En los últimos años, dentro del marco de los motores de encendido por compresión, el número de investigaciones centradas en el desarrollo y estudio de nuevos modos de combustión de baja temperatura premezclados ha sido ingente. Dichos modos presentan indudables ventajas respecto a los modos convencionales de combustión Diesel por difusión, sobre todo en cuanto a la reducción de emisiones contaminantes, especialmente de NOx y hollín características de estos motores. No obstante, dichos nuevos conceptos también presentan diversas problemáticas no resueltas hasta el momento. Fundamentalmente, estas derivan del control sobre el proceso de combustión, ya que son las condiciones termodinámicas en el interior de la cámara de combustión las que determinan el momento de encendido y por tanto las prestaciones y emisiones asociadas al mismo. Este hecho implica graves problemas con respecto al control del inicio y de la liberación de la energía en el ciclo motor, así como también un estrecho rango de operación en donde los modos de combustión de baja temperatura, tanto homogéneos como premezclados, son funcionales. Con la finalidad de paliar y reducir estas limitaciones, la presente tesis propone como objetivo principal contribuir a la reducción de las diferentes desventajas derivadas del control de los procesos de combustión parcialmente premezclados así como a mejorar el conocimiento de los procesos físico químicos involucrados en los mismos. En primer lugar, se propone ampliar los conocimientos que existen en la actualidad en cuanto a la variación de la reactividad del combustible en procesos de combustión parcialmente premezclados como estrategia para aumentar el control y modulación sobre el modo de combustión. Para ello se plantea un estudio y caracterización de los principales fenómenos (inyección, mezcla y autoencendido) derivados del uso de la gasolina en motores de encendido por compresión de inyección directa y mediante la utilización de un sistema common rail de alta presión. Derivados de estos estudios se presentan las principales diferencias encontradas en los procesos de inyección entre el Diesel y la gasolina debidos principalmente a las diferencias en densidad y viscosidad. También se observa que en los resultados de cantidad de movimiento, penetración y ángulo del chorro las diferencias son mínimas, existiendo por el contrario una gran diferencian en la longitud liquida entre ambos combustibles en condiciones evaporativas. Los estudios del proceso de mezcla muestran como, en condiciones de premezcla parcial donde los transitorios sobre el proceso de inyección son importantes, los resultados son similares para el Diesel y la gasolina. / Domenech Llopis, V. (2013). Estudio de nuevas estrategias para el control de la combustion en modos parcialmente premezclados en motores de encendido por compresión [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/32956 / TESIS

[ES] La actual crisis climática ha instado a la comunidad investigadora y a los fabricantes a brindar soluciones para hacer que el sector del transporte sea más sostenible. De entre las diversas tecnologías propuestas, la combustión a baja temperatura ha sido objeto de una extensa investigación. La combustión premezclada dual-fuel es uno de los conceptos que abordan el compromiso de NOx-hollín en motores de encendido por compresión manteniendo alta eficiencia térmica. Esta combustión hace uso de dos combustibles con diferentes reactividades para mejorar la controlabilidad de este modo de combustión en un amplio rango de funcionamiento. De manera similar a todos los modos de combustión premezclados, esta combustión es sensible a las condiciones de operación y suele estar sujeta a variabilidad cíclica con gradientes de presión significativos. En consecuencia, se requieren estrategias de control avanzadas para garantizar un funcionamiento seguro y preciso del motor. El control en bucle cerrado es una herramienta eficaz para abordar los desafíos que plantea la combustión premezclada dual-fuel. En este tipo de control, para mantener el funcionamiento deseado, las acciones de control se adaptan y corrigen a partir de una retroalimentación con las señales de salida del motor. Esta tesis presenta estrategias de control basadas en la medición de la señal de presión en el cilindro, aplicadas a motores de combustión premezclada dual-fuel. En ella se resuelven diversos aspectos del funcionamiento del motor mediante el diseño de controladores dedicados, haciéndose especial énfasis en analizar e implementar estas soluciones a los diferentes niveles de estratificación de mezcla considerados en estos motores (es decir, totalmente, altamente y parcialmente premezclada). Inicialmente, se diseñan estrategias de control basadas en el procesamiento de la señal de presión en el cilindro y se seleccionan acciones proporcionales-integrales para asegurar el rendimiento deseado del motor sin exceder las limitaciones mecánicas del motor. También se evalúa la técnica extremum seeking para realizar una supervisión de una combustión eficiente y la reducción de emisiones de NOx. Luego se analiza la resonancia de la presión en el cilindro y se implementa un controlador similar a aquel usado para el control de knock para garantizar el funcionamiento seguro del motor. Finalmente, se utilizan modelos matemáticos para diseñar un modelo orientado a control y un observador que tiene como objetivo combinar las señales medidas en el motor para mejorar las capacidades de predicción y diagnóstico en dicha