The work was concerned with experimental study of the turbulent flame development process of alcohol fuels, namely ethanol and butanol, in an optically accessed spark ignition research engine. The fuels were evaluated in a single cylinder engine equipped with full-bore overhead optical access operated at typical stoichiometric part-load conditions with images captured using high-speed natural light imaging techniques (or chemiluminescence). The differences in flame development between the fuels was analysed to understand better the impact of high and low alcohol content fuels on combustion. Advanced image analysis, in conjunction with Ricardo WAVE simulation, allowed for the conclusion that the faster burning exhibited by ethanol was the result of the marginally higher laminar burning velocity providing a faster laminar burn phase and accelerating the flame into the turbulent spectrum thus reducing bulk flame distortion and better in-cylinder pressure development. Such physical reactions are often over-looked in the face of chemical differences between fuels. A further study into the variation of maximum in-cylinder pressure values was conducted focussing on iso-octane and ethanol. This study identified two phenomena, namely “saw-toothing” and “creep” in which cluster of cycles feed into one another. From this it became clear that the presence of high pressure during the exhaust process had a large influence on the following cycles. This is another often overlooked phenomenon of direct cycle-to-cycle variation whereby incylinder pressures during blowdown can dictate the duration, load or stability output of the following cycle. Finally the work investigated the impact on flame development of alcohol fuels when the overlap duration was altered. While the engine produced counterintuitive figures of residual gas, ethanol was confirmed as having greater synergy with EGR by displaying less impacted combustion durations c.f. iso-octane. Care should be taken however when analysing these results due to the unique valve configuration of the engine.

[ES] El aumento de las emisiones de CO2 en el sector del transporte ha sido continuo en estos últimos años debido principalmente a la carbonización del sector junto al aumento de la flota de vehículos. Este hecho tiene efectos adversos en la calidad medioambiental, siendo este gas uno de los principales constituyentes de los gases de efecto invernadero, contribuyendo así al calentamiento global. Para mitigar las emisiones de CO2, es necesario una política con estrictas regulaciones que conduzcan a la descarbonización del sector del transporte. En este sentido, la electrificación del sector del transporte es la principal vía para conseguir tales objetivos. Lamentablemente, pasar a la electrificación total del sector en un periodo relativamente corto de tiempo presenta ciertas dificultades, como son la alta demanda de electricidad renovable, la baja capacidad de las baterías, y la falta de estaciones de repuesto. Por ello, el uso de combustibles sintéticos obtenidos a partir de fuentes de energía renovables se presenta como una opción complementaria para ayudar a alcanzar los objetivos de reducción de emisiones de CO2, debido a que puede implementarse de forma más rápida. En la presente tesis doctoral se aborda la caracterización de dos combustibles sintéticos, OME1 y OMEX. Primeramente, se realizó un estudio para caracterizar la estructura de alta y baja temperatura de la llama de ambos combustibles bajo condiciones de referencia de la Engine Combustion Network (ECN) en una instalación de alta presión y temperatura. Posteriormente, se realizaron medidas en un motor óptico, evaluando el efecto que tiene la combinación del uso de mezclas de OMEX/diésel junto a geometrías de pistón no convencionales en la formación de hollín dentro del cilindro. El uso de geometrías de pistón no convencionales se usó debido a que en estudios usando diésel se consiguen reducciones de hollín al mejorar el proceso de mezcla aire-combustible. Por ello, se pretende analizar si ese efecto se obtiene igualmente en presencia de un combustible sintético como es el OMEX. Las instalaciones en las que se han realizado los distintos estudios presentan accesos ópticos. A través de ellos se han usado distintas técnicas de visualización, tanto basadas en laser, como en la propia radiación emitida por la llama. Como conclusiones, se podría resumir en que se ha visto que lo ya conocido sobre el proceso de combustión diésel puede ser aplicado a la combustión del OMEX, con el beneficio de que este es un combustible que no presenta estructura de precursores de hollín haciéndolo idóneo para aplicaciones reales de motor. A pesar de las incompatibilidades de este combustible con la infraestructura del motor, esta se soluciona usando mezclas con diésel, que, además, combinándolo con geometrías no convencionales de pistón se obtienen reducciones importantes de formación de hollín dentro del cilindro. / [CA] L'augment de les emissions de CO¿ en el sector del transport ha sigut continu en aquests últims anys degut principalment a la carbonització del sector al costat de l'augment de la flota de vehicles. Aquest fet té efectes adversos en la qualitat mediambiental, sent aquest gas un dels principals constituents