Comparison of the Diffusive Flame Structure for Dodecane and OMEX Fuels for Conditions of Spray A of the ECN

[EN] A comparison of the flame structure for two different fuels, dodecane and oxymethylene dimethyl ether (OMEX), has been performed under condition of Spray A of the Engine Combustion Network (ECN). The experiments were carried out in a constant pressure vessel with wide optical access, at high pressure and temperature and controlled oxygen concentration. The flame structure analysis has been performed by measuring the formaldehyde and OH radical distributions using planar Laser-Induced Fluorescence (PLIF) techniques. To complement the analysis, this information was combined with that obtained with high-speed imaging of OH* chemiluminescence radiation in the UV. Formaldehyde molecules are excited with the 355-nm radiation from the third harmonic of a Nd:YAG laser, whilst OH is excited with a wavelength of 281.00-nm from a dye laser. In both cases, the beam was transformed into a laser sheet in order to excite an axial flame plane and the fluorescence radiation was collected with an intensified camera (ICCD) and proper filtering. Consequently, two-dimensional maps in the axial flame plane were obtained at different instants after the start of injection (ASOI). Signal from both formaldehyde and OH chemical species can be compared, in order to analyze spatial distribution and interaction. When dodecane and OMEX are compared, several differences arise. The second one presents larger lift-off length but remarkably shorter flame length. Additionally, it has been possible to appreciate for this fuel a lower amount of soot formation during combustion.The research leading to these results has received funding from the European Union's Horizon 2020 Programme, grant agreement n° 828947, and from the Mexican Department of Energy, CONACYT-SENER Hidrocarburos grant agreement n° B-S-69926.Pastor Soriano, JV.; García Oliver, JM.; Micó Reche, C.; Tejada Magraner, FJ. (2020). Comparison of the Diffusive Flame Structure for Dodecane and OMEX Fuels for Conditions of Spray A of the ECN. SAE TECHNICAL PAPERS. https://doi.org/10.4271/2020-01-2120

A Synergic Application of High-Oxygenated E-Fuels and New Bowl Designs for Low Soot Emissions: An Optical Analysis

[EN] Synthetic fuels significantly reduce pollutant emissions and the carbon footprint of ICE applications. Among these fuels, oxymethylene dimethyl ethers (OMEX) are an excellent candidate to entirely or partially replace conventional fuels in compression ignition (CI) engines due to their attractive properties. The very low soot particle formation tendency allows the decoupling of the soot-NOX trade-off in CI engines. In addition, innovative piston geometries have the potential to reduce soot formation inside the cylinder in the late combustion stage. This work aims to analyze the potential of combining OMEX with an innovative piston geometry to reduce soot formation inside the cylinder. In this way, several blends of OMEX-Diesel were tested using a radial-lips bowl geometry and a conventional reentrant bowl. Tests were conducted in an optically accessible engine under simulated EGR conditions, reducing the in-cylinder oxygen content. For this purpose, 2-colour pyrometry and high-speed excited state hydroxyl chemiluminescence techniques were applied to trace the in-cylinder soot formation and oxidation processes. The results confirm that increasing OMEX in Diesel improves the in-cylinder soot reduction under low oxygen conditions for both piston geometries. Moreover, using radial lips bowl geometry significantly improves the soot reduction, from 17% using neat Diesel to 70% less at the highest OMEX quantity studied in this paper.This work has been partially funded by Universitat Politècnica de València through the program of access contracts for PhD research staff in Research Structures of the Universitat Politècnica de València with reference PAID-10-22. The presence of Cinzia Tornatore at Universitat Politècnica de València was funded by the Short Term Mobility (STM) Program of the Italian National Research Council.Pastor, JV.; Micó, C.; De Vargas Lewiski, F.; Tejada-Magraner, FJ.; Tornatore, C. (2023). A Synergic Application of High-Oxygenated E-Fuels and New Bowl Designs for Low Soot Emissions: An Optical Analysis. Applied Sciences. 13(14). https://doi.org/10.3390/app13148560131

Analysis of Fuel Effects on the Diffusive Flame Structure Using Advanced Optical Techniques in a Single Cylinder Optical 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/10251/20237

Selección de una aleación con memoria de forma para una aplicación en el campo de la automoción

[abstract not available

Structural Study of the Diffusive Flame of Conventional and Synthetic Fuels by Analysis of the Radiation Emitted during the Combustion Process

