Effect of multiple injection strategies on the Diesel spray formation and combustion using optical diagnostics

Abstract

[ES] En los últimos años, la evolución de las tecnologías de inyección ha permitido no solo mejorar el proceso de mezcla, sino también controlar con precisión los parámetros de inyección, agregando flexibilidad a los sistemas para nuevas estrategias y un grado adicional de complejidad para los investigadores. Más aún, las estrategias de inyecciones múltiples han demostrado ser capaces de reducir el consumo de combustible, así como también la emisión de partículas, los óxidos de carbono, los óxidos de nitrógeno, el hollín y los hidrocarburos no quemados, convirtiéndose en un estándar en la industria. Esta tesis presenta una metodología experimental para estudiar los efectos de dos estrategias diferentes de inyección múltiple (piloto-principal y principal-post) sobre el desarrollo fundamental y la combustión del chorro. Primero, se caracterizó hidráulicamente el inyector midiendo su tasa de inyección y flujo de cantidad de movimiento. Para una masa inyectada objetivo, se obtuvo la distribución de combustible para los diferentes tiempos de separación y las cantidades de piloto/post. Se implementó un nuevo enfoque para evaluar la distribución de combustible utilizando la señal de flujo de cantidad de movimiento. Se pudo observar que las inyecciones de piloto/post que se realizan en un estado totalmente transitorio presentan mayor desviación entre disparos. El aumento de la cantidad inyectada redujo la dispersión, con un ligero descenso al disminuir también la presión del rail. La repetibilidad de las inyecciones post se vio afectada significativamente por el tiempo de separación entre pulsos. Luego, se aplicaron diagnósticos ópticos de alta velocidad para visualizar el desarrollo del chorro en atmósferas tanto inerte como reactiva. Se utilizaron dos nuevas soluciones de procesado de imágenes: una para desacoplar dos eventos de inyección que coexisten en un solo cuadro, y otra para estimar el tiempo de retraso al autoencendido de múltiples inyecciónes. En cuanto al desarrollo del chorro en condiciones inertes, no se observó ninguna influencia en la longitud líquida estabilizada y el ángulo del chorro, respecto a la cantidad inyectada por la piloto, ni de su separación al pulso principal. Con respecto a la fase vapor, el aumento de la masa inyectada del primer pulso empujó la zona de transición más allá del límite óptico. En general, el segundo pulso penetró a una mayor velocidad, comparado con el caso de una inyección única. El ángulo de dispersión de la fase de vapor aumentó con la inclusión de la inyección piloto, pero no se observó una tendencia clara con respecto a la cantidad de la piloto ni a su tiempo de separación. En cuanto al desarrollo del chorro en condiciones reactivas, el tiempo de retraso al autoencendido del segundo pulso disminuyó en referencia a su inicio de inyección. En promedio, las estrategias piloto-principal vieron reducciones del 30% al 40%, mientras que las principal-post del 40% al 50%. Con respecto a la longitud de despegue estabilizada, no se observó una tendencia definida con respecto a los efectos tanto del tiempo de separación como de la cantidad de la piloto. La imagen promedio tomada por la cámara intensificada no consideró que la longitud de despegue puede cambiar desde el inicio de la combustión hasta el establecimiento de la llama de difusión. En general se observó que las estrategias piloto-principal producen más hollín que cada uno de sus casos de referencia. Se observó una ligera disminución en el grosor óptico de la sección transversal cerca del inicio de la combustión al aumentar la masa de la piloto. No se observó una clara dependencia del hollín con respecto al tiempo de separación entre pulsos. En contraste a la literatura, las estrategias principal-post mostraron una formación de hollín ligeramente más alta (o similar) que una sola inyección. En cámaras de combustión con un volumen tan grande, la post

