[EN] This last few years, the trend in diesel engines has been to use different kinds of fuels to identify their influence and behaviour on the emissions and performance. Among the wide variety of fuels employed are the so called Primary Reference Fuels (PRFs), which represent the behaviour of diesel and gasoline in terms of ignition properties, as they are located at both ends of the octane rating scale and also have very different cetane numbers. One of the disadvantages of using pure gasoline or diesel-gasoline blends in diesel engines is the time needed for the mixture to ignite and to completely burn the fuel. This generally requires working with partial loads or with premixed charges. In order to isolate the fuel effects on the spray processes and to be able to study the characteristic parameters of ignition delay time, lift-off length, vapour and liquid penetration, among others; different experiments under parametric variations of diesel like conditions have been performed. The tests were performed under inert and reactive conditions in a 2-stroke optical engine and a constant-pressure flow (CPF) high-pressure high-temperature vessel using single-hole nozzles, while diverse optical techniques were being employed. To study the influence of the fuel properties, different single-component fuels were employed as well as binary blends and a six-component diesel surrogate, which was also compared to conventional diesel. Additionally, the results have been contrasted with a one-dimensional model in order to further explain the values and trends found. The results presented a strong dependency on the fuel properties for the tests performed under inert and reactive conditions. The difference in physical properties of n-decane and n-hexadecane showed an almost linear reduction of the stabilized liquid penetration down to approximately 60% under some conditions. Additionally, due to the composition of the surrogate fuel, pure n-hexadecane was demonstrated to have almost identical evaporation characteristics, hence proving itself as a good candidate for a single-component surrogate of diesel fuel. In a similar way, the chemical properties of the PRFs n-heptane and iso-octane also proved to be influential on the spray development and radiation emitted. Ignition delay values up to one order of magnitude larger where obtained for both extremes of the blend range, as well as lift-off lengths up to three times longer. The radiation emitted by the soot incandescence presented the highest variations, as some conditions showed a reduction of almost four orders of magnitude among the blend range. Moreover, some cases did not present any radiation corresponding to the soot, and increasing the sensitivity of the camera only caused the chemiluminescence of the OH* radical to be captured. On a different way, the stabilized flame length determined also by the soot radiation did not present much variation as the fuel properties or the air temperature were changed; in fact, the only noticeable differences were caused by the changes in the oxygen composition of the ambient air. In conclusion, the fuel properties proved to have a significant effect on the spray processes. Lighter fuels favoured the evaporation of the spray under a range of conditions, while fuels with lower octane numbers ignited sooner and closer to the spray tip but with more soot luminosity measured. / [ES] Estos últimos años, la tendencia en motores diesel ha sido la de emplear distintos tipos de combustibles para identificar su influencia y comportamiento sobre las emisiones y rendimiento. Dentro de la amplia variedad de combustibles empleados están los llamados combustibles de referencia (PRFs ingl. Primary Reference Fuels), los cuales representan el comportamiento del diesel y la gasolina en lo que respecta a propiedades de encendido, ya que se encuentran en ambos extremos de la escala del número de octano y también poseen números de cetano muy distintos. Una de las desventajas de utilizar gasolina pura o mezclas de diesel-gasolina en motores diesel es el tiempo que toma la mezcla en encender y quemar completamente el combustible. Esto generalmente requiere trabajar con cargas parciales o cargas premezcladas. Para poder aislar los efectos del combustibles sobre los procesos de un chorro y que sea capaz estudiar los parámetros característicos de tiempo de retraso de encendido, longitud de despegue de llama, penetración de líquido y vapor, entre otros, se han realizado distintos experimentos bajo variaciones paramétricas de condiciones de motor diesel. Los ensayos han sido realizados bajo condiciones inertes y reactivas en un motor óptico de dos tiempos y una instalación de alta presión y alta temperatura de flujo continuo a presión constante (CPF ingl. Constant-Pressure Flow) empleando toberas mono-orificio, con aplicación de diversas técnicas ópticas. Para estudiar la influencia de las propiedades de los combustibles se utilizaron distintos mono-componentes, así como mezclas binarias y un sustituto de diesel conformado por seis componentes, el cual fuel comparado con diesel convencional. Adicionalmente, los resultados han sido contrastados con un modelo unidimensional para ayudar a explicar los valores y tendencias encontrados. Los resultados presentaron una fuerte dependencia de las propiedades de los combustibles en los ensayos realizados bajo condiciones inertes y reactivas. La diferencia entre las propiedades físicas del n-decano y n-hexadecano mostraron una reducción casi lineal sobre la longitud líquida estabilizada hasta aproximadamente un 60% bajo ciertas condiciones. Adicionalmente, debido a la composición del combustible de sustitución, el n-hexadecano puro demostró tener características de evaporación prácticamente