APORTACIONES AL ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN TRANSITORIA DE LLAMAS DE DIFUSIÓN DIESEL

Abstract

[EN] Since the last two decades of the XX century and still nowadays the automotive industry has resorted to the very understanding of the combustion process. Regarding the Diesel engine many contributions has been built from the machine itself or test rigs that simulate real operating conditions. Based on that, the use of non-intrusive optical techniques has propelled the understanding of Diesel combustion phenomena, and extended conceptual models as Dec stablishes the Diesel flame morphology from the visualization of the injection/combustion process. From such combustion process picture, a review of the current state of the art has been done in order to assess on the still remain questions of the injection/combustion areas open to knowledge contribution. In that sense, it has been identified that Diesel flame transient evolution turns contradictory either on the final penetration result or the difficulties involved with reacting spray studies. While the quantification of the soot and its temperature in diffusive conditions might be related with high uncertainties of the experimental set-up, i.e. with the final result. The approach of this thesis is experimental; therefore, it considers the experimental conditions to ideally address the investigation with two main optical techniques, schlieren visualization and the two color method. Regarding the first one, the solution to saturation of the camera sensor enabled a reliable penetration on the reacting spray penetration. This technique added value has helped to evaluate two different test rigs in order to define the ideal environment (optical technique + test rig) to better describe the reacting spray. Regarding two color thermometry, experimental calibration has helped to define the basis to obtain a spatial relationship of images with different spectral information and to significantly improve the technic results. As a result, using standard techniques to investigate lift-off length of diffusion flames has helped to establish that the schlieren image with temporal resolution is feasible from the radial expansion in the auto-ignition area. Schlieren results: penetration, inert and reactive spray angle and lift-off have supported the description of the evolution of penetration flame phases, which compared with an inert jet have been modified by the establishment of the combustion. Depending on the radial and axial flame expansion the process description can be modified according to the variation of combustion conditions. Although, in the overall description framework the 5 stages of penetration: inert, self-ignition and expansion, stabilization, acceleration and quasi stationarity are kept. On the other hand, research on competing fuels in the formation of soot as n-heptane and Diesel, has helped to establish the sensitivity of soot indicators under different operating conditions evaluated in an optical engine. As an overall, understanding the evolution of the flame front penetration and soot formation in diffusive flames provides an extensive data with which it is possible to feed complex calculation models as the CFD and thus, provide additional elements for comprehending the radial and axial flame expansion processes; something that in the present work has been analyzed only from the macroscopic point of view document.

[ES] A lo largo de las dos últimas décadas del final del siglo XX y aún hasta la actualidad la industria de automoción ha recurrido al entendimiento de los procesos que gobiernan el proceso de combustión. En el caso del motor Diesel, muchos son los aportes que se han construido en tal sentido a partir de estudios sobre el motor propiamente dicho o a través de herramientas que simulan las condiciones de operación de este. Con ello, la introducción de medidas no intrusivas de carácter óptico ha impulsado el entendimiento del fenómeno de combustión Diesel. Conceptos tan amplios como el Dec establecen la morfología de la llama Diesel generados a partir de la visualización del proceso de inyección/combustión. A partir de esta fotografía del proceso de combustión, se ha hecho un revisión de cuál es el estado del arte actual con la finalidad de identificar los aspectos de inyección y combustión que en la literatura permanecen aún abiertos al aporte de conocimiento. En ese sentido, se ha identificado que el conocimiento de la evolución transitoria de llamas Diesel resulta contradictoria, bien por el resultado final de penetración o por la dificultad planteada al estudiar chorros reactivos. Mientras que en condiciones de combustión por difusión, la cuantificación del hollín y su temperatura parece estar relacionada con un alta incertidumbre asociada al desarrollo experimental, en sí, con el resultado final. El enfoque de esta tesis es experimental, y por tanto se plantean las condiciones experimentales para afrontar de manera idónea la investigación con dos técnicas ópticas principales, la visualización schlieren y la termometría de dos colores. Respecto a la primera, la solución al fenómeno de saturación de sensores de cámara de visualización ha permitido establecer una medida fiable de la penetración del chorro reactivo. Este valor agregado a la técnica, ha permitido evaluar dos instalaciones disponibles en el grupo de investigación donde se ha desarrollado la investigado y definir el entorno experimental técnica + instalación ideal para la descripción de evolución transitoria de la llama. Respecto a la termometría de dos colores, la puesta a punto experimental ha permitido establecer las bases para establecer una relación espacial de imágenes con información espectral diferente y mejorar sensiblemente el resultado de la técnica. Como resultados, el apoyo en técnicas estándar para la investigación de la longitud de lift-off de llamas de difusión, ha permito establecer comparativamente que la medida a partir de la imagen de schlieren con resolución temporal es factible a partir de la expansión radial en la zona de autoencendido. Los resultados de schlieren: penetración, ángulo de chorro inerte/reactivo y el lift-off han apoyado la descripción de las fases de la evolución de le penetración de llama, que en comparación con un chorro-inerte se ha visto modificada por el establecimiento de la combustión. Dependiendo de la expansión radial y axial de la llama la descripción del proceso puede modificarse según varían las condiciones de combustión, aunque el marco global de la descripción se mantienen las 5 fases de penetración: Inerte, autoencendido y expansión, estabilización, aceleración y cuasi estacionalidad. Por otra parte, la investigación sobre combustibles contrapuestos en la formación de hollín como el n-Heptano y Diesel, han permitido establecer la sensibilidad de indicadores de la cantidad de hollín y su en diferentes condiciones de operación evaluadas en un motor óptico. En conjunto, el entendimiento de la evolución del penetración del frente y de llama y la formación de hollín en llamas difusivas provee de una matriz de ensayos extensa con la cual es posible alimentar modelos de cálculos complejos como el CFD y así, proporcionar elementos adicionales para el entendimiento de los procesos de expansión radial y axial de la llama. Algo que en e