configuración de motor. Los resultados de este trabajo destacan la importancia de considerar el control en bucle cerrado para abordar las limitaciones encontradas en los modos de combustión premezclada. En particular, el uso de la medición de presión en el cilindro muestra la relevancia y el potencial de esta señal para desarrollar estrategias de control complejas y precisas. / [CA] L'actual crisi climàtica ha instat a la comunitat investigadora i als fabricants a brindar solucions per a fer que el sector del transport siga més sostenible. D'entre les diverses tecnologies proposades, la combustió a baixa temperatura ha sigut objecte d'una extensa investigació. La combustió premesclada dual-fuel és un dels conceptes que aborden el compromís de NOx-sutge en motors d'encesa per compressió mantenint alta eficiència tèrmica. Aquesta combustió fa ús de dos combustibles amb diferents reactivitats per a millorar la controlabilitat d'aquest tipus de combustió en un ampli rang de funcionament. De manera similar a tots els tipus de combustió premesclada, aquesta combustió és sensible a les condicions d'operació i sol estar subjecta a variabilitat cíclica amb gradients de pressió significatius. En conseqüència, es requereixen estratègies de control avançades per a garantir un funcionament segur i precís del motor. El control en bucle tancat és una eina eficaç per a abordar els desafiaments que planteja la combustió premesclada dual-fuel. En aquesta mena de control, per a mantindre el funcionament desitjat, les accions de control s'adapten i corregeixen a partir d'una retroalimentació amb els senyals d'eixida del motor. Aquesta tesi presenta estratègies de control basades en el mesurament del senyal de pressió en el cilindre, aplicades a motors de combustió premesclada dual-fuel. En ella es resolen diversos aspectes del funcionament del motor mitjançant el disseny de controladors dedicats, fent-se especial èmfasi a analitzar i implementar aquestes solucions als diferents nivells d'estratificació de mescla considerats en aquests motors (és a dir, totalment, altament i parcialment premesclada). Inicialment, es dissenyen estratègies de control basades en el processament del senyal de pressió en el cilindre i se seleccionen accions proporcionals-integrals per a assegurar el rendiment desitjat del motor sense excedir les limitacions mecàniques del motor. També s'avalua la tècnica extremum seeking per a realitzar una supervisió d'una combustió eficient i la reducció d'emissions de NOx. Després s'analitza la ressonància de la pressió en el cilindre i s'implementa un controlador similar a aquell usat per al control de knock per a garantir el funcionament segur del motor. Finalment, s'utilitzen models matemàtics per a dissenyar un model orientat a control i un observador que té com a objectiu combinar els senyals mesurats en el motor per a millorar les capacitats de predicció i diagnòstic en aquesta configuració de motor. Els resultats d'aquest treball destaquen la importància de considerar el control en bucle tancat per a abordar les limitacions trobades en la combustió premesclada. En particular, l'ús del mesurament de pressió en el cilindre mostra la rellevància i el potencial d'aquest senyal per a desenvolupar estratègies de control complexes i precises. / [EN] The current climate crisis has urged the research community and manufacturers to provide solutions to make the transportation sector cleaner. Among the various technologies proposed, low temperature combustion has undergone extensive investigation. Premixed dual-fuel combustion is one of the concepts addressing the NOx-soot trade-off in compression ignited engines, while maintaining high thermal efficiency. This combustion makes use of two fuels with different reactivities in order to improve the controllability of this combustion mode over a wide range of operation. Similarly to all premixed combustion modes, this combustion is nevertheless sensitive to the operating conditions and traditionally exhibits cycle-to-cycle variability with significant pressure gradients. Consequently, advanced control strategies to ensure a safe and accurate operation of the engine are required. Feedback control is a powerful approach to address the challenges raised by the premixed dual-fuel combustion. By measuring the output signals from the engine, strategies can be developed to adapt and correct the control actions to maintain the desired operation. This thesis presents control strategies, based on the in-cylinder pressure signal measurement, applied to premixed dual-fuel combustion engines. Various objectives were addressed by designing dedicated controllers, where a special emphasis was made towards analyzing and implementing these solutions to the different levels of mixture stratification considered in these engines (i.e., fully, highly and partially premixed). At first, feedback control strategies based on the in-cylinder pressure signal processing were designed. Proportional-integral actions were selected to ensure the desired engine performance without exceeding the mechanical constraints of the engine. Extremum seeking was evaluated to track efficient combustion phasing and NOx emissions reduction. The in-cylinder pressure resonance was then analyzed and a knock-like controller was implemented to ensure safe operation of the engine. Finally, mathematical models were used to design a control-oriented model and a state observer that aimed to leverage the signals measured in the engine to improve the prediction and diagnostic capabilities in such engine configuration. The results from this work highlighted the importance of considering feedback control to address the limitations encountered in premixed combustion modes. Particularly, the use of the in-cylinder pressure measurement showed the relevance and potential of this signal to develop complex and accurate control strategies. / This thesis was financially supported by the Programa Operativo del Fondo Social Europeo (FSE) de la Comunitat Valenciana 2014-2020 through grant ACIF/2018/141. / Barbier, ARS. (2022). In-Cylinder Pressure-Based Control of Premixed Dual-Fuel Combustion [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/183274 / TESIS

