An experimental study of the effects of fuel properties on diesel spray processes using blends of single-component fuels

Abstract

[EN] This last few years, the trend in diesel engines has been to use different kinds of fuels to identify their influence and behaviour on the emissions and performance. Among the wide variety of fuels employed are the so called Primary Reference Fuels (PRFs), which represent the behaviour of diesel and gasoline in terms of ignition properties, as they are located at both ends of the octane rating scale and also have very different cetane numbers. One of the disadvantages of using pure gasoline or diesel-gasoline blends in diesel engines is the time needed for the mixture to ignite and to completely burn the fuel. This generally requires working with partial loads or with premixed charges.

In order to isolate the fuel effects on the spray processes and to be able to study the characteristic parameters of ignition delay time, lift-off length, vapour and liquid penetration, among others; different experiments under parametric variations of diesel like conditions have been performed. The tests were performed under inert and reactive conditions in a 2-stroke optical engine and a constant-pressure flow (CPF) high-pressure high-temperature vessel using single-hole nozzles, while diverse optical techniques were being employed. To study the influence of the fuel properties, different single-component fuels were employed as well as binary blends and a six-component diesel surrogate, which was also compared to conventional diesel. Additionally, the results have been contrasted with a one-dimensional model in order to further explain the values and trends found.

The results presented a strong dependency on the fuel properties for the tests performed under inert and reactive conditions. The difference in physical properties of n-decane and n-hexadecane showed an almost linear reduction of the stabilized liquid penetration down to approximately 60% under some conditions. Additionally, due to the composition of the surrogate fuel, pure n-hexadecane was demonstrated to have almost identical evaporation characteristics, hence proving itself as a good candidate for a single-component surrogate of diesel fuel. In a similar way, the chemical properties of the PRFs n-heptane and iso-octane also proved to be influential on the spray development and radiation emitted. Ignition delay values up to one order of magnitude larger where obtained for both extremes of the blend range, as well as lift-off lengths up to three times longer. The radiation emitted by the soot incandescence presented the highest variations, as some conditions showed a reduction of almost four orders of magnitude among the blend range. Moreover, some cases did not present any radiation corresponding to the soot, and increasing the sensitivity of the camera only caused the chemiluminescence of the OH* radical to be captured. On a different way, the stabilized flame length determined also by the soot radiation did not present much variation as the fuel properties or the air temperature were changed; in fact, the only noticeable differences were caused by the changes in the oxygen composition of the ambient air.

In conclusion, the fuel properties proved to have a significant effect on the spray processes. Lighter fuels favoured the evaporation of the spray under a range of conditions, while fuels with lower octane numbers ignited sooner and closer to the spray tip but with more soot luminosity measured.

[ES] Estos últimos años, la tendencia en motores diesel ha sido la de emplear distintos tipos de combustibles para identificar su influencia y comportamiento sobre las emisiones y rendimiento. Dentro de la amplia variedad de combustibles empleados están los llamados combustibles de referencia (PRFs ingl. Primary Reference Fuels), los cuales representan el comportamiento del diesel y la gasolina en lo que respecta a propiedades de encendido, ya que se encuentran en ambos extremos de la escala del número de octano y también poseen números de cetano muy distintos. Una de las desventajas de utilizar gasolina pura o mezclas de diesel-gasolina en motores diesel es el tiempo que toma la mezcla en encender y quemar completamente el combustible. Esto generalmente requiere trabajar con cargas parciales o cargas premezcladas.

Para poder aislar los efectos del combustibles sobre los procesos de un chorro y que sea capaz estudiar los parámetros característicos de tiempo de retraso de encendido, longitud de despegue de llama, penetración de líquido y vapor, entre otros, se han realizado distintos experimentos bajo variaciones paramétricas de condiciones de motor diesel. Los ensayos han sido realizados bajo condiciones inertes y reactivas en un motor óptico de dos tiempos y una instalación de alta presión y alta temperatura de flujo continuo a presión constante (CPF ingl. Constant-Pressure Flow) empleando toberas mono-orificio, con aplicación de diversas técnicas ópticas. Para estudiar la influencia de las propiedades de los combustibles se utilizaron distintos mono-componentes, así como mezclas binarias y un sustituto de diesel conformado por seis componentes, el cual fuel comparado con diesel convencional. Adicionalmente, los resultados han sido contrastados con un modelo unidimensional para ayudar a explicar los valores y tendencias encontrados.

