RADIATION HEAT TRANSFER IN DIRECT-INJECTION DIESEL ENGINES

Abstract

En las últimas décadas, la investigación en motores de combustión ha estado enfocada fundamentalmente en la reducción de las emisiones contaminantes y la eficiencia de los mismos. Estos hechos junto con un aumento de la concienciación sobre el cambio climático han llevado a un aumento en la importancia de la eficiencia térmica respecto a otros criterios en el diseño de motores de combustión interna (MCIA). Para alcanzar este objetivo, existen diferentes estrategias a aplicar. En concreto, la transferencia de calor a las paredes de la cámara de combustión puede ser considerada como una de las principales fuentes de disminución de la eficiencia indicada. En particular, en los modernos motores diésel de inyección directa, la emisión de radiación de las partículas de hollín puede constituir un componente importante de las pérdidas de eficiencia. En este contexto se enmarca el objetivo principal de la tesis: contribuir a la comprensión de la transferencia de calor por radiación en la combustión diésel de inyección directa junto con la mejora del conocimiento en el proceso de formación-oxidación de hollín. El trabajo se ha basado tanto en resultados experimentales mediante la aplicación de técnicas ópticas en diversas tipologías de motor como en resultados simulados a partir de modelos unidimensionales validados. En la primera parte de resultados experimentales, se ha evaluado la cantidad de energía por radiación respecto a la energía química del combustible mediante la aplicación de una sonda optoelectrónica (basada en la técnica del 2-Colores) tanto en un motor óptico DI como en motor poli-cilíndrico DI de producción. En este estudio se han obtenido valores de intensidad espectral emitida por el hollín y posteriormente, la radiación total emitida por las partículas de hollín en todo el espectro. Como se ha citado anteriormente, las partículas de hollín son las principales responsables de la transferencia de calor por radiación, además de uno de los principales agentes contaminantes emitidos por los motores diésel. Las emisiones de hollín son el resultado de dos procesos antagonistas: la formación y oxidación del hollín. Los mecanismos de formación de hollín se discuten extensamente en la literatura. Sin embargo, existen deficiencias en cuanto al conocimiento de la oxidación de hollín. Por lo tanto, el objetivo de esta sección ha sido evaluar el impacto del proceso de mezcla y la temperatura del gas sobre el proceso de oxidación de hollín durante la última parte de la combustión bajo condiciones reales de operación. Finalmente, y en base a los resultados y conocimientos adquiridos hasta el momento, se ha desarrollado un modelo capaz de predecir las pérdidas de calor por radiación para un chorro diésel. El modelo está basado en tres sub-modelos: modelo de chorro, el cual analiza y caracteriza la estructura interna del chorro en términos de mezcla y combustión en un proceso de inyección con resolución temporal y espacial. Un modelo de hollín, en el que los resultados se justifican en función de procesos de formación y oxidación del hollín. La cohesión de estos dos sub-modelos se utiliza para obtener los valores de entrada al modelo de radiación, con el que se obtiene los valores de transferencia de calor por radiación para una llama diésel.

