Study of the Gasoline Direct Injection Process under Novel Operating Conditions

Abstract

[ES] La inyección de combustible es, entre los temas de investigación de motores, una de las piezas críticas para obtener un motor eficiente. El papel es aún más significativo cuando se persigue una estrategia de inyección directa. La geometría interna y el movimiento de la aguja determinan el comportamiento del flujo del inyector, que se sabe que afecta enormemente al desarrollo externo del spray y, en última instancia, al rendimiento de la combustión dentro de la cámara. La conciencia sobre el cambio climático y los contaminantes ha ido creciendo, impulsando el esfuerzo en motores más limpios. En este sentido, los motores de gasolina tienen un margen más amplio para mejo- rar que los motores diesel. La evolución de los antiguos PFI a las modernas estrategias de inyección directa, que se utilizan en los motores de nueva generación, demuestra esta tendencia. Los sistemas GDI tienen el potencial de cumplir con las estrictas emisiones y aumentar el ahorro de combustible, sin embargo, todavía se enfrenta a muchos desafíos. Este trabajo implica el uso de dos inyectores, uno es una moderna tobera de GDI de investigación designada por el Engine Combustion Network (ECN), y el otro es una unidad de inyección de producción (PIU) con la misma tecnología y una geometría ligeramente diferente. Ambos equipos se someten a una completa caracterización (flujo interno y externo) que abarca las técnicas más avanzadas en diversas instalaciones experimentales. Además, se diseña y construye una nueva instalación para realizar experimentos en condiciones de evaporación instantánea (cuando la presión de vapor del combustible inyectado es superior a la presión del volumen de descarga). La instalación construida está diseñada para simular un ambiente de descarga en ciertas condiciones del motor en las que podrían producirse fenómenos de flash boiling. Así, debido a las propiedades típicas del combustible de gasolina, era un requisito operar con presiones de cámara de 0,2 a 15 bares. Además, la temperatura ambiente se controlaba mediante la implementación de una resistencia que puede calentar el gas ambiente. La instalación funciona en un bucle abierto, pudiendo renovar el volumen de gas entre las inyecciones. Por último, se construyeron tres amplios accesos ópticos para acomodar muchas técnicas de diagnóstico óptico como DBI, MIE, shadowgraphy o PDA, entre otros. Para la evaluación del flujo interno se determinó la geometría de las toberas y la orientación de los agujeros, el movimiento de la aguja y, por último, la caracterización del ratio de inyección (ROM) y el momento de inyección (ROI) de ambas toberas. La geometría de las toberas y la elevación de la aguja se midieron mediante técnicas avanzadas de rayos X en el Laboratorio Nacional de Argonne (ANL). Las mediciones de ROI y ROM se realizaron utilizando las instalaciones de CMT-Motores Térmicos siguiendo los conocimientos técnicos aplicados en los inyectores de gasóleo y adaptándolos a las toberas de GDI. El ROI nos permitió comparar las boquillas, cuyo número de orificios y geometría eran diferentes, aunque entregan aproximadamente la misma cantidad de combustible. Se ensayó la respuesta a condiciones típicas de motor como variaciones en la presión del rail, la presión de descarga, la temperatura del combustible, etc. Para el inyector de investigación "Spray G", se desarrolló un modelo 0-D de la velocidad de inyección que permite obtener la señal para diferentes condiciones y duración de la inyección, lo cual es útil para la calibración del motor y la validación del CFD. Además, para la caracterización de la ROM, se desarrolló la metodología de la técnica de deformación plástica para obtener la orientación del cono del spray y orientar adecuadamente los chorros de combustible para la medición de ROM. En el análisis hidráulico se combinaron los datos para estudiar los bajos valores del coeficiente de descarga y

