged Navier–Stokes (RANS) equations. The combustion process was modeled with the extended coherent flamelet model (ECFM). Data from engine experiments were compared with the computed main chamber pressures and heat release rates, and the results show good consistency with the model calculations. The scavenging and air–fuel equivalence ratio (λ) distribution of the pre-chambers improved with the larger nozzle, while the smaller nozzle generated jets with higher velocity, greater turbulence kinetic energy, and longer penetration length. Moreover, after the primary jet formation, secondary pre-chamber charging, combustion, and secondary jet formation were observed.</p><p dir="ltr">Two active PC injection strategies were designed to investigate the effect of injected hydrogen mass and PC mixture air-to-fuel equivalence ratio λ on PC combustion, jet formation, and main-chamber combustion. Stoichiometric or rich hydrogen/oxygen mixtures are actively injected into the pre-chamber to enhance the combustion processes in the pre-chamber and the main chamber. A three-dimensional numerical engine model is developed using the commercial CFD code CONVERGE. The engine geometry and parameters adopt a modified GM 4-cylinder 2.0L GDI gasoline engine. The local developments of gas temperature and velocity are resolved with the adaptive mesh refinement (AMR). The turbulence of the flow is computed with the k-epsilon model of the Reynolds averaged Navier–Stokes (RANS) equations. The turbulent combustion process is modeled with the extended coherent flamelet model (ECFM). Numerical results such as main chamber pressures and heat release rates are compared with experimental measurements, showing good consistency. Detailed analysis is performed to study the effect of the active pre-chamber injection with hydrogen on jet properties and turbulence chemistry interactions. An EGR limit of 36% was observed by injecting a stoichiometric hydrogen-oxygen mixture into the pre-chamber due to its high laminar flame speed and adiabatic flame temperature.</p>