En els últims anys, la recerca en motors de combustió ha estat focalitzada principalment en la reducció de les emissions contaminants i la millora de la eficiència. Aquests fets afegits al fet del augment de la conscienciació del canvi climàtic han impulsat el interés per incrementar la eficiència tèrmica per damunt de altres criteris en el disseny de motors de combustió interna alternatius (MCIA). Per aconseguir aquest objectiu, existixen diferents estratègies a aplicar. Concretament, la transferència de calor a les parets de la càmera de combustió pot ser considerada un dels principals focs de reducció de eficiència indicada. En particular, en els moderns motors dièsel de injecció directa, la emissió de radiació de les partícules de sutja pot constituir un component important de les pèrdues de eficiència. En aquest context s'emmarca el objectiu principal de la tesis: contribuir a la comprensió de la transferència de calor per radiació en la combustió dièsel de injecció directa i la millora del coneixement del procés de formació-oxidació de la sutja. El treball esta basat tant en resultats experimentals mediant l'aplicació de tècniques òptiques en diverses tipologies de motor com en resultants simulats a partir de models unidimensionals validats. En la primera part dels resultats experimentals, s'ha avaluat la quantitat de energia per radiació respecte a la energia química del combustible mediant la aplicació de una sonda optoelectrònica (basada en la tècnica del 2-Colors) tant en un motor òptic DI com en un motor poli-cilíndric DI de producció en serie. En aquest estudi s'han obtingut valors de intensitat espectral emesa per la sutja i posteriorment, la radiació total emesa per les partícules de sutja en tot el espectre. Com s'ha citat amb anterioritat, les partícules de sutja son les principals responsables de la transferència de calor per radiació, a més de un del principals agents contaminants emès per els motors dièsel. Les emissions de sutja son el resultat de dos processos antagonistes: la formació i la oxidació de sutja. Els mecanismes de formació de sutja es discuteixen àmpliament en la literatura. No obstant això, existeixen deficiències pel que fa al coneixement de l'oxidació de sutja. Per tant, l'objectiu d'aquesta secció ha sigut avaluar l'impacte del procés de mescla i la temperatura del gas sobre el procés d'oxidació de sutja durant l'última part de la combustió sota condicions reals d'operació. Finalment, i en base als resultats i coneixements adquirits fins aquest moment, s'ha desenvolupat un model que permet predir les perdudes de calor però radiació per a un raig dièsel. El model esta basat en tres sub-models: model de raig, el qual analitza i caracteritza la estructura interna del raig en termes de mescla i combustió en un procés de injecció amb resolució temporal i espacial. Un model de sutja, en el qual els resultats es justifiquen en funció del procés de formació i oxidació de la sutja. La cohesió d'aquests dos sub-models s'utilitza per obtindre els valors d'entrada al model de radiació, amb el que s'obté els valors de transferència de calor per radiació per a una flama dièsel.

In the last two decades engine research has been mainly focused on reducing pollutant emissions and increasing efficiency. These facts together with growing awareness about the impacts of climate change are leading to an increase in the importance of thermal efficiency over other criteria in the design of internal combustion engines (ICE). To achieve the objective, there are different strategies to apply. The heat transfer to the combustion chamber walls can be considered as one of the main sources of indicated efficiency diminution. In particular, in modern direct-injection diesel engines, the radiation emission from soot particles can constitute a significant component of the efficiency losses. In this context, the main objective of the thesis is framed: to contribute to the understanding of the radiation heat transfer in DI diesel combustion together with the improvement of the knowledge in the soot formation-oxidation processes. The work has been based on experimental results through the optical technique application in different types of engine and on simulated results from validated one-dimensional models. In the first part of experimental results, the amount of energy lost to soot radiation relative to the input fuel chemical energy has been evaluated by means of the optoelectronic probe application (based on the 2-Color technique) in both an optical engine DI and a production 4-cylinder DI engine. In this study, the values of soot spectral intensity emitted have been obtained and later, the total radiation emitted by the soot particles in the whole spectrum. As mentioned above, soot particles are the main responsible for the radiation heat transfer, in addition to one of the important concern in meeting emissions regulations. Soot emissions are the result of two competing processes: soot formation and soot oxidation. Mechanisms of soot formation are discussed extensively in the literature. However, there are deficiencies in the knowledge of soot oxidation. Therefore, the objective of this section has been to evaluate the impact of mixing process and bulk gas temperature on late-cycle soot oxidation process under real operating conditions. Finally, based on the results and knowledge acquired, a model able to predict heat losses by radiation for a spray diesel has been developed. The model is based on three sub-models: spray model, which analyzes and characterizes the internal spray structure in terms of mixing and combustion process with temporal and spatial resolution. A soot model, in which the results have been justified according to soot formation and oxidation processes. The link of these two sub-models has been used to obtain the input values to the radiation model, which the radiation heat transfer values for a diesel flame are obtained.