[CA] En els últims anys, l'evolució de les tecnologies d'injecció ha permés no només millorar el procés de mescla, sinó també controlar amb precisió els paràmetres d'injecció, afegint flexibilitat als sistemes per a noves estratègies i un grau addicional de complexitat per als investigadors. A més a més, amb les estratègies d'injeccions múltiples s'ha demostrat la possibilitat de reduir el consum de combustible, així com les partícules, els òxids de carboni, els òxids de nitrogen, el sutge i els hidrocarburs no cremats; a més, aquestes estratègies s'han convertit en un estàndard en la indústria. Aquesta tesi estudia els efectes de dues estratègies diferents d'injecció múltiple (pilot-principal i principal-post) sobre el desenvolupament fonamental i la combustió del doll. Primer, es caracteritzar hidràulicament l'injector, mesurant la seua taxa d'injecció i flux de quantitat de moviment. Per a una massa injectada objectiu, es va obtindre la distribució de combustible per als diferents temps de separació i les quantitats de pilot/post. Es va implementar un nou enfocament per tal d'avaluar la distribució de combustible utilitzant el senyal de flux de quantitat de moviment. Es va poder observar que les injeccions de pilot/post injecció que es realitzen en un estat totalment transitori presenten major desviació entre trets. L'augment de la quantitat injectada va reduir la dispersió, observant un lleuger descens en disminuir també la pressió de rail. La repetitivitat de les injeccions post es va veure afectada significativament pel temps de separació entre polsos. Després, es van aplicar diagnòstics òptics d'alta velocitat per a visual-itzar el desenvolupament del doll en atmosferes tant inerts com reactives. Es van utilitzar dues noves solucions de processament d'imatges: una, per a desacoblar dos esdeveniments d'injecció que coexisteixen en un sol quadre, i una altra per a estimar òpticament el retard a l'encesa amb múltiples polsos d'injecció. Pel que fa al desenvolupament del doll en condicions inerts evaporatives, no es va observar cap influència en la longitud líquida estabilitzada i l'angle del doll respecte a la quantitat injectada per la pilot, ni de la seua separació al pols principal. Pel que fa a la fase de vapor, l'augment de la massa injectada del primer pols va empényer la zona de transició més enllà del límit òptic. En general, el segon pols va penetrar a una velocitat més gran comparat amb el cas d'una injecció única. L'angle de dispersió de la fase de vapor va augmentar amb la inclusió de la injecció pilot, però no es va observar una tendència clara pel que fa a la quantitat de la pilot ni al seu temps de separació. En condicions reactives, el retard d'encesa del segon pols va disminuir en referència a l'inici de la injecció. De mitjana, les estratègies pilot-principal van experimentar reduccions del 30% al 40%, mentre que les principal-post, es van veure reduides entre el 40% i el 50%. Pel que fa a la longitud d'enlairament estabilitzada, no es va observar una tendència definida pel que fa als efectes tant del temps de separació com de la quantitat de la injecció pilot. La imatge mitjana presa per la càmera intensificada no va considerar que la longitud d'enlairament puga canviar des de l'inici de la combustió fins a la flama de difusió establerta. Pel que fa als mesuraments de sutge, en general es va observar que les estratègies pilot-principal van produir més sutge que cadascun dels seus casos de referència. Es va observar una lleugera disminució en el gruix òptic de la secció transversal prop de l'inici de la combustió en augmentar la massa de la injecció pilot. No es va observar una clara dependència del sutge amb el temps de separació entre els pols. En contrast amb la literatura, les estratègies principal-post van mostrar una formació de sutge lleugerament més alta (o similar) que una sola injecció. En cambres amb un volum tan

[EN] In recent years, the evolution of the injection technologies has permitted not only to improve the spray mixing process but to control injection parameters accurately, adding flexibility to the systems for new strategies and an extra degree of complexity for researchers. In such sense, multiple injection strategies have proved capable of reducing fuel consumption, as well as emissions of particulate matter, carbon oxides, nitrogen oxides, soot, and unburned hydrocarbons, and has become a standard in the industry. This thesis provides an experimental methodology to study the effects of two different multiple injection strategies (pilot-main and main-post) on spray development and combustion. Experiments were divided into four separate measurement campaigns carried out in three facilities. In the first two campaigns, the injector was hydraulically characterized by rate of injection and spray momentum flux measurements. For a target injected mass, the fuel allocation was obtained for the different dwell times and pilot/post quantities. A new approach to evaluate the fuel distribution using the momentum flux signal was implemented. Higher shot-to-shot deviations were observed for the pilot/post pulses that are injected in an entirely transitory state. The dispersion decreased with increasing injected quantity, and also slightly with decreasing rail pressure. The repeatability of the post injections was significantly affected by the dwell time. Then, high-speed optical diagnostics were applied to visualize the spray development in both inert and reactive atmospheres. Two novel image processing solutions were developed: one to decoupled two injection events that coexist in a single frame, and another to optically estimate the ignition delay of multiple injection pulses. On the spray development in non-reactive conditions, no influence was observed from the injected quantity of the pilot and its dwell time to the main pulse on the stabilized liquid length and spreading angle. Regarding the vapor phase, increasing the injected mass of the first pulse pushed the interaction zone past the optical limit. In general, the second pulse penetrated at a faster rate than the single injection case. Vapor phase spreading angle increased with the inclusion of a pilot injection. No clear trend was observed with either the pilot quantity nor the dwell time. On the spray development in reactive conditions, for all test points that included multiple injections, the ignition delay of the second pulse decreased referenced to its start of injection. On average, pilot-main strategies showed reductions of 30% to 40%, while main-post of 40% to 50%. Different inter-action mechanism found in the literature were used to describe the synergy between injection pulses. Regarding the stabilized lift-off length, no definite trend was observed in terms of the effects of both the dwell time and pilot quantity. The average image taken by the ICCD camera did not consider that the lift-off length can change from the inception of combustion to the established diffusion flame. Regarding soot measurements, it was generally observed that pilot-main strategies produced more soot than each of their reference case. A slight decrease in the cross-sectional optical thickness near the start of combustion was noted increasing the pilot quantity. No clear dependence of soot on the dwell time was observed. In contrast to the literature, main-post strategies depicted slightly higher (or similar) soot formation than a single injection. In combustion chambers with such large volume, the post injection behaved like a main and the actual main like a pilot. Thus, local conditions enhance the formation of soot from the post injection, instead of promoting its oxidation. Therefore, jet-wall interactions are critical for the effectiveness of the post injection on reducing soot emissions.