dels gasos d'efecte hivernacle, contribuint així al calfament global. Per a mitigar les emissions de CO¿, és necessari una política amb estrictes regulacions que conduïsquen a la descarbonització del sector del transport. En aquest sentit, l'electrificació del sector del transport és la principal via per a aconseguir tals objectius. Lamentablement, passar a l'electrificació total del sector en un període relativament curt de temps presenta unes certes dificultats, com són l'alta demanda d'electricitat renovable, la baixa capacitat de les bateries, i la falta d'estacions de suministre. Per això, l'ús de combustibles sintètics obtinguts a partir de fonts d'energia renovables es presenta com una opció complementària per a ajudar a aconseguir els objectius de reducció d'emissions de CO¿, pel fet que pot implementar-se de forma més ràpida. En la present tesi doctoral s'aborda la caracterització de dos combustibles sintètics, OME1 i OMEX. Primerament, es va realitzar un estudi per a caracteritzar l'estructura d'alta i baixa temperatura de la flama de tots dos combustibles sota condicions de referència de la Engine Combustion Network (ECN) en una instal·lació d'alta pressió i temperatura. Posteriorment, es van realitzar mesures en un motor òptic, avaluant l'efecte que té la combinació de l'ús de mescles de OMEX/dièsel al costat de geometries de pistó no convencionals en la formació de sutge dins del cilindre. L'ús de geometries de pistó no convencionals es va usar pel fet que en estudis usant dièsel s'aconsegueixen reduccions de sutge en millorar el procés de mescla aïre-combustible. Per això, es pretén analitzar si aqueix efecte s'obté igualment en presència d'un combustible sintètic com és el OMEX. Les instal·lacions en les quals s'han realitzat els diferents estudis presenten accessos òptics. A través d'ells s'han usat diferents tècniques de visualització, tant basades en laser, com en la pròpia radiació emesa per la flama. Com a conclusions, es podria resumir en què s'ha vist que el ja conegut sobre el procés de combustió dièsel pot ser aplicat a la combustió del OMEX, amb el benefici que aquest és un combustible que no presenta estructura de precursors de sutge fent-lo idoni per a aplicacions reals de motor. Malgrat les incompatibilitats d'aquest combustible amb la infraestructura del motor, aquesta se soluciona usant mescles amb dièsel, que, a més, combinant-ho amb geometries no convencionals de pistó s'obtenen reduccions importants de formació de sutge dins del cilindre. / [EN] The increase in CO2 emissions in the transport sector has been continuous in recent years, mainly due to the carbonization of the sector, together with the increase in the vehicle fleet. This fact has adverse effects on environmental quality, being this gas is one of the main constituents of greenhouse gases, thus contributing to global warming. To mitigate CO2 emissions, a policy with strict regulations leading to decarbonizing the transport sector is necessary. In this regard, electrification of the transport sector is the main way to achieve such goals. Unfortunately, moving to full electrification of the sector in a relatively short time presents certain difficulties, such as high demand for renewable electricity, low battery capacity, and lack of refueling stations. Therefore, using synthetic fuels obtained from renewable energy sources is presented as a complementary option to help achieve CO2 emission reduction targets because it can be implemented more quickly. This doctoral thesis deals with characterizing two synthetic fuels, OME1 and OMEX. First, a study was carried out to characterize both fuels high and low temperature flame structures under reference conditions of the Engine Combustion Network (ECN) in a high-pressure and high-temperature installation. Subsequently, measurements were performed on an optical engine, evaluating the effect of combining the use of OMEX/diesel blends and unconventional piston geometries on in-cylinder soot formation. Non-conventional piston geometries were used because, in diesel studies, soot reductions are achieved by improving the air-fuel mixing process. Therefore, it is intended to analyze whether this effect is also obtained in the presence of a synthetic fuel such as OMEX. The facilities where the different studies have been carried out have optical accesses. Through them, different visualization techniques have been used based on laser and the radiation emitted by the flame. In conclusion, it could be summarized that it has been seen that what is already known about the diesel combustion process can be applied to the combustion of OMEX, with the benefit that this is a fuel that does not present a soot precursor structure, making it suitable for real engine applications. Despite the incompatibilities of this fuel with the engine infrastructure, this is solved by using blends with diesel, which, in addition, by combining it with non-conventional piston geometries, significant reductions in in-cylinder soot formation are obtained. / Tejada Magraner, FJ. (2023). Analysis of Fuel Effects on the Diffusive Flame Structure Using Advanced Optical Techniques in a Single Cylinder Optical Engine [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202376

No description available.