[EN] The research work presented on this thesis has been performed in the framework of the development and optimization of the combustion system of a novel two-stroke CI engine, with a scavenging configuration through poppet-valves, which has been specifically designed for a light-duty vehicle application. The main objective of this investigation is to improve the existing understanding about two-stroke poppet-valves engines, and assess the main relationships between the gas exchange and combustion processes in this type of architecture, with the aim of evaluating their impact on the exhaust emissions formation processes and on final engine efficiency. Then, the performance of this two-stroke engine is going to be optimized while operating in conventional diesel mixing-controlled controlled combustion; and in a second step, two advanced premixed combustion concepts will be evaluated to identify their potential for decreasing NOx and soot emissions compared to CDC as well as its main technological limitations. The methodology proposed on this thesis combines both a theoretical and experimental approach, that allows maximizing the available information about the basic phenomena involved in the various processes under study, while also keeping an efficient optimization approach to reduce as much as possible the number of necessary experimental tests. Additionally, to analyze in detail the physical relationships between the local cylinder gas conditions (such as the oxygen concentration, the combustion temperature and the equivalence ratio) and the formation of exhaust emissions, particularly NOx and soot, it was necessary to develop and setup different theoretical tools to complement and support the experimentally measured trends. To achieve these objectives, the research work has been divided in two sequential stages: first, the conventional diesel combustion is studied and optimized, based on a proper combination of engine settings that have a strong influence over the characteristics of the mixing-controlled combustion; and in a second step, two advanced combustion concepts are implemented and analyzed, the highly-premixed combustion (HPC) of diesel and the partially premixed combustion (PPC) using a fuel with higher resistance to autoignition (in this case it has been used a RON95 gasoline). In this phase of the research, special emphasis has been made to the gasoline PPC concept, since this combustion mode showed the highest potential and most promising results during the initial implementation studies. Accordingly, the last stage of the research was mainly focused on the detailed study of the effect of different injection settings over the characteristics of the gasoline PPC concept. Finally, the main results obtained with the gasoline PPC concept have been compared against the optimized points found in CDC, in regards to the final exhaust emissions levels, specific fuel consumption and indicated efficiency. / [ES] El trabajo de investigación presentado en esta tesis doctoral está enmarcado en el desarrollo y optimización del sistema de combustión de un novedoso motor de dos tiempos de encendido por compresión, que presenta una arquitectura de barrido por válvulas en culata, y que ha sido diseñado para aplicaciones de automoción dentro de la gama de coches compactos. El objetivo principal de esta investigación ha consistido en mejorar el conocimiento existente sobre los motores dos tiempos con arquitectura de barrido por válvulas, y a la vez identificar los principales vínculos entre los procesos de renovación de la carga y de combustión, con el fin de cuantificar su impacto sobre la formación de emisiones contaminantes y el rendimiento térmico del motor. Adicionalmente, se desea optimizar las prestaciones de este motor de dos tiempos operando con el proceso de combustión diésel convencional controlada por mezcla, así como evaluar el potencial de distintos conceptos avanzados de combustión de baja temperatura con fase de premezcla extendida, con el fin de reducir los niveles de emisiones contaminantes y mejorar el consumo específico de combustible del motor. La metodología utilizada en esta tesis ha sido concebida combinando un enfoque teórico-experimental, que permite maximizar la información que se puede obtener acerca de los fenómenos físicos involucrados en los diferentes procesos objeto de estudio, y a la vez conservar un enfoque de optimización eficiente reduciendo en la medida de lo posible el número de ensayos experimentales requeridos. Con la finalidad de analizar en detalle la relación que existe entre las condiciones en el cilindro (como lo es la concentración de oxígeno, la temperatura de combustión y el dosado local) y el proceso de formación de emisiones contaminantes, especialmente de NOx y hollín, se desarrollaron