idénticas, probándose a sí mismo como un buen candidato para ser un sustituto mono-componente del diesel convencional. De una manera similar, las propiedades químicas de los PRFs n-heptano e iso-octano también probaron tener influencia sobre el desarrollo del chorro y radiación emitida. Se obtuvieron valores de tiempo de retraso con diferencias de hasta un orden de magnitud entre ambos extremos del rango de las mezclas, así como longitudes de despegue de llama hasta tres veces más largas. La radiación emitida por la incandescencia del hollín presentó las variaciones más altas, ya que algunas condiciones mostraron reducciones de hasta cuatro órdenes de magnitud dentro del rango de mezclas. Es más, algunos casos no presentaron radiación correspondiente al hollín, e incrementar la sensibilidad de la cámara solo ocasionó que la quimioluminiscencia del radical OH* sea detectada. Por otro lado, la longitud estabilizada de llama calculada mediante la radiación del hollín no presentó mucha variación respecto a las propiedades del combustible o la temperatura del aire. De hecho, la única diferencia apreciable fue causada por los cambios en la composición del oxígeno del aire ambiente. En conclusión, las propiedades de los combustibles demostraron tener un efecto significativo en los procesos de un chorro diesel. Los combustibles más ligeros favorecieron la evaporación del chorro en un rango de condiciones, mientras que combustibles con números de octano más bajos encendieron más pronto y cerca de la tobera pero con mayor luminosidad del hollín medida. / [CA] En aquests últims anys, la tendència en motors Diesel ha estat la d'emprar diferents tipus de combustibles per a identificar la seva influència i comportament sobre les emissions i rendiment. Dintre de l'àmplia varietat de combustibles emprats estan els anomenats combustibles de referència (PRFs angl. Primary Reference Fuels), els quals representen el comportament del dièsel i la gasolina pel que fa a propietats d'encesa, ja que es troben en ambdós extrems de l'escala del nombre d'octà i també posseeixen nombres de cetà molt diferents. Un dels desavantatges d'utilitzar benzina pura o barreges de Diesel-benzina en motors Diesel és el temps que pren la barreja a encendre i cremar completament el combustible. Això generalment requereix treballar amb càrregues parcials o càrregues premesclades. Per a poder aïllar els efectes del combustibles sobre els processos d'un doll i que sigui capaç estudiar els paràmetres característics de de temps de retard d'encesa, longitud d'enlairament de flama, penetració de líquid i vapor, entre altres, s'han estudiat diferents experiments sota variacions paramètriques de condicions de motor Diesel. Els assajos han estat realitzats sota condicions inertes i reactives en un motor de dos temps i una instal·lació d'alta pressió i alta temperatura de flux continu a pressió constant (CPF angl. Constant-Pressure Flow) emprant toberes mono-orifici, amb aplicació de diverses tècniques òptiques. Per a estudiar la influència de les propietats dels combustibles, van ser utilitzats distints mono-components, així com barreges binàries i un substitut de Diesel conformat per sis components, el qual fuel comparat amb Diesel convencional. Addicionalment, els resultats han estat contrastats amb un model unidimensional per a ajudar a explicar els valors i tendències trobats. Els resultats van presentar una forta dependència de les propietats dels combustibles en els assajos realitzats sota condicions inertes i reactives. La diferència entre les propietats físiques del n-decà i n-hexadecà van mostrar una reducció gairebé lineal sobre la longitud líquida estabilitzada fins a aproximadament un 60% sota certes condicions. Addicionalment, degut a la composició del combustible de substitució, el n-hexadecà pur va demostrar ser tindre característiques d'evaporació pràcticament idèntiques a aquell, demostrant ser un bon candidat per a ser un substitut mono-component del dièsel convencional. D'una manera similar, les propietats químiques dels PRFs n-heptà i iso-octà també provaren tindre influència sobre el desenvolupament del doll i la radiació emesa. Es van obtenir valors de temps de retard amb diferències de fins a un ordre de magnitud entre ambdós extrems del rang de les barreges, així com longituds d'enlairament de flama fins a tres vegades més llargues. La radiació emesa per la incandescència del sutge va presentar les variacions més grans, ja que algunes condicions van mostrar reduccions de fins a quatre ordres de magnitud dintre del rang de barreges. Encara més, alguns casos no van presentar radiació corresponent al sutge, i incrementar la sensibilitat de la càmera solament va ocasionar que la quimioluminiscència del radical OH* sigui detectada. D'altra banda, la longitud estabilitzada de flama calculada mitjançant la radiació del sutge no va presentar molta variació respecte a les propietats del combustible o la temperatura del aire. De fet, la única diferència apreciable va ser causada pels canvis en la composició del oxigen de l'aire ambient. En conclusió, les propietats dels combustibles van demostrar tenir un efecte significatiu en els processos d'un doll dièsel. Els combustibles més lleugers van afavorir l'evaporació del doll en un rang de condicions, mentres que els combustibles amb nombre d'octà més baixos van prendre més aviat i prop de la tovera però amb més lluminositat del sutge mesurat. / Vera-Tudela Fajardo, WM. (2015). An experimental study of the effects of fuel properties on diesel spray processes using blends of single-component fuels [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/58865

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

[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