[ES] La búsqueda por la neutralidad de carbono para mitigar los efectos del cambio climático ha impulsado la investigación de fuentes de energía alternativas, así como de formas más eficientes de utilizar la matriz energética actual y futura en todos los sectores de la economía. En el sector del transporte, que representa alrededor del 10% de las emisiones totales de gases de efecto invernadero, la electrificación y el uso de combustibles libres de carbono son alternativas a largo plazo. Sin embargo, los motores de combustión interna de alta eficiencia aún siguen jugando un papel importante en la descarbonización del sector. En este contexto, el sistema de encendido por precámara es un método promisor para aumentar la eficiencia térmica de los motores para coches de pasajeros y los motores para la generación de energía debido a su fuente de ignición de alta energía, lo que permite una operación pobre y mitiga el knock en alta carga y baja velocidad. En este marco, esta tesis tiene como objetivo profundizar el conocimiento del método de encendido por precámara, centrándose en el análisis de la eyección del chorro por medio de técnicas ópticas y datos de presión de cilindro. Para cumplir con este objetivo, se ha propuesto estudiar precámaras de un solo orificio en instalaciones experimentales simplificadas como el primer paso para mejor comprender dicho método de ignición. Partiendo de la necesidad de determinar correctamente el volumen y el diámetro del orificio de esta precámara simplificada, se ha llevado a cabo un estudio teórico y numérico para identificar los principales parámetros geométricos para reproducir lo más fielmente posible las características del chorro de una geometría de PC ya existente en una geometría simplificada. En este sentido, se ha utilizado un modelo numérico termodinámico para suministrar los datos de entrada para el modelo unidimensional de spray utilizado para predecir la penetración del chorro para diferentes geometrías de PC y condiciones de operación. Una vez conocidos los parámetros geométricos clave que gobiernan la eyección del chorro, se ha rediseñada una máquina de compresión-expansión rápida (RCEM) para estudios ópticos de precámaras y se ha evaluado el efecto de la geometría de la precámara, del dosado, y de la tasa de EGR en la eyección del chorro y la ignición de la cámara principal por medio de la presión en ambas cámaras y imágenes simultáneas de schlieren y quimioluminiscencia OH*. Por fin, como complemento al análisis de precámaras de un solo orificio en la RCEM, se ha evaluado el efecto del diámetro del orificio y los parámetros de operación del motor en un motor óptico. Se han utilizado imágenes de alta velocidad de quimioluminiscencia de banda ancha y datos de presión en el cilindro para evaluar las características del chorro y el desarrollo de la combustión en la cámara principal en tres geometrías de precámara bajo diferentes dosados. / [CA] La busca de la neutralitat de carboni per a mitigar els efectes del canvi climàtic ha impulsat la investigació de fonts d'energia alternatives, així com de formes més eficients d'utilitzar la matriu energètica actual i futura en tots els sectors de l'economia. En el sector del transport, que representa al voltant del 10% de les emissions totals de gasos d'efecte d'hivernacle, l'electrificació i l'ús de combustibles lliures de carboni són alternatives a llarg termini. No obstant això, mentrestant els motors de combustió interna d'alta eficiència continuen jugant un paper important en la descarbonització del sector del transport. En este context, el sistema d'encesa per precàmera és un mètode promissor per a augmentar l'eficiència tèrmica dels motors per a cotxes de passatgers i els motors per a la generació d'energia a causa de la seua font d'ignició d'alta energia, la qual cosa permet una operació pobra i mitiga el knock en operació a baixa velocitat i alta càrrega. En este marc, esta tesi té com a objectiu aprofundir el coneixement del procés d'encesa per precàmera, centrant-se en l'anàlisi de l'ejecció del doll per mitjà de tècniques òptiques i dades de pressió de cilindre. Per a complir amb este objectiu, s'ha proposat estudiar precàmeres d'un sol orifici en installacions experimentals simplificades com el primer pas per a comprendre este mètode d'ignició. Partint de la necessitat