Optical investigations on Diesel spray dynamics and in-flame soot formation

Abstract

En las últimas décadas ha avanzado mucho la comprensión científica sobre el proceso de combustión de los chorros diesel de inyección directa gracias al desarrollo de todo tipo de técnicas e instalaciones ópticas. Además, se han desarrollado y mejorado una gran cantidad de modelos de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), los cuales se usan para el desarrollo de motores altamente eficientes y con bajas emisiones. Sin embargo, debido a la complejidad de los procesos físicos y químicos involucrados en este proceso de combustión, así como a las limitaciones significativas de los experimentos, aún hay muchas cuestiones sin responder: ¿Cómo afecta la combustión a la dinámica del chorro? ¿Cómo cuantificar de forma efectiva la cantidad de hollín y la temperatura del mismo en la llama? ¿Cómo afecta el flujo del aire y las inyecciones partidas al desarrollo del chorro y a la formación de hollín en condiciones no quiescente? Para ayudar a resolver las preguntas planteadas, el objetivo de este trabajo se pone en investigar al dinámica del chorro y la formación de hollín de los chorros Diesel de inyección directa en condiciones quiescentes y no quiescentes por medio de diferentes técnicas ópticas.

El trabajo se ha dividido en dos bloques principales. El primero está centrado en el estudio de las modificaciones inducidas por la combustión en la dinámica del chorro, así como la caracterización de la formación de hollín en la llama, todo ello en condiciones quiescentes. Dichas condiciones son proporcionadas por una maqueta de flujo continuo a alta presión y temperatura. La expansión radial y axial del chorro reactivo se ha investigado usando n-dodecano, n-heptano y una mezcla binaria de combustibles primarios de referencia (80% n-heptano y 20% iso-octano en masa), basándose en una base de datos existente medida mediante visualización de schlieren. Se ha estudiado tanto el papel de las condiciones de operación como las propiedades del combustible. A continuación se ha desarrollado por primera vez una técnica combinada de extinción-radiación, aplicada a la medida de hollín en llamas diesel. Gracias a esta técnica, tanto la fracción volumétrica de hollín como la temperatura se obtuvieron simultáneamente considerando los efectos de la autoabsorción en la radiación. Todo este trabajo se ha desarrollado dentro del marco de actividades de la Engine Combustion Network (ECN).

El segundo bloque corresponde a la caracterización de la dinámica del chorro y de la formación de hollín en condiciones no quiescentes, que ocurren en la cámara de combustión de un motor monocilíndrico de dos tiempos con accesos ópticos. En esta parte, se ha llevado a cabo en primer lugar la visualización del chorro para una inyección única en condiciones no-reactivas y reactivas. Se han aplicado la visualización simultánea de schlieren y de la quimioluminiscencia del radical OH* para obtener la penetración del chorro y la longitud de despegue de la llama, mientras que la visualización de la extinción de ombroscopía difusa (DBI) se ha aplicado para cuantificar la formaciónde hollín. Los resultados se han comparado con los de la base de datos de la Engine Combustion Network antes mencionados, para estudiar los efectos del movimiento del aire inducido por el movimiento del pistón sobre el desarrollo del chorro y del hollín. Finalmente, se han usado diferentes estrategias de inyección partida para estudiar cómo la primera inyección afecta a los procesos de mezcla y a formación de hollín de la segunda, al cambiar el tiempo de separación entre ambos eventos de inyección o la cantidad inyectada en el primer pulso.

In recent decades, the scientific understanding of the combustion process of direct injection diesel spray has progressed a lot, thanks to the development of all kinds of optical facilities and techniques. In addition, a large amount of efficient and accurate Computational Fluid Dynamics (CFD) models, which are used for the design of highly efficient, low emission engines has been developed and improved. However, because of the complexity of the physical and chemical process involved in this combustion process, as well as significant experimental limitations and uncertainties, there are still a lot of remaining questions: How does combustion affect spray dynamics? How can in-flame soot amount and soot temperature be quantified effectively? How do the airflow and split-injection affect spray development and soot formation under non-quiescent conditions? To help solve these raised questions, the objective of this work is set to investigate the spray dynamics and soot formation process of direct injection diesel sprays under both quiescent and non-quiescent conditions by means of different optical techniques.