y utilizaron distintas herramientas teóricas para complementar y sustentar los comportamientos y tendencias observadas mediante los ensayos experimentales, tanto para el modo de combustión diésel convencional como para los conceptos avanzados de combustión. Para la consecución de dichos objetivos se ha seguido una estructura secuencial en la cual el trabajo de investigación ha sido desarrollado en dos grandes bloques: primero, se analizó y optimizó el proceso de combustión diésel convencional, mediante la combinación adecuada de parámetros de operación del motor que modifican apreciablemente las características del proceso de combustión controlada por mezcla; y segundo, se logró implementar y evaluar el desempeño de dos conceptos avanzados de combustión, específicamente el modo combustión altamente premezclado de tipo HPC utilizando diésel como combustible (acrónimo de "Highly-Premixed Combustion") y el modo de combustión parcialmente premezclada de tipo PPC ("Partially Premixed Combustion") utilizando un combustible con mayor resistencia a la auto-ignición (en este caso se utilizó gasolina de octanaje 95). En esta segunda fase, se hizo énfasis en el análisis del concepto de combustión PPC con gasolina, ya que este arrojó los resultados más prometedores durante la fase inicial de implementación. Consecuentemente, la última etapa de la investigación se centró en el estudio detallado del efecto de distintos parámetros de inyección sobre las características del proceso de combustión de tipo PPC. Finalmente, se ha comparado críticamente dicha operación en modo PPC con los resultados obtenidos operando con el modo de combustión diésel convencional, en cuanto al nivel final de emisiones contaminantes, al consumo de combustible y rendimiento indicado y al desempeño general del motor. / [CAT] El treball d'investigació presentat en esta tesi està emmarcat en el desenvolupament i optimització del sistema de combustió d'un nou motor dos temps d'encesa per compressió, amb configuració d'escombratge per vàlvules, i que ha estat dissenyat per a aplicacions d'automoció dins de la gamma de cotxes compactes. L'objectiu principal d'esta investigació ha consistit a millorar el coneixement existent sobre els motors dos temps amb configuració d'escombratge per vàlvules, així com també identificar els principals vincles entre els processos de renovació de la càrrega i de combustió, a fi de quantificar el seu impacte sobre la formació d'emissions contaminants i el rendiment tèrmic del motor. Addicionalment, es desitja optimitzar les prestacions d'este nou motor operant amb el mode convencional de combustió dièsel per difusió, així com avaluar el potencial de noves maneres de combustió de baixa temperatura amb fase de premescla extesa, per a controlar el nivell d'emissions i el consum de combustible. La metodologia utilitzada en esta tesi s'ha plantejat des d'un punt de vista teóric experimental, que permet maximitzar la informació que es pot obtindre sobre els fenòmens basics involucrats en els diferents processos objecte d'estudi, i al mateix temps conservar un enfocament d'optimització eficient reduïnt en la mesura del possible el nombre d'proves experimentals requerit. Amb la finalitat d'analitzar en detall la relació que existeix entre les condicions en el cilindre (com ho és la concentració d'oxigen, la temperatura de combustió i el dosatge local) i el procés de formació d'emissions contaminants, especialment de NOx i sutge, es van desenvolupar i van utilitzar distintes eines teòriques per a complementar i sustentar els comportaments i tendències observades per mitjà dels assajos experimentals, tant per al mode de combustió dièsel convencional com per als conceptes avançats de combustió. Per a abordar eixe objectiu, s'ha seguit una estructura seqüencial, en la qual el treball d'investigació s'ha desenvolupat en en dos grans blocs: en primer lloc, es va analitzar i va optimitzar el procés de combustió dièsel convencional, per mitjà de la combinació adequada de paràmetres d'operació del motor que modifiquen apreciablement les característiques del procés de combustió controlada per difusió; i en segon lloc, es va aconseguir implementar i avaluar les prestacions de dos conceptes avançats de combustió de baixa temperatura premesclats, específicament el mode combustió altament premesclat HPC (acrònim de "Highly-Premixed Combustion") utilitzant dièsel com a combustible i el mode de combustió parcialment premesclat PPC ("Partially Premixed Combustion") utilitzant un combustible amb major resistència a l'autoignició (en aquest cas s'ha utilitzat gasolina d'octanatge 95). En esta segona etapa, es va fer èmfasi en l'anàlisi del concepte de combustió PPC amb gasolina, ja que aquest va presentar els resultats més prometedors durant la fase inicial d'implementació. Conseqüentment, l'última etapa de la investigació es va centrar en l'estudi detallat de l'efecte de distints paràmetres d'injecció sobre les característiques del mode de combustió PPC. Finalment, s'ha comparat críticament la dita operació en mode PPC amb els resultats obtinguts operant amb el mode de combustió dièsel convencional, quant al nivell final d'emissions contaminants, al consum de combustible i rendiment indicat, i a les prestacions generals del motor. / De Lima Moradell, DA. (2016). Analysis of combustion concepts in a poppet valve two-stroke downsized compression ignition engine designed for passenger car applications [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/68502 / TESIS