Study on Advanced Spray-Guided Gasoline Direct Injection Systems

Abstract

Resumen Los sistemas de inyección directa han sido uno de los principales puntos focales de la investigación en motores, particularmente en sistemas Diésel, donde la geometría interna, movimiento de aguja y comportamiento del flujo afectan el spray externo y por tanto determinan completamente el proceso de combustión dentro del motor. Debido a regulaciones medioambientales y al potencial de los (más ineficientes) motores "Otto", grandes esfuerzos se están aportando en investigación sobre sistemas de inyección directa de gasolina. Los motores GDi tienen el potencial de incrementar sustancialmente la economía de combustible y cumplir con las regulaciones de gases contaminantes y de efecto invernadero, aunque aún existen muchos desafíos por delante. Esta tesis estudia en detalle una moderna tobera GDi que fue específicamente diseñada para el grupo de investigación conocido como Engine Combustion Network (ECN). Con metodologías punteras, este inyector ha sido usado en un amplio abanico de instalaciones experimentales para caracterizar el flujo interno y varias características clave de geometría y funcionamiento, y aplicarlo para evaluar cómo se relaciona con los efectos observados del comportamiento del chorro externo. Para la caracterización interna del flujo, el objetivo ha sido determinar la geometría de la tobera y el desplazamiento de aguja, caracterizar la tasa de inyección y el flujo de cantidad de movimiento, y evaluar el flujo cercano. Algunas metodologías nunca antes habían sido empleadas en inyectores GDi, y muchas otras lo han sido solo eventualmente. Para la geometría interna, el levantamiento de aguja y el flujo cercano, varias técnicas avanzadas con rayos-x fueron aplicadas en las instalaciones de Argonne National Laboratory. Para la tasa de inyección y flujo de cantidad de movimiento, las técnicas disponibles en el departamento han sido adaptadas desde Diésel y aplicadas en inyectores GDi multiorificio. Dado lo novedoso de las técnicas aplicadas, las particularidades de las metodologías han sido discutidas en detalle en el documento. Aún con la elevada turbulencia del flujo interno, el inyector se comporta de forma consistente inyección a inyección, incluso cuando el estudio se centra en la variabilidad orificio a orificio. Esto ha sido atribuido al comportamiento repetitivo de la aguja, evaluado en los experimentos. También fue observado que el flujo estabilizado tiene una variación de alta frecuencia que no pude ser explicado por el movimiento de la aguja, sino por el particular diseño de las toberas. El análisis de geometría interna realizado a ocho toberas nominalmente iguales resultó en la obtención de un punto vista único en la construcción de toberas y la variabilidad de dimensiones clave. Las medidas de tasa de inyección permitieron estudiar la respuesta hidráulica del inyector a varias variables como la presión de inyección, presión de descarga, temperatura de combustible y la duración de la señal de comando. Estas medidas fueron combinadas con medidas de flujo de cantidad de movimiento para estudiar el bajo valor del coeficiente de descarga, el cual fue atribuido al bajo levantamiento de aguja y coeficiente L/D de los orificios. Por otro lado, el estudio del spray externo resultó en la identificación de un importante fenómeno específico a este particular hardware, el colapso del spray. Las extensivas campañas experimentales, utilizando Schlieren e iluminación trasera difusa (DBI) permitieron identificar y describir las características macroscópicas del spray y las condiciones bajo las que el colapso ocurre. El colapso del spray se forma por una combinación de interacción de las diferentes plumas (causado por el flujo interno) y determinadas condiciones ambiente que promueven evaporación y entrada de aire. Fue determinado que a niveles de densidad y temperatura moderados se desarrolla el colapso, modificando completamente el comportamiento espera

Abstract Fuel injection systems have been one of the main focal points of engine research, particularly in Diesel engines, where the internal geometry, needle lift and flow behavior are known to affect the external spray an in turn completely determine the combustion process inside engines. Because of environmental regulation and the potential development of the more inefficient Otto engines, a lot of research efforts are currently focused into gasoline direct injection systems. GDi engines have the potential to greatly increase fuel economy and comply with pollutant and greenhouse gases emissions limits, although many challenges still remain. The current thesis studies in detail a modern type of GDi nozzle that was specifically developed for the international research group known as the Engine Combustion Network (ECN). With the objective of employing state-of-the-art techniques, this hardware has been used in a wide range of experimental facilities in order to characterize the internal flow and several geometrical and constructive aspects like needle lift; and assess how it relates to the effects seen external spray. For the internal flow characterization, the goal was to determine the nozzle geometry and needle displacement, to characterize the rate of injection and rate of momentum, and evaluate the near-nozzle flow. Some methodologies applied here have never been applied to a GDi injector before, and many have only been applied rarely. For the internal geometry, needle lift and near-nozzle flow, several advanced x-rays techniques were used at Argonne National Laboratory. For the rate of injection and rate of momentum measurements, the techniques available in CMT-Motores Térmicos have been adapted from Diesel spray research and brought to multi-hole GDi injectors. Given the novelty of the techniques used, the particular methodologies and setups are discussed in detail. Despite the high turbulence of the flow, it was seen that the injector behaves consistently injection to injection, even when studying variation in individual holes. This is attributed to the repetitive behavior of the needle that was observed in the experiments. It was also observed that the stabilized flow has a high frequency variability that could not be explained by random movement of the needle, but rather by the particular design of the nozzle. The geometrical analysis done to eight, nominally equal nozzles, allowed a unique view into the construction of the nozzle and provided insights about the variability of key dimensions. The rate of injection measurements allowed to study the hydraulic response of the injector to the main variables like rail pressure, discharge pressure, fuel temperature and command signal duration. These measurements were combined with the rate of momentum measurements to study the low value of the discharge coefficient, that ultimately was attributed to the low needle lift and low L/D ratio of the orifices. On the other hand, the study of the external spray yielded the identification of very important phenomena specific to this particular hardware, the spray collapse. The extensive experimental campaigns featuring shadowgraph (Schlieren) and Diffused Back Illumination (DBI) visualization techniques allowed identifying and describing the macroscopic characteristics of the spray and the conditions under which the collapse occurs. The spray collapse engenders from a combination of the internal flow that creates plume interaction, and ambient conditions that promote air entrainment and evaporation. At moderate density and temperature levels the collapse develops, completely modifying the expected trends in the behavior of the plumes.