The work has been divided into two main blocks. The first one is focused on the study of combustion-induced modifications in spray dynamics, as well as the characterization of in-flame soot formation under quiescent conditions. The quiescent conditions are provided by a kind of high-temperature high-pressure constant flow vessel. The radial and axial reacting spray expansion were investigated using n-dodecane, n-heptane and one binary blend of Primary Reference Fuels (80% n-heptane and 20% iso-octane in mass) based on an existing database from Schlieren imaging technique. Both operating conditions and fuel properties on this combustion-induced expansion were studied. Next, a combined extinction-radiation technique was first developed and applied in diesel spray soot measurement. Thanks to this technique, both the in-flame soot volume fraction and temperature were obtained simultaneously by considering the self-absorption effect on radiation. All this work has been carried out within the framework of activities of the engine combustion network (ECN).

The second block corresponds to the characterization of spray dynamics and soot formation under non-quiescent conditions, which occur within the combustion chamber of a single-cylinder two-stroke optical engine. In this part, the spray visualization for single-injection under both non-reacting and reacting operating conditions was conducted first. Schlieren and OH * chemiluminescence were simultaneously applied to obtain the spray tip penetration and flame lift-off length, while the Diffuse Back Illumination (DBI) extinction imaging was applied to quantify the instantaneous soot formation. Results were compared with Engine Combustion Network database mentioned above to study the airflow effects induced by piston movement on spray and soot development. Finally, different split-injection strategies were used to study how the first injection affects the mixing and soot formation processes of the second one, by changing the dwell time between both injection events or the first injection quantity.

En les últimes dècades ha avançat molt la comprensió científica sobre el procés de combustió dels dolls dièsel d'injecció directa gràcies al desenvolupament de tot tipus de tècniques i instal·lacions òptiques. A més, s'han desenvolupat i millorat una gran quantitat de models de Dinàmica de Fluids Computacional (CFD), els quals s'usen per al desenvolupament de motors altament eficients i amb baixes emissions. No obstant açò, a causa de la complexitat dels processos físics i químics involucrats en aquest procés de combustió, així com de les limitacions significatives dels experiments, encara hi ha moltes qüestions sense respondre: Com afecta la combustió a la dinàmica del doll? Com quantificar de forma efectiva la quantitat de sutge i la temperatura del mateix en la flama? Com afecta el flux de l'aire i les injeccions partides al desenvolupament del doll i a la formació de sutge en condicions no quiescents? Per a ajudar a resoldre les preguntes plantejades, l'objectiu d'aquest treball es posa a investigar al dinàmica del doll i la formació de sutge dels dolls Dièsel d'injecció directa en condicions quiescents i no quiescents per mitjançant diferents tècniques òptiques.

El treball s'ha dividit en dos blocs principals. El primer està centrat en l'estudi de les modificacions induïdes per la combustió en la dinàmica del doll, així com la caracterització de la formació de sutge en la flama, tot açò en condicions quiescents. Aquestes condicions són proporcionades per una maqueta de flux continu a alta pressió i temperatura. L'expansió radial i axial del doll reactiu s'ha investigat usant n-dodecà, n-heptà i una mescla binària de combustibles primaris de referència (80% n-heptà i 20% iso-octà en massa), basant-se en una base de dades existent mesura mitjançant visualització de schlieren. S'ha estudiat tant el paper de les condicions d'operació com les propietats del combustible. A continuació s'ha desenvolupat per primera vegada una tècnica combinada d'extinció-radiació, aplicada a la mesura de sutge en flames dièsel. Gràcies a aquesta tècnica, tant la fracció volumètrica de sutge com la temperatura es van obtenir simultàniament considerant els efectes de l'autoabsorció en la radiació. Tot aquest treball s'ha desenvolupat dins del marc d'activitats de la Engine Combustion Network (ECN).

El segon bloc correspon a la caracterització de la dinàmica del doll i de la formació de sutge en condicions no quiescents, que ocorren en la cambra de combustió d'un motor monocilíndric de dos temps amb accessos òptics. En aquesta part, s'ha dut a terme en primer lloc la visualització del doll per a una injecció única en condicions no-reactives i reactives. S'han aplicat la visualització simultània de schlieren i de la quimioluminescència del radical OH* per a obtenir la penetració del doll i la longitud d'enlairament de la flama, mentre que la visualització de l'extinció d'ombroscopia difusa (DBI) s'ha aplicat per a quantificar la formaciónde sutge. Els resultats s'han comparat amb els de la base de dades de la Engine Combustion Network abans esmentats, per a estudiar els efectes del moviment de l'aire induït pel moviment del pistó sobre el desenvolupament del doll i del sutge. Finalment, s'han usat diferents estratègies d'injecció partida per a estudiar com la primera injecció afecta als processos de mescla i a formació de sutge de la segona, en canviar el temps de separació entre tots dos esdeveniments d'injecció o la quantitat injectada en el primer pols.