de determinar correctament el volum de la precàmera i el diàmetre de l'orifici d'esta configuració simplificada, es va dur a terme un estudi teòric i numèric per a identificar els principals paràmetres geomètrics per a reproduir tan bé com siga possible les característiques del doll d'una precàmera amb múltiples orificis en una geometria de precàmera simplificada. Una vegada coneguts els paràmetres geomètrics clau que impulsen l'ejecció del doll, s'ha redissenyada una màquina de compressió-expansió ràpida (RCEM) per a estudis òptics de precàmeres i s'ha avaluat l'efecte de la geometria de la precàmera, del dosatge, i de la taxa de EGR en l'ejecció del doll i la ignició de la cambra principal per mitjà de la pressió en totes dues cambres i imatges simultànies de schlieren i quimioluminescència OH*. Per fi, com a complement a l'anàlisi de precàmeres d'un sol orifici en la RCEM, s'ha avaluat l'efecte del diàmetre de l'orifici i els paràmetres d'operació del motor en un motor òptic. S'han utilitzat imatges d'alta velocitat de quimioluminescència de banda ampla i dades de pressió en el cilindre per a avaluar les característiques del doll i el desenrotllament de la combustió en la càmera principal en tres geometries de precàmera sota diferents dosatges. / [EN] The pursuit of carbon neutrality to mitigate the effects of climate change has been demanding research into alternative energy sources, as well as more efficient ways of using the current and future energy matrix in all sectors of the economy. In the transportation sector, which accounts for about 10% of the total greenhouse gas emissions, electrification and the use of carbon-free fuels are promising alternatives in the long term. In the meanwhile, however, highly efficient internal combustion engines still play an important role in the decarbonization of the transportation sector. In this context, the pre-chamber ignition system is an attractive method to increase the thermal efficiency of small engines for passenger cars and large-bore engines for power generation due to its high-energy ignition source, enabling lean operation and mitigating knock at low-speed and high-load operation. Within this framework, this present thesis aims to further understand the pre-chamber ignition concept, focusing on the jet ejection analysis by means of optical techniques and in-cylinder pressure data. In order to fulfill this objective, the study of single-orifice pre-chambers on simplified experimental facilities was proposed as the first step for understanding such ignition method. Arising from the necessity to correctly determine the pre-chamber volume and orifice diameter of this simplified configuration, a theoretical and numerical study was carried out to identify the main geometrical parameters to reproduce as much as possible the jet characteristics of an existing PC geometry into a simplified pre-chamber geometry. In this sense, an one-dimensional engine model was used to provide the input data for the one-dimensional spray model used to predict the jet penetration for different PC geometries and operating conditions. Once the key geometrical parameters that drive the jet ejection were addressed, a Rapid Compression-Expansion Machine (RCEM) was redesigned for pre-chamber optical studies, and the effect of the pre-chamber geometry, equivalence ratio, and EGR rate on the jet ejection and MC ignition was assessed by means of in-cylinder pressure on both chambers and simultaneous Schlieren and OH* chemiluminescence optical techniques. Finally, as a complement to the analysis of single-orifice pre-chambers on the RCEM, the effect of the diameter of the orifices and the engine operating parameters was assessed in a small optical engine. High-speed broadband chemiluminescence imaging and in-cylinder pressure data were used to evaluate the jet characteristics and the main chamber combustion development for three pre-chamber geometries under different mixture conditions. / This thesis was developed with the assistance of the Universitat Politècnica de València through the predoctoral contract FPI-2019-20-545. / Beltrão De Vargas Antolini, J. (2024). Assessment of the pre-chamber ignition concept: insights from rapid compression-expansion machine and optical engine testing [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/214193