Análisis de la interacción de los procesos de inyección y combustión con el campo de velocidad dentro del cilindro en motores de encendido por compresión

Abstract

Emission legislation together with the need of more fuel-efficient engines have driven the development of promising combustion concepts in compression ignition (CI) engines. Most of them, lead toward a lean and low temperature combustion potentially suitable to achieve lower emission and fuel consumption levels compared to conventional diesel Combustion. Some of these new combustion concepts strongly rely on strategies that decouple the injection event from the combustion event, i.e. the end of injection (EoI) takes place before the start of combustion (SoC). Under this scenario, the interaction between fuel injection and in-cylinder flow structures gains more relevance. The study of this interaction may be a key parameter to better understand in-cylinder phenomena, such as heat transfer, that could help achieve engine performance improvements. In this regard, particle image velocimetry (PIV) has been proved suitable to measure the in-cylinder velocity flow field. For this study, two sets of PIV data are analyzed.

First, flow field-spray interaction is investigated in a section normal to the cylinder axis of a single-cylinder optical diesel engine with a cylindrical bowl. The experimental test matrix is based on an advanced single pilot injection, as used for premixed charge compression ignition (PCCI). Variations of Energizing time (ET) and injection pressure are also part of the test matrix. This set of data allows for the study of swirl-spray interaction, which is of particular interest since swirl is a predominant structure in CI engines.

Second, the study of the in-cylinder flow is conducted in a section aligned with the cylinder axis in a piston with a real geometry bowl. Test matrix for this case is based on the partially premixed combustion (PPC) concept under different injection strategies (single, double and triple). Influence of injection and combustion processes on the in-cylinder flow are analyzed in terms of spatial and temporal evolution.

El desarrollo de nuevos y prometedores conceptos de combustión en motores de encendido por compresión ha venido de la mano con la entrada en vigor de más estrictas normas en materia de emisiones contaminantes, así como también la necesidad de motores más eficientes en términos de consumo de combustible. La mayoría de estos nuevos conceptos de combustión apuntan a combustiones a baja temperatura con dosados pobres que potencialmente puedan alcanzar niveles de emisiones y de consumo de combustibles más bajos comprados con la combustión diésel tradicional. Algunos de estos conceptos de combustión dependen especialmente de estrategias que permitan desacoplar los eventos de inyección y combustión, de tal manera que el final de la inyección ocurra antes que el inicio de la combustión. Bajo este escenario, la interacción entre la inyección de combustible y las estructuras del flujo dentro del cilindro adquiere mayor relevancia. El estudio de esta interacción puede ser un parámetro calve a la hora de mejorar la comprensión sobre algunos de los fenómenos (tales como la transferencia de calor) como una posible vía para alcanzar mejoras en el desempeño del motor. En este sentido, la velocimetría por imágenes de partículas (PIV), ha demostrado ser una técnica apropiada para la media del campo de velocidades dentro del cilindro. En este estudio se analizan dos conjuntos de datos PIV.

En primer lugar, se investiga la interacción entre el flujo y los chorros de combustible en una sección de medida normal al eje del cilindro de un diésel, óptico, motor monocilíndrico con bowl cilíndrico. La matriz de ensayos se basa en una inyección piloto avanzada respecto al punto muerto superior (PMS) de compresión. Este tipo de inyecciones es común en combustiones del tipo premixed charge compression ignition (PCCI). Como parte de la matriz de ensayos también se consideran variaciones del tiempo de energizado del inyector y de la presión de inyección. Este conjunto de datos permite el estudio de la interacción swirl-chorros que es de particular interés en motores de encendido por compresión en los que el swirl es una estructura de flujo dominante.

En segundo lugar, la interacción flujo-chorros es estudiada en una sección alineada con el eje del cilindro. En este caso el pistón tiene un bowl con geometría real. La matriz de ensayos está basada en el concepto de partially premixed combustion (PPC) usando diferentes estrategias de inyección (simple, doble y triple). La influencia de los procesos de inyección y combustión sobre el flujo interno del cilindro es analizada con resolución espacial y temporal.