Los resultados presentaron una fuerte dependencia de las propiedades de los combustibles en los ensayos realizados bajo condiciones inertes y reactivas. La diferencia entre las propiedades físicas del n-decano y n-hexadecano mostraron una reducción casi lineal sobre la longitud líquida estabilizada hasta aproximadamente un 60% bajo ciertas condiciones. Adicionalmente, debido a la composición del combustible de sustitución, el n-hexadecano puro demostró tener características de evaporación prácticamente idénticas, probándose a sí mismo como un buen candidato para ser un sustituto mono-componente del diesel convencional. De una manera similar, las propiedades químicas de los PRFs n-heptano e iso-octano también probaron tener influencia sobre el desarrollo del chorro y radiación emitida. Se obtuvieron valores de tiempo de retraso con diferencias de hasta un orden de magnitud entre ambos extremos del rango de las mezclas, así como longitudes de despegue de llama hasta tres veces más largas. La radiación emitida por la incandescencia del hollín presentó las variaciones más altas, ya que algunas condiciones mostraron reducciones de hasta cuatro órdenes de magnitud dentro del rango de mezclas. Es más, algunos casos no presentaron radiación correspondiente al hollín, e incrementar la sensibilidad de la cámara solo ocasionó que la quimioluminiscencia del radical OH* sea detectada. Por otro lado, la longitud estabilizada de llama calculada mediante la radiación del hollín no presentó mucha variación respecto a las propiedades del combustible o la temperatura del aire. De hecho, la única diferencia apreciable fue causada por los cambios en la composición del oxígeno del aire ambiente.

En conclusión, las propiedades de los combustibles demostraron tener un efecto significativo en los procesos de un chorro diesel. Los combustibles más ligeros favorecieron la evaporación del chorro en un rango de condiciones, mientras que combustibles con números de octano más bajos encendieron más pronto y cerca de la tobera pero con mayor luminosidad del hollín medida.

[CA] En aquests últims anys, la tendència en motors Diesel ha estat la d'emprar diferents tipus de combustibles per a identificar la seva influència i comportament sobre les emissions i rendiment. Dintre de l'àmplia varietat de combustibles emprats estan els anomenats combustibles de referència (PRFs angl. Primary Reference Fuels), els quals representen el comportament del dièsel i la gasolina pel que fa a propietats d'encesa, ja que es troben en ambdós extrems de l'escala del nombre d'octà i també posseeixen nombres de cetà molt diferents. Un dels desavantatges d'utilitzar benzina pura o barreges de Diesel-benzina en motors Diesel és el temps que pren la barreja a encendre i cremar completament el combustible. Això generalment requereix treballar amb càrregues parcials o càrregues premesclades.

Per a poder aïllar els efectes del combustibles sobre els processos d'un doll i que sigui capaç estudiar els paràmetres característics de de temps de retard d'encesa, longitud d'enlairament de flama, penetració de líquid i vapor, entre altres, s'han estudiat diferents experiments sota variacions paramètriques de condicions de motor Diesel. Els assajos han estat realitzats sota condicions inertes i reactives en un motor de dos temps i una instal·lació d'alta pressió i alta temperatura de flux continu a pressió constant (CPF angl. Constant-Pressure Flow) emprant toberes mono-orifici, amb aplicació de diverses tècniques òptiques. Per a estudiar la influència de les propietats dels combustibles, van ser utilitzats distints mono-components, així com barreges binàries i un substitut de Diesel conformat per sis components, el qual fuel comparat amb Diesel convencional. Addicionalment, els resultats han estat contrastats amb un model unidimensional per a ajudar a explicar els valors i tendències trobats.

Els resultats van presentar una forta dependència de les propietats dels combustibles en els assajos realitzats sota condicions inertes i reactives. La diferència entre les propietats físiques del n-decà i n-hexadecà van mostrar una reducció gairebé lineal sobre la longitud líquida estabilitzada fins a aproximadament un 60% sota certes condicions. Addicionalment, degut a la composició del combustible de substitució, el n-hexadecà pur va demostrar ser tindre característiques d'evaporació pràcticament idèntiques a aquell, demostrant ser un bon candidat per a ser un substitut mono-component del dièsel convencional. D'una manera similar, les propietats químiques dels PRFs n-heptà i iso-octà també provaren tindre influència sobre el desenvolupament del doll i la radiació emesa. Es van obtenir valors de temps de retard amb diferències de fins a un ordre de magnitud entre ambdós extrems del rang de les barreges, així com longituds d'enlairament de flama fins a tres vegades més llargues. La radiació emesa per la incandescència del sutge va presentar les variacions més grans, ja que algunes condicions van mostrar reduccions de fins a quatre ordres de magnitud dintre del rang de barreges. Encara més, alguns casos no van presentar radiació corresponent al sutge, i incrementar la sensibilitat de la càmera solament va ocasionar que la quimioluminiscència del radical OH* sigui detectada. D'altra banda, la longitud estabilitzada de flama calculada mitjançant la radiació del sutge no va presentar molta variació respecte a les propietats del combustible o la temperatura del aire. De fet, la única diferència apreciable va ser causada pels canvis en la composició del oxigen de l'aire ambient.

En conclusió, les propietats dels combustibles van demostrar tenir un efecte significatiu en els processos d'un doll dièsel. Els combustibles més lleugers van afavorir l'evaporació del doll en un rang de condicions, mentres que els combustibles amb nombre d'octà més baixos van prendre més aviat i prop de la tovera però amb més lluminositat del sutge mesurat.