[CA] La injecció de combustible és, entre els temes d'investigació de motors, una de les peces crítiques per a obtindre un motor eficient. El paper és encara més significatiu quan es persegueix una estratègia d'injecció directa. La geometria interna i el moviment de l'agulla determinen el comportament del flux de l'injector, que se sap que afecta enormement el desenvolupament extern de l'esprai i, en última instància, al rendiment de la combustió dins de la cambra. La consciència sobre el canvi climàtic i els contaminants ha anat creixent, impulsant l'esforç en motors més nets. En aquest sentit, els motors de gasolina tenen un marge més ampli per a millorar que els motors dièsel. L'evolució dels antics PFI a les modernes estratègies d'injecció directa, que s'utilitzen en els motors de nova generació, demostra aquesta tendència. Els sistemes GDI tenen el potencial de complir amb les estrictes emissions i aug- mentar l'estalvi de combustible, no obstant això, encara s'enfronta a molts desafiaments. Aquest treball implica l'ús de dos injectors, un és una moderna tovera de GDI d'investigació designada pel Engine Combustion Network (ECN), i l'altre és una unitat d'injecció de producció (PIU) amb la mateixa tecnologia i una geometria lleugerament diferent. Tots dos equips se sotmeten a una completa caracterització (flux intern i extern) que abasta les tècniques més avançades en diverses instal·lacions experimentals. A més, es dissenya i construeix una nova instal·lació per a realitzar experiments en condicions d'evaporació instantània (quan la pressió de vapor del combustible injectat és superior a la pressió del volum de descàrrega). La instal·lació construïda està dissenyada per a simular un ambient de descàrrega en certes condicions del motor en les quals podrien produir-se fenòmens de flash boiling. Així, a causa de les propietats típiques del combustible de gasolina, era un requisit operar amb pressions de cambra de 0,2 a 15 bars. A més, la temperatura ambient es controlava mitjançant la implementació d'una resistència que pot calfar el gas ambiente. La instal·lació funciona en un bucle obert, podent renovar el volum de gas entre les injeccions. Finalment, es van construir tres amplis accessos òptics per a acomodar moltes tècniques de diagnòstic òptic com DBI, MIE, shadowgraphy o PDA, entre altres. Per a l'avaluació del flux intern es va determinar la geometria de les toveres i l'orientació dels forats, el moviment de l'agulla i, finalment, la caracterització del ràtio d'injecció (ROM) i el moment d'injecció (ROI) de totes dues toveres. La geometria de les toveres i l'elevació de l'agulla es van mesurar mitjançant tècniques avançades de raigs X en el Laboratori Nacional de Argonne (ANL). Els mesuraments de ROI i ROM es van realitzar utilitzant les instal·lacions de CMT-Motores Térmicos seguint els coneixements tècnics aplicats en els injectors de gasoil i adaptant-los a les toveres de GDI. El ROI ens va permetre comparar els filtres, el nombre d'orificis dels quals i geometria eren diferents, encara que entreguen aproximadament la mateixa quantitat de combustible. Es va assajar la resposta a condicions típiques de motor com a variacions en la pressió del rail, la pressió de descàrrega, la temperatura del combustible, etc. Per a l'injector d'investigació "Esprai G", es va desenvolupar un model 0-D de la velocitat d'injecció que permet obtindre el senyal per a diferents condicions i duració de la injecció, la qual cosa és útil per al calibratge del motor i la validació del CFD. A més, per a la caracterització de la ROM, es va desenvolupar la metodologia de la tècnica de deformació plàstica per a obtindre l'orientació del con de l'esprai i orientar adequadament els dolls de combustible per al mesurament de ROM. En l'anàlisi hidràulica es van combinar les dades per a estudiar els baixos valors del coeficient de descàrrega i del coeficient d'àr

[EN] Fuel injection is among the engine research topics one of the critical pieces to obtain an efficient engine. The role is even more significant when a direct injection strategy is pursued. The internal geometry and pintle movement determine the injector flow behavior, which is known to hugely affect the external spray development and, ultimately, the combustion performance inside the chamber. Climate change and pollutants awareness has been growing, pushing forward the effort on cleaner engines. In this regard, gasoline en- gines have a wider margin to improve than diesel engines. The evolution from old Port Fuel Injectors to modern direct injection strategies, which are used in new generation engines, demonstrates this trend. GDI systems have the potential to comply with stringent emissions and increase fuel economy, however, it still faces many challenges. This work involves the use of two injectors, one is a modern research GDI nozzle appointed by the Engine Combustion Network (ECN), and the other is a production injector unit (PIU) with the same technology and slightly different geometry. Both hardware's undergo a complete characterization (internal and external flow) covering the state- of-the-art techniques in various experimental facilities. Furthermore, a new facility is designed and built to perform experiments under flash boiling conditions (when the fuel injected's vapor pressure is higher than the pressure in the discharge volume). The developed facility is designed to simulate a discharge ambient at certain engine conditions in which flash boiling phenomena could occur. Thus, due to typical gasoline fuel properties, it was a requirement to operate from chamber pressures from 0.2 bar to 15 bar. Also, the ambient temperature was controlled by implementing a resistor that can heat the ambient gas. The facility operates in an open loop, being able to renovate the gas volume between injections. Finally, three wide optical accesses were built to accommodate many optical diagnostic techniques such as DBI, MIE, shadowgraphy, or PDA, among others. For the internal flow description, it was determined the nozzles geometry and holes orientation, the pintle movement, and finally, the characterization of the rate of momentum (ROM) and rate of injection (ROI) of both nozzles. The nozzles geometry and needle lift were measured using advanced optical x-ray techniques at Argonne National Laboratory (ANL). The ROI and ROM measurements were performed using CMT-Motores Térmicos facilities follow- ing the know-how applied in diesel injectors and adapting it to GDI nozzles. The ROI allowed us to compare the nozzles, whose orifices number and geometry were different, although they deliver approximately the same amount of fuel. It was tested their response to typical boundary conditions such as rail pressure, discharge pressure, fuel temperature, etc. For the research nozzle "Spray G", it was developed a 0-D model of the rate of injection allowing to obtain the signal for different injection duration and conditions, which is useful in engine calibration and CFD validation. Furthermore, for the ROM characterization, the plastic deformation technique methodology was developed to obtain spray cone orientation and adequately guide the fuel jets for measuring ROM. The hydraulic analysis combined the data to study the low discharge coefficient and area coefficient values, which could result from low needle lift combined with novel hole designs in both nozzles that promote cavitation and air interaction from inside the orifice. In the external flow characterization, it was used the new developed vessel to study the external spray covering flash boiling conditions. It was employed four surrogate fuels to simulate different volatility properties of gasoline com- pounds and ultimately reproduce more extreme flashing conditions. It was used lateral visualization using DBI and Schlieren in addition to frontal MIE visualization. Some of t