Análisis del flujo en el cilindro y caracterización termodinámica en un motor diesel óptico monocilíndrico

Abstract

[ES] Con las exigentes legislaciones sobre emisiones y la necesidad de una mayor eficiencia, se están desarrollando nuevas tecnologías para motores de encendido por compresión. Una de ellas se basa en reducir las pérdidas de calor del motor durante el proceso de combustión, y otra se basa en diseñar estrategias de inyección que reduzcan la formación de hollín. Por lo tanto, es necesario comprender mejor la distribución de la energía cinética turbulenta (TKE) dentro del cilindro y cómo se ve afectada por la interacción entre el movimiento del flujo de aire y el rociado de combustible. Además, los nuevos motores diesel se caracterizan por la disminución masiva de las emisiones de NOx. Por lo tanto, considerando el conocido trade-off de NOx-hollín, es necesario una mejor comprensión y cuantificación general de la formación de hollín y cómo las diferentes estrategias de inyección pueden impactarlo. El presente estudio tiene como objetivo definir una metodología para analizar el campo de la velocidad y, en consecuencia, la distribución del TKE, así como también caracterizar la formación de hollín dentro de una geometría del bowl real teniendo en cuenta las diferentes condiciones de operación. Para ese propósito, dos técnicas ópticas diferentes fueron aplicadas simultáneamente en este estudio. Por un lado, los campos de velocidad en el cilindro se midieron utilizando la velocimetría de imágenes de partículas (PIV) con inyección (ambiente no reactivo) y condiciones de arrastre mediante el uso de una estrategia de inyección única. Por otro lado, la formación de hollín se cuantificó mediante la técnica de iluminación de fondo difusa (DBI) en condiciones de combustión y con inyección múltiple. Además, se desarrolla una metodología específica para la caracterización óptica de motores basada en la combinación de mediciones experimentales y el modelado 0D dentro del cilindro. Por un lado, el método tiene en cuenta las deformaciones experimentales medidas con una cámara de alta velocidad para determinar la relación de compresión efectiva; por otro lado, el análisis termodinámico 0D se utiliza para calibrar el modelo de transferencia de calor y para determinar el resto de incertidumbres basadas en la minimización de la tasa de liberación de calor residual en condiciones motorizadas. Los experimentos se llevaron a cabo en un motor óptico de un solo cilindro basado en un motor diesel de uso ligero GM MDE comercial con accesos ópticos laterales y de fondo específicos desde el forro y el pistón. Dado que el pistón óptico presenta la misma geometría de cuenco metálico, fue necesario resolver importantes obstáculos para implementar con precisión las técnicas ópticas en condiciones reales del motor. Los eventos de inyección para mediciones de PIV se realizaron en diferentes temporizaciones de láser con una hoja de láser vertical centrada en el centro del cilindro utilizando una única estrategia de inyección. Para las mediciones DBI, las pruebas se realizaron en 3 condiciones de disparo diferentes, utilizando cuatro eventos de inyección y tres presiones de inyección. Los resultados indican que, en comparación con la condición motorizada, el rociado de combustible reduce la velocidad de flujo y el impacto directamente en la distribución de TKE. Las mediciones DBI también resaltan que, a medida que aumenta la carga, también aumenta el valor KL. Además, los resultados muestran que el tiempo de inyección impacta directamente en el valor KL. En relación con la caracterización termodinámica, el método demostró ser confiable para caracterizar el motor óptico, proporcionando una traza precisa del volumen en el cilindro con una deformación máxima de 0.5 mm a 80 bar de presión máxima y un ajuste de presión experimental en el cilindro bueno versus simulado.

[EN] With demanding emissions legislations and the need for higher efficiency, new technologies for compression ignition engines are in development. One of them relies on reducing the heat losses of the engine during the combustion process as well as to devise injection strategies that reduce soot formation. Therefore, it is necessary a better comprehension about the turbulent kinetic energy (TKE) distribution inside the cylinder and how it is affected by the interaction between air flow motion and fuel spray. Furthermore, new diesel engines are characterized by massive decrease of NOx emissions. Therefore, considering the well-known NOx-soot trade-off, it is necessary a better comprehension and overall quantification of soot formation and how the different injection strategies can impact it. The present study aims to define a methodology to analyze the velocity field and consequently TKE distribution as well as to characterize soot formation inside of a real bowl geometry considering different operating conditions. For that purpose, two different optical techniques were simultaneously applied in this study. On the one hand, in-cylinder velocity fields were measured by using 2D standard Particle Image Velocimetry (PIV) under injection (non-reactive ambient) and motored conditions by using single injection strategy. On the other hand, soot formation was quantified by Diffused back-illumination imaging technique (DBI) under firing conditions and multiple injection pattern. Furthemore, a specific methodology for optical engine characterization based on the combination of experimental measurements and in-cylinder 0D modelling is developed. On the one hand, the method takes into account the experimental deformations measured with a high-speed camera in order to determine the effective compression ratio; on the other hand the 0D thermodynamic analysis is used to calibrate the heat transfer model and to determine the rest of uncertainties based on the minimization of the heat release rate residual in motored conditions. The experiments were carried out in a single cylinder optical engine based in a commercial GM MDE light duty diesel engine with specific bottom and side optical accesses from the liner and the piston. As the optical piston features the same metal bowl geometry, it was necessary to solve significant hurdles to accurately implement the optical techniques under fully real engine conditions. Injection events for PIV measurements were performed at different laser timings with a vertical laser sheet centered in the middle of the cylinder using a single injection strategy. For the DBI measurements, tests were performed in 3 different firing conditions, using four injection events and three injection pressures. Results indicate that, in comparison with motored condition, fuel spray reduce flow velocity and impact directly on TKE distribution. DBI measurements highlight also that, as the load increases, the KL value increases as well. Furthermore, the results show that the injection timing impacts directly in the KL value. In relation to the thermodynamic characterization, the method demonstrated to be reliable to characterize the optical engine, providing an accurate in-cylinder volume trace with a maximum deformation of 0.5mm at 80 bar of peak pressure and good experimental vs simulated in-cylinder pressure fitting.