En un motor diesel, la mayoría de los mecanismos físico-químicos vinculados al proceso de combustión dependen directamente de las características del proceso de inyección de combustible. Además de las condiciones de funcionamiento (presión y ley de inyección, densidad del aire en el cilindro), el tamaño y la geometría de los orificios de las toberas de inyección tienen un efecto importante sobre este proceso. Aunque no es la única, la principal consecuencia de la geometría de los orificios sobre el proceso de inyección es la presencia o ausencia del fenómeno de la cavitación. Numerosos autores han estudiado este último fenómeno en los inyectores diesel.

El presente trabajo parte de una revisión de la bibliografía, en donde se puede concluir que existen relativamente pocos estudios que se hayan centrado en estudiar las consecuencias de la presencia de la cavitación sobre los diferentes aspectos de los mecanismos de inyección, de evaporación, y de formación de hollín. Algunos de estos pocos estudios han mostrado que, adicionalmente al colapso del caudal másico (que es el efecto más observado), la presencia de la cavitación conlleva un aumento significativo de la velocidad efectiva de inyección, así como una aceleración del proceso de mezcla y de combustión. Con el fin de confirmar estas constataciones experimentales se define como objetivo principal de la presente tesis el profundizar en el conocimiento de la influencia de la cavitación en toberas de inyección diesel sobre el proceso de inyección y el de formación de hollín.

Para alcanzar el objetivo antes descrito, el presente estudio se ha dividido en tres partes en las que se han utilizado, por un lado, dos toberas de tres orificios, una con un elevado nivel de cavitación (tobera cilíndrica) y otra en la que se inhibe el fenómeno de la cavitación (tobera cónica), y, por otro lado, se han empleado herramientas experimentales y teóricas. En la primera parte, se ha estudiado primero el efecto de la cavitación sobre la velocidad efectiva de inyección y, seguidamente, las causas del incremento de este último parámetro cuando aparece la cavitación. Se ha confirmado el incremento de la velocidad efectiva de inyección consecuencia de la cavitación y, además, se ha encontrado que este incremento en la velocidad efectiva de inyección es debido a un cambio en el perfil de velocidad en el interior del orificio de inyección, el cual es provocado por una reducción de la viscosidad del fluido consecuencia de la cavitación.

En la segunda parte, se ha estudiado el efecto de la cavitación sobre el proceso de mezcla, y más específicamente sobre el ángulo del chorro. Este último se ha caracterizado en dos escenarios diferentes: en primer lugar, a partir de información obtenida de imágenes de longitud líquida (condiciones cercanas a la realidad, es decir chorro evaporativo pero no reactivo), analizando dos ángulos de chorro, uno obtenido al aplicar la dependencia funcional de la longitud líquida y el otro obtenido al medirlo directamente de dichas imágenes. Y en segundo lugar, mediante la fracción de calor liberado (condiciones reales, es decir chorro evaporativo y reactivo). En ambos escenarios se ha confirmado el incremento del ángulo del chorro consecuencia de la cavitación.

Finalmente, en la tercera parte se ha estudiado la influencia de la cavitación sobre la longitud de lift-off y el proceso de formación de hollín, en donde este último se ha analizado en dos escenarios diferentes: a partir de medir la radiación de las partículas de hollín, y a partir de medir la emisión final de hollín. En lo que a longitud de lift-off se refiere, este parámetro se ve modificado por la cavitación en tanto en cuanto ésta incrementa la velocidad efectiva de inyección (lo que incrementaría dicha longitud) y reduce el diámetro efectivo (lo que reduciría dicha longitud). Aparte de estos dos efectos esperados, los resultados muestran que la cavitación provoca un aumento adicional de dicha longitud, probablemente debido al incremento del nivel de turbulencia del flujo, el cual provoca una estabilización más lejana del lift-off. Y en cuanto al proceso de formación de hollín, en ambos escenarios se ha observado que la tobera cilíndrica posee una menor formación de hollín en comparación a la correspondiente tobera cónica con una permeabilidad equivalente. Este resultado está íntimamente ligado con el anterior, puesto que el incremento de longitud de lift-off provocado por la cavitación conlleva una reducción del dosado relativo en dicha longitud, la cual permite explicar el menor grado de formación de hollín. En base a los resultados obtenidos en el presente trabajo, se puede indicar que la tobera cilíndrica bajo condiciones cavitantes podría ofrecer un potencial para reducir la emisión final de hollín.