The increasing CO2 concentration in the atmosphere and the resulting climate change require an immediate and efficient reduction of anthropogenic carbon-dioxide emission. This target can be achieved by the usage of CO2-neutral fuels even with current technologies (Schemme et al. in Int J Hydrogen Energy 45:5395–5414, 2020). Diesel engines in particular are amongst the most efficient prime movers. Using oxymethylene-dimethyl-ether (OME) it is possible to solve the hitherto existing Soot-NOx-Trade-off. OME has bounded oxygen in the molecular chain. This reduces the formation of soot, but equally the calorific value. But in considerance of the physical and chemical properties of OME, it could be useful to optimize the standard diesel engine into an OME engine. As a result, single-cylinder tests were performed to obtain a detailed analysis of the differences between OME3-5 and commercially available DIN EN 590 Diesel. Based on the fact that OME has gravimetrically less than half the calorific value of diesel, twice the fuel mass must be injected for the same energy release in the combustion chamber. Therefore, at the beginning of the investigations, a variation of the injector flow rate was carried out by means of different nozzle hole diameters. The evaluation of the results included the fundamental differences in the combustion characteristics of both fuels and the determination of efficiency-increasing potentials in the conversion of OME3-5. Due to the lower ignition delay and the shorter combustion time of OME, potentials in the optimisation of the injection setting became apparent. Higher energy flows over the combustion chamber wall were noticeable in operation with OME. To get to the bottom of this, the single-cylinder investigations were supported by tests on the optically accessible high-pressure chamber and the single-cylinder transparent engine. The optical images showed a narrower cone angle and greater penetration depth of the OME injection jet compared to the diesel injection jet. This confirmed the results from the single-cylinder tests. This provides further potential in the design of the injector nozzle to compensate for these deficits. Overall, this work shows that operation with OME in a classic diesel engine is possible without any significant loss in efficiency and with little effort in the hardware. However, it is also possible to achieve more efficient use of the synthetic fuel with minor adjustments.

[ES] El alto impacto del sector transporte respecto a las emisiones globales de CO2 y su efecto en el cambio climático ha llevado a que éste transite hacia tecnologías más eficientes y medioambientalmente sostenibles. Sin embargo, el ritmo de transformación es lento en relación a lo que se necesita para frenar el calentamiento global existente. En este sentido, en los últimos tiempos los caminos hacia la transformación se han diversificado; el concepto de "defossilization" ha surgido como alternativa a la descarbonización, ya que destaca la posibilidad de incluir una mayor cantidad de combustibles sintéticos y renovables, con los cuales se pueden obtener resultados igualmente efectivos. Dentro de estos, destacan los combustibles Polioximetileno dimetil éter (OMEn), su carácter oxigenado y no poseer enlaces carbono-carbono, los hace prometedores respecto a la formación de hollín. Además, presentan grandes similitudes y compatibilidades con el diésel convencional, lo cual posibilita el uso de la flota de vehículos con motores de combustión interna existente a nivel mundial, acelerando así la transición y siendo una alternativa con alcance global. La presente tesis tiene como objetivo llevar a cabo un estudio fundamental sobre el proceso de combustión y la estructura de la llama de chorros tipo Diésel cuando se utilizan combustibles tipo OMEn. Para la consecución de dicho objetivo, la metodología planteada es eminentemente computacional, encontrando aquí las mayores brechas en la literatura. Se lleva a cabo un estudio de la cinética química y el efecto de la difusión en los combustibles estudiados mediante configuraciones canónicas, como reactores homogéneos y flamelets de contraflujo. Posteriormente, se estudia detalladamente el proceso de combustión y la estructura de la llama mediante el uso extensivo de Dinámica de fluidos computacional (CFD, en inglés), con modelos de turbulencia RANS y LES, en conjunto con un modelo de combustión avanzado basado en el concepto de flamelets, denominado UFPV. Todos los casos estudiados están definidos siguiendo las directrices de la Engine Combustion Network (ECN), los cuales representan chorros inyectados en ambientes quiescentes con toberas monoorificio. Particularmente, se evalúan los Sprays A y D, y el impacto de variar la temperatura ambiente. Como conclusión general, se puede afirmar que estos modelos CFD predicen correctamente el desarrollo de la combustión bajo las condiciones analizadas, y que estos combustibles son capaces de desarrollar diferentes estructuras de llama altamente dependientes de las condiciones de contorno impuestas. / [CA] L'alt impacte del sector del transport respecte a les emissions globals de CO2 i el seu efecte en el canvi climàtic ha portat