[CA] Al llarg de les dues últimes dècades del final del segle XX i encara fins a l'actualitat la indústria d'automoció ha recorregut a l'enteniment dels processos que governen el procés de combustió. En el cas del motor Diesel, molts són les aportacions que s'han construït en aquest sentit a partir d'estudis sobre el motor pròpiament dit o a través d'eines que simulen les condicions d'operació d'aquest. Amb això, la introducció de mesures no intrusives de caràcter òptic ha impulsat l'enteniment del fenomen de combustió dièsel. Models conceptuals tan amplis com el de Dec estableixen la morfologia de la flama Diesel generats a partir de la visualització del procés d'injecció / combustió. A partir d'aquesta fotografia del procés de combustió, s'ha fet un revisió de quin és l'estat de l'art actual amb la finalitat d'identificar els aspectes d'injecció i combustió que en la literatura romanen encara oberts a l'aportació de coneixement. En aquest sentit, s'ha identificat que el coneixement de l'evolució transitòria de flames Diesel resulta contradictòria, bé pel resultat final de penetració o per la dificultat plantejada en estudiar dolls reactius. Mentre que en condicions de combustió per difusió, la quantificació del sutge i la seva temperatura sembla estar relacionada amb una alta incertesa associada al desenvolupament experimental, en si, amb el resultat final. L'enfocament d'aquesta tesi és experimental, i per tant es plantegen les condicions experimentals per afrontar de manera idònia la investigació amb dues tècniques òptiques principals, la visualització schlieren i la termometria de dos colors. Respecte a la primera, la solució al fenomen de saturació de sensors de cambra de visualització ha permès establir una mesura fiable de la penetració del doll reactiu. Aquest valor afegit a la tècnica, ha permès avaluar dues instal·lacions disponibles en el grup de recerca on s'ha desenvolupat el treball i definir l'entorn experimental tècnica + instal·lació ideal per a la descripció d'evolució transitòria de la flama. Respecte a la termometria de dos colors, la posada a punt experimental ha permès establir les bases per establir una relació espacial d'imatges amb informació espectral diferent i millorar sensiblement el resultat de la tècnica. Com a resultats, el suport en tècniques estàndard per a la recerca de la longitud de lift-off de flames de difusió, ha permès establir comparativament que la mesura a partir de la imatge de schlieren amb resolució temporal és factible a partir de l'expansió radial en la zona d'autoencesa. Els resultats de schlieren: penetració, angle de doll inert / reactiu i lift-off han donat suport a la descripció de les fases de l'evolució de la penetració de flama, que en comparació amb un doll inert s'ha vist modificada per l'establiment de la combustió. Depenent de l'expansió radial i axial de la flama la descripció del procés pot modificar-se segons varien les condicions de combustió, tot i que en el marc global de la descripció es mantenen les 5 fases de penetració: Inert, autoencesa i expansió, estabilització, acceleració i quasi estacionalitat . D'altra banda, la investigació sobre combustibles contraposats en la formació de sutge com el n-heptà i Diesel, han permès establir la sensibilitat d'indicadors de la quantitat de sutge i la seva en diferents condicions d'operació avaluades en un motor òptic. En conjunt, l'enteniment de l'evolució del penetració del front de flama i la formació de sutge en flames difusives proveeix d'una matriu d'assajos extensa amb la qual és possible alimentar models de càlculs complexos com el CFD i així, proporcionar elements addicionals per l'enteniment dels processos d'expansió radial i axial de la flama. Una cosa que en aquest document s'ha analitzat només des del punt de vista macroscòpic.