Thermal effects influence on the Diesel injector performance through a combined 1D modelling and experimental approach

Abstract

[EN] The injection system is one of the topics that has been paid most attention to by researchers in the field of direct injection diesel engines, due to its key role on fuel atomization, vaporization and air-fuel mixing process, which directly affect fuel consumption, noise irradiation and pollutant emissions. The increasing injection pressures in modern engines have propitiated the need of studying phenomena such as cavitation, compressible flow or the effect of changes in the fuel properties along the process, whose relative importance was lower in early stages of the reciprocating engines development. The small dimensions of the injector ducts, the high velocities achieved through them and the transient nature of the process hinder the direct observation of these facts. Computational tools have then provided invaluable help in the field. The objective of the present thesis is to analyse the influence of the thermal effects on the performance of a diesel injector. To this end, the fuel temperature variation through the injector restrictions must be estimated. The influence of these changes on the fuel thermophyisical properties relevant for the injection system also needs to be assessed, due to its impact on injector dynamics and the injection rate shape. In order to give answer to the previous objectives, both experimental and computational techniques have been employed. A dimensional and a hydraulic experimental characterization of a solenoid-actuated Bosch CRI 2.20 injector has been carried out, including rate of injection measurements at a wide range of operating conditions, with special attention to the fuel temperature control. A 1D computational model of the injector has been implemented in order to confirm and further extend the findings from the experiments. Local variations of fuel temperature and pressure are considered by the model thanks to the assumption of adiabatic flow, for which the experimental characterization of the fuel properties at high pressure also had to be performed. The limits of the validity of this assumption have been carefully assessed in the study. Results show a significant influence of the fuel temperature at the injector inlet on injection rate and duration, attributed to the effect of the variation of the fuel properties and to the fact that the injector remains in ballistic operation for most of its real operating conditions. Fuel temperature changes along the injector control orifices are able to importantly modify its dynamic behaviour. In addition, if the fuel at the injector inlet is at room temperature or above, the temperature at the nozzle outlet has not been proved to importantly change once steady-state conditions are achieved. However, a significant heating may take place for fuel temperatures at the injector inlet typical of cold-start conditions.

[ES] El sistema de inyección es uno de los elementos que más interés ha despertado en la investigación en el campo de los motores diésel de inyección directa, debido a su papel clave en la atomización y vaporización del combustible así como en el proceso de mezcla, que afectan directamente al consumo y la generación de ruido y emisiones contaminantes. Las crecientes presiones de inyección en motores modernos han propiciado la necesidad de estudiar fenómenos como la cavitación, flujo compresible o el efecto de los cambios de las propiedades del combustible a lo largo del proceso, cuya importancia relativa era menor en etapas tempranas del desarrollo de los motores alternativos. Las pequeñas dimensiones de los conductos del inyector, las altas velocidades a través de los mismos y la naturaleza transitoria del proceso dificultan la observación directa en estas cuestiones. Por ello, las herramientas computacionales han proporcionado una ayuda inestimable en el campo. El objetivo de la presente tesis es analizar la influencia de los efectos térmicos en el funcionamiento de un inyector diésel. Para tal fin, se debe estimar la variación de la temperatura del combustible a lo largo de las restricciones internas del inyector. La influencia de estos cambios en las propiedades termofísicas del combustible más relevantes en el sistema de inyección también debe ser evaluada, debido a su impacto en la dinámica del inyector y en la forma de la tasa de inyección. Para dar respuesta a estos objetivos, se han utilizado técnicas experimentales y computacionales. Se ha llevado a cabo una caracterización dimensional e hidráulica de un inyector Bosch CRI 2.20 actuado mediante solenoide, incluyendo medidas de tasa de inyección en un amplio rango de condiciones de operación, para lo que se ha prestado especial atención al control de la temperatura del combustible. Se ha implementado un modelo 1D del inyector para confirmar y extender las observaciones extra\'idas de los experimentos. El modelo considera variaciones locales de presión y temperatura del combustible gracias a la hipótesis de flujo adiabático, para lo cual también se ha tenido que llevar a cabo una caracterización experimental de las propiedades del combustible a alta presión. Los límites de la validez de esta hipótesis se han analizado cuidadosamente en el estudio. Los resultados muestran una influencia significativa de la temperatura del combustible a la entrada del inyector en la tasa y duración de inyección, atribuida al efecto de la variación de las propiedades del combustible y al hecho de que el inyector permanece en operación balística para la mayoría de sus condiciones de funcionamiento. Los cambios en temperatura del combustible a lo largo de los orificios de control del inyector son capaces de modificar su dinámica considerablemente. Además, si el combustible a la entrada del inyector se encuentra a temperatura ambiente o por encima, se ha observado que la temperatura a la salida de la tobera no varía de manera importante una vez se alcanzan condiciones estacionarias. No obstante, un calentamiento significativo puede tener lugar para temperaturas de entrada típicas de las condiciones de arranque en frío.