Resum Els sistemes d'injecció directa han sigut un dels principals punts focals de la investigació en motors, particularment en sistemes dièsel, en què la geometria interna, el moviment de l'agulla i el comportament del flux afecten l'esprai extern i per tant determinen completament el procés de combustió dins del motor. Degut a regulacions mediambientals i al potencial dels (més ineficients) motors "Otto", grans esforços s'estan aportant en investigació sobre sistemes d'injecció directa de gasolina. Els motors GDi tenen el potencial d'incrementar substancialment l'economia del combustible i complir les regulacions de gasos contaminants i d'efecte hivernacle, encara que existeixen molts desafiaments per davant. Esta tesi estudia en detall una moderna tovera GDi que va ser especialment dissenyada per al grup d'investigació conegut com a ECN. Amb l'objectiu de desenvolupar metodologies punteres, este injector ha sigut usat en un ampli ventall d'instal·lacions experimentals per tal de caracteritzar el flux intern i diverses característiques clau de la seua geometria i funcionament, per tal d'avaluar com es relacionen amb els efectes observats del comportament de l'esprai extern. Per a la caracterització interna del flux, l'objectiu ha sigut determinar la geometria de la tovera i el desplaçament de l'agulla, caracteritzar la taxa d'injecció i el flux de quantitat de moviment, i avaluar el flux proper. Algunes metodologies no s'havien empleat abans en injectors GDi, i moltes altres ho han sigut únicament de manera eventual. Per a la geometria interna, l'alçament de l'agulla i el flux proper, s'han aplicat diverses tècniques avançades amb raigsx a les instal·lacions d'Argonne National Laboratory. Per a la taxa d'injecció i el flux de quantitat de moviment, les tècniques disponibles al departament han sigut adaptades des de Dièsel i aplicades a injectors GDi multi-orifici. Considerant la novetat de les tècniques aplicades, les particularitats de les metodologies es discuteixen en detall al document. A pesar de l'elevada turbulència del flux intern, l'injector es comporta de manera consistent injecció a injecció, inclús quan l'estudi se centra en la variabilitat orifici a orifici. Aquest fet s'ha atribuït al comportament repetitiu de l'agulla, avaluat als experiments. També es va observar que el flux estabilitzat té una variació d'altra freqüència que no pot ser explicat pel moviment de l'agulla, sinó pel particular disseny de les toveres. L'anàlisi de la geometria interna realitzat a vuit toveres nominalment iguals va permetre obtenir un punt de vista únic en la construcció de toveres i la variabilitat de dimensions clau. Les mesures de taxa d'injecció van permetre estudiar la resposta hidràulica de l'injector a diverses variables com la pressió d'injecció, la pressió de descàrrega, la temperatura del combustible i la duració de la senyal de comandament. Estes mesures van ser combinades amb mesures de flux de quantitat de moviment per tal d'estudiar el baix valor del coeficient de descàrrega, el qual va ser atribuït al baix alçament de l'agulla i al coeficient L/D dels orificis. D'altra banda, l'estudi de l'esprai extern va permetre identificar un important fenomen específic d'aquest hardware particular: el col·lapse de l'esprai. Les extensives campanyes experimentals, utilitzant Schlieren i il·luminació darrera difusa (DBI) van permetre identificar i descriure les característiques macroscòpiques de l'esprai i les condicions sota les quals el col·lapse té lloc. El col·lapse de l'esprai es forma per una combinació d'interacció de les diverses plomes (causat pel flux intern) i determinades condicions ambient que promouen evaporació i entrada d'aire. Es va determinar a quins nivells de densitat i temperatura moderats es desenvolupa el col·lapse, modificant completament el comportament esperat de l'esprai.