Estudio experimental y computacional del proceso de inyección diésel mediante un código CFD con malla adaptativa

Abstract

One of the main aspects in the development of modern diesel engines has been the direct injection systems, due to its influence in the atomization and evaporation processes. The study of all physical and chemical phenomena involved in the scarce milliseconds that the diesel injection last allows a better understanding of the injection. Therefore, it allows a better control of the combustion process (i.e. a higher energy efficiency and lower pollutant emissions).

Despite its relevance, there are however many uncertainties regarding the internal flow and the air-fuel mixing process, caused by the small size of the injector ducts, the high injection pressures (i.e. high velocities in the ducts) and the transient nature of the diesel injection influenced by the needle lift. Hence, the use of numerical simulations provides invaluable data to improve the knowledge of the process. Therefore, CFD (computational fluid dynamics) simulations are each day commoner.

In order to achieve the purpose of the present thesis, a comparative study of the injection process of three different diesel nozzles through a new CFD code, which simplifies the mesh creation and endows the simulation with the possibility of a dynamic mesh through the use of an AMR (adaptive mesh refinement) algorithm that refines the mesh where high gradients of the physical fields (velocity, concentration, etc.) exist, has been performed. This study has allowed to study the internal flow and diesel spray (in evaporative and non-evaporative conditions) and enlightened the relation between the nozzle geometry and the calibration parameters of the different sub-models used in the simulations (atomization, coalescence, evaporation, etc.).

The computational study shows a good agreement between the experimental data and the computational results, in particular for the transient internal flow study, where the AMR algorithm has allowed a run-time mesh generation and thus the study of the needle lift without a negative influence in the mesh quality. Furthermore, the computational study of the diesel spray through an eulerian-lagrangian approach with three different nozzle geometries arose the existing relation between the spray sub-models and the nozzle geometry, so that the spray calibration was generalized for every injection system (injector).

Los sistemas de inyección directa han sido uno de los aspectos principales en el desarrollo de los motores diésel actuales, debido a su influencia en los procesos de atomización y evaporación del combustible. El estudio de todos los fenómenos físicos y químicos que ocurren durante los pocos milisegundos que dura el proceso de inyección diésel contribuye a una mejor comprensión del mismo, y por tanto, un mejor control del proceso de combustión (i.e. mejora de la eficiencia energética y reducción de las emisiones contaminantes).

A pesar de su importancia, existen aún muchas incertidumbres respecto al flujo interno y al proceso de formación de la mezcla aire-combustible debido principalmente a la complejidad de su medida experimental, a causa de las pequeñas dimensiones de los orificios de los inyectores diésel, las altas presiones de inyección utilizadas (i.e. altas velocidades del combustible) y el comportamiento transitorio debido al movimiento de la aguja. Por ello, se recurre con cada vez más frecuencia al estudio computacional mediante simulaciones de CFD (computational fluid dynamics).

El objetivo de la tesis es el estudio comparativo del proceso de inyección de tres geometrías de toberas de inyector diferentes mediante un novedoso código de cálculo CFD con malla adaptativa utilizado para el estudio del flujo interno y del chorro diésel, en condiciones no evaporativas y evaporativas, y arrojar luz en la relación entre la geometría de las toberas y las constantes de calibración de los diferentes sub-modelos utilizados (atomización, coalescencia, evaporación, etc.) en la simulación. La particularidad de este código CFD y el motivo por el cuál se ha elegido para la presente tesis es la generación automática de la malla mediante el algoritmo de AMR (adaptive mesh refinement) presente en el propio código, refinando el mallado en aquellas zonas donde, debido a la presencia de importantes gradientes de velocidad, concentración, etc., se requiera mayor precisión.

Los resultados computacionales muestran un buen ajuste con los datos experimentales, especialmente en el caso del estudio transitorio del flujo interno, donde el algoritmo AMR ha permitido la generación dinámica de la malla y con ello el movimiento de la aguja del inyector sin afectar a la calidad de la misma. Además, el estudio computacional del chorro diésel mediante una aproximación euleriana-lagrangiana con tres geometría de toberas diferentes ha permitido generalizar la calibración de los modelos de chorros para cualquier sistema de inyección (inyector) al relacionar la variación de los parámetros de los modelos con las condiciones de inyección.

Els sistemes d'injecció directa han sigut un dels principals aspectes en el desenvolupament dels motors dièsel actuals, a causa de la seua influència en els processos d'atomització i evaporació del combustible. L'estudi de tots els fenòmens físics i químics que ocorren durant els pocs mil·lisegons que dura el procés d'injecció dièsel contribueix a un millor enteniment del mateix, i per tant, a un millor control del procés de combustió, una millora de la eficiència energètica i una reducció de les emissions contaminants.

Malgrat la seua importància, hi ha encara moltes incerteses respecte al flux intern i el procés de formació de la mescla aire-combustible degut principalment a la complexitat de la mesura experimental, a causa del les menudes dimensions dels orificis dels injectors dièsel, les altes pressions d'injecció empleades (i.e. altes velocitats del combustible) y el comportament transitori degut al moviment de l'agulla. Per això, es cada volta mes freqüent d'utilització de ferramentes computacionals com les simulacions CFD (computational fluid dynamics).

L'objectiu d'aquesta Tesi és l'estudi comparatiu del procés d'injecció de tres geometries de toveres d'injectors diferents mitjançant un innovador codi de càlcul CFD amb malla adaptativa utilitzat per al estudi del flux intern i de l'esprai dièsel, en condicions no evaporatives i evaporatives, i aclarir la relació entre la geometria de les toveres i les constants de calibratge dels diferents sub-models utilitzats (atomització, coalescència, evaporació, etc.) en la simulació. La particularitat d'aquest codi CFD i el motiu pel qual s'ha elegit per a la present Tesi es la generació automàtica de la malla mitjançant un algoritme AMR (\adaptive mesh refinement) present en el propi codi, el qual permet el refinat de la malla en aquelles regions que degut a la presencia d'importants gradients de velocitat, concentració, etc., es requereix major precisió.

Els resultats computacionals mostren un bon ajustament amb les dades experimentals, especialment per al cas del estudi transitori del flux intern, on el algoritme AMR ha permès la generació dinàmica de la malla i en conseqüència el moviment de l'agulla del injector sense afectar negativament la qualitat d'aquesta. A més, l'estudi computacional de l'esprai mitjançant una aproximació euleriana-lagrangiana amb tres geometries de toveres diferents ha permès generalitzar el calibratge dels models d'esprai per a qualsevol sistema d'injecció (injector) al relacionar la variació dels paràmetres dels models amb les condicions d'injecció.