[CA] El sistema d'injecció és un dels elements que més interés ha despertat en la investigació en el camp dels motors dièsel d'injecció directa, degut al seu paper clau en l'atomització i vaporització del combustible, així com en el procés de mescla, que afecten directament el consum i la generació de soroll i emissions contaminants. Les creixents pressions d'injecció en motors moderns han propiciat la necessitat d'estudiar fenòmens com la cavitació, flux compressible o l'efecte dels canvis de les propietats del combustible al llarg del procés, la importància relativa dels quals era menor en les primeres etapes del desenvolupament dels motors alternatius. Les menudes dimensions dels conductes de l'injector, les altes velocitats a través dels mateixos i la natura transitòria del procés dificulten l'observació directa en estes qüestions. Per això, les ferramentes computacionals han proporcionat una ajuda inestimable en el camp. L'objectiu de la present tesi és analitzar la influència dels efectes tèrmics en el funcionament d'un injector dièsel. Per a tal fi, es deu estimar la variació de la temperatura del combustible al llarg de les restriccions internes de l'injector. La influència d'estos canvis en les propietats termofísiques del combustible més relevants en el sistema d'injecció també ha de ser avaluada, degut al seu impacte en la dinàmica de l'injector i en la forma de la tasa d'injecció. Per tal de donar resposta a estos objectius, s'han utilitzat tècniques experimentals i computacionals. S'ha dut a terme una caracterització dimensional i hidràulica d'un injector Bosch CRI 2.20 actuat mitjançant solenoide, incloent mesures de tasa d'injecció en un ampli rang de condicions d'operació, per al que s'ha prestat especial atenció al control de la temperatura del combustible. S'ha implementat un model 1D de l'injector per tal de confirmar i estendre les observacions extretes dels experiments. El model considera variacions locals de pressió i temperatura del combustible gràcies a la hipòtesi de flux adiabàtic, per la qual cosa també s'ha hagut de dur a terme una caracterització experimental de les propietats del combustible a alta pressió. Els límits de la validesa d'esta hipòtesi s'han analitzat acuradament en l'estudi. Els resultats mostren una influència significativa de la temperatura del combustible a l'entrada de l'injector en la tasa i duració d'injecció, atribuïda a l'efecte de la variació de les propietats del combustible i al fet que l'injector roman en operació balística per a la majoria de les seues condicions de funcionament. Els canvis en temperatura del combustible al llarg dels orificis de control de l'injector són capaços de modificar la seua dinàmica considerablement. A més, si el combustible a l'entrada de l'injector es troba a temperatura ambient o per damunt, s'ha observat que la temperatura a l'eixida de la tobera no varia de manera important una vegada s'han assolit condicions estacionàries. No obstant això, un escalfament significatiu pot tenir lloc per a temperatures d'entrada típiques de les condicions d'arrancada en fred.