[ES] La situación social y medioambiental hace que la legislación que regula la emisión de contaminantes sea cada vez más restrictiva, sobre todo en el campo de la automoción, lo que obliga a investigar alternativas al funcionamiento tradicional de estos motores. Hacer que funcionen con energías renovables, modificar la geometría o el modo de operación del motor son algunos de los campos de investigación. El objetivo de este trabajo de final de máster es estudiar y comparar la estructura de la llama difusiva de una serie de combustibles, tanto convencionales como es el diésel, como otro tipo de combustibles sintéticos (OMEX, OME1 y HVO). Este estudio se realizará en dos instalaciones distintas. La primera de ellas es una instalación de alta presión y temperatura en la cual la combustión no se ve perturbada por ninguna interacción entre las paredes (combustión libre). La segunda instalación es un motor óptico el cual se ha monocilindrado. En esta instalación se pueden simular condiciones de trabajo más realistas y la combustión se ve afectada por la dinámica del motor. En la instalación de alta presión y temperatura se realizará un estudio de la combustión generada por los combustibles, dodecano y oxymethylene dimethyl ether (OMEX) bajo las condiciones del Spray A del Engine Combustion Network (ECN). Esta instalación permite la posibilidad de trabajar a presión constante y controlar la concentración de oxígeno. Además, posee una serie de ventanas que proporcionan un gran acceso óptico para poder visualizar de forma óptima el proceso de combustión. El análisis de la estructura de la llama se realizará a través de la medida de la distribución espacial del formaldehido y de los radicales OH en ella, usando la técnica de fluorescencia inducida por un haz plano láser (PLIF). Para completar el análisis, esta información se combinará junto con las imágenes de la radiación de quimioluminiscencia del OH* que pertenece a la región UV. Las moléculas de formaldehido se excitan a través del tercer armónico de un láser de estado sólido, Nd:YAG (355-nm), mientras que los radicales OH se excitan a una longitud de onda de 281.00-nm de un láser de colorante, el cual consta de un láser de estado sólido Nd:YAG acoplado a un sistema óptico más complejo en el que se hace circular un colorante, lo que permite poder operar en un rango de longitudes de onda más específico. En ambos casos, el haz láser se transformará en un haz plano con el objetivo de producir la excitación en el plano axial de la llama. La radiación de fluorescencia emitida se registrará mediante la utilización de una cámara intensificada (ICCD) con los filtros apropiados. Consecuentemente, se obtendrán mapas bidimensionales en el plano axial de la llama a distintos instantes temporales después del inicio de inyección (ASOI). La señal de ambas especies químicas puede ser comparada, con el objetivo de analizar la distribución espacial y su interacción. La segunda parte del estudio se basa en analizar, para esos mismos combustibles, la estructura de la llama en un motor óptico mono cilíndrico. En este caso se realizará una serie de mezclas entre el OMEX y el OME1 con el diésel y el HVO para observar el comportamiento de la combustión a medida que en la mezcla se aumenta el porcentaje de combustible sintético. En este caso, se implementarán dos técnicas ópticas simultáneas. Una primera técnica basada en registrar la luminosidad natural de la llama y la otra para visualizar los radicales OH* a partir de su quimioluminiscencia.[EN] Due to social awareness and increasingly restrictive measures on the pollutant emission, especially in the automotive field, it is necessary to investigate alternatives to the traditional operation of these engines. To make them work with renewable energies, modifying the geometry or the operation mode of the engine are some of the research fields. The objective of this master's final project is the study and compare the diffusive flame structure of a series of fuels, both conventional such as diesel, and other types of synthetic fuels (OMEX, OME1 and HVO). This study will be carried out in two different facilities. First one, high pressure and high temperature facility in which the combustion is not disturbed by any interaction between the walls (free combustion). Then, single cylinder optical engine to simulate more realistic working conditions and combustion is affected by engine dynamics. On one hand, a comparison of the flame structure for two different fuels, dodecane and oxymethylene dimethyl ether (OMEX), will be performed under condition of Spray A of the Engine Combustion Network (ECN). The experiments will be carried out in a constant pressure vessel with wide optical access, at high pressure and temperature and controlled oxygen concentration. The flame structure analysis will be performed by measuring the formaldehyde molecules and OH radical distributions using planar Laser-Induced Fluorescence (PLIF) technique. To complement the analysis, this information will be combined with that obtained with high-speed imaging of OH* chemiluminescence radiation in the UV. Formaldehyde molecules are excited with the 355-nm radiation from the third harmonic of a Nd:YAG laser, whilst OH is excited with a wavelength of 281.00-nm from a dye laser (Nd:YAG laser coupled to complex optical system to operate in a specific range of wavelengths). In both cases, the beam will be transformed into a laser sheet to excite an axial flame plane and the fluorescence radiation will be collected with an intensified camera (ICCD) and proper filtering. Consequently, two-dimensional maps in the axial flame plane will be obtained at different instants after the start of injection (ASOI). Signal from both formaldehyde and OH chemical species can be compared, to analyse spatial distribution and interaction. The second part of the study is based on analysing, for those same fuels, the structure of the flame in a single cylinder optical engine. In this case, a series of mixtures will be made between OMEX and OME1 with diesel and HVO to see the behaviour of combustion as the percentage of synthetic fuel increased in the mixture. In this case, two simultaneous optical techniques will be implemented. A first technique based on recording the natural luminosity of the flame and the other to visualize the OH* radicals from their chemiluminescence.The research leading to these results has received funding from the European Union's Horizon 2020 Programme, grant agreement n° 828947, and from the Mexican Department of Energy, CONACYT-SENER Hidrocarburos grant agreement n° B-S-69926. Part of the equipment used in this work was funded by FEDER and GVA through contract IDIFEDER/2018/037.Tejada Magraner, FJ. (2021). Structural Study of the Diffusive Flame of Conventional and Synthetic Fuels by Analysis of the Radiation Emitted during the Combustion Process. Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/174986TFG