a que aquest transite cap a tecnologies més eficients i mediambientalment sostenibles. No obstant això, el ritme de transformació és lent en relació amb el que es necessita per frenar l'escalfament global existent. En aquest sentit, en els últims temps els camins cap a la transformació s'han diversificat; el concepte de "defossilització" ha sorgit com a alternativa a la descarbonització, ja que destaca la possibilitat d'incloure una major quantitat de combustibles sintètics i renovables, amb els quals es poden obtenir resultats igualment efectius. Dins d'aquests, destaquen els combustibles tipus polioximetilen dimetil èters (OMEn), el seu caràcter oxigenat i al no posseir enllaços carbó-carbó, els fa prometedors respecte a la formació de sutge. A més, presenten grans semblances i compatibilitats amb el dièsel convencional, la qual cosa possibilita l'ús de la flota de vehicles amb motors de combustió interna existent a nivell mundial, accelerant així la transició i essent una alternativa amb abast global. La present tesi té com a objectiu dur a terme un estudi basic sobre el procés de combustió i l'estructura de la flama de dolls tipus Dièsel quan s'utilitzen combustibles tipus OMEn. Per a la consecució d'aquest objectiu, la metodologia plantejada és eminentment computacional, trobant ací les majors mancances en la literatura. Es realitza un estudi de la cinètica química i l'efecte de la difusió en els combustibles estudiats mitjançant configuracions canòniques, com ara reactors homogenis i flamelets de contraflux. Posteriorment, s'estudia detalladament el procés de combustió i l'estructura de la flama mitjançant l'ús extensiu de dinàmica de fluids computacional (CFD, en anglés), amb models de turbulència RANS i LES, conjuntament amb un model de combustió avançat basat en el concepte de flamelets, anomenat UFPV. Tots els casos estudiats estan definits seguint les directrius de l'Engine Combustion Network (ECN, en anglés), els quals representen dolls injectats en ambients quiescents amb toveres mono-orifici. Particularment, s'avaluen els Sprays A i D, i l'impacte de variar la temperatura ambient. Com a conclusió general, es pot afirmar que aquests models CFD prediuen correctament el desenvolupament de la combustió sota les condicions analitzades, i que aquests combustibles són capaços de desenvolupar diferents estructures de flama altament dependents de les condicions de contorn imposades. / [EN] The significant impact of the transportation sector on global CO2 emissions and its effect on climate change has led to a shift towards more efficient and environmentally sustainable technologies. However, the pace of this transformation is slow relative to what is needed to mitigate existing global warming. In this regard, pathways toward transformation have diversified recently, with the concept of defossilization emerging as an alternative to decarbonization. Defossilization emphasizes the possibility of incorporating a greater variety of synthetic and renewable fuels, which can yield equally effective results. Among these alternatives, Polyoxymethylene dimethyl ether ($OMEn$) fuels stand out due to their oxygenated character and absence of carbon-carbon bonds, making them promising in reducing soot formation. Furthermore, their similarities and compatibilities with conventional diesel enable the utilization of the existing global fleet of internal combustion engine vehicles, thus potentially accelerating the transition on a global scale. This thesis aims to conduct a fundamental study on the combustion process and flame structure of Diesel-like sprays when OMEn-type fuels are utilized. To achieve this objective, the proposed methodology is eminently computational, addressing significant gaps in the existing literature. A study of chemical kinetics and diffusion effects in the fuels under investigation uses canonical configurations such as homogeneous reactors and counterflow flamelets. Subsequently, the combustion process and flame structure are examined in detail through extensive Computational fluid dynamics (CFD) simulations, employing RANS and LES turbulence models in conjunction with an advanced combustion model based on the flamelet concept, UFPV. All studied cases are defined according to the Engine Combustion Network (ECN) guidelines, representing sprays injected into quiescent environments with single-hole nozzles. Specifically, Spray A and D are evaluated, along with the impact of varying ambient temperatures. In conclusion, it can be affirmed that the CFD models accurately predict combustion development under the analysed conditions, and these fuels can develop different flame structures highly dependent on the imposed boundary conditions. / The respondent wishes to acknowledge the financial support received through a grant from Vicerrectorado de Investigación of Universitat Politècnica de València with reference FPI UPV SUBP2 (PAID-01-20) / De León Ceriani, D. (2024). Evaluation by Detailed CFD Modelling of the Effect of Renewable Fuels on the Flame Structure under Compression Ignition Engine Conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207008

[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 / TESIS