Investigations of Diesel Sprays in Optical Engines - Liquid Fuel Penetration and Lift-Off Length

Abstract

Diesel engines are widely used as powertrain solutions for transportation vehicles. Their low fuel consumption and high performance make them attractive, however, their associated pollutant emissions is a major drawback which represent a hazard for public health and the environment.

Therefore, the concentrations of the major pollutant species are regulated.

Soot, which to a large extent consists of carbon particles emanating from the combustion process, is the most problematic emission for diesel engines.

Soot emissions result from two competing processes, the formation and the oxidation. Diesel jets burn as lifted diffusion flames. The lift-off length, which is the distance between the injector and the base of the flame, is an important characteristic of diesel jets since it is strongly connected to the soot formation rate. In this thesis, three studies are devoted to the characterization of the flame stabilization of diesel jets in an engine environment and in a high-pressure combustion vessel. A nonlinear regression model, based on a previous empirical correlation developed in a combustion vessel, is proposed to describe the lift-off length of diesel jets in a particular engine environment.

The novelty of this model, apart from being based on a systematic study of lift-off lengths in an engine environment, is the integration of two variables coupled to important engine specific features, the jet-jet and jet-flow interactions.

A fourth study compares the respective impacts of soot formation and soot oxidation on soot emissions in an engine. The efficiency of the soot oxidation process is found to have the dominating effect on soot emissions.



Upstream of the lift-off region, the penetration length of the liquid-phase fuel is another important characteristic of diesel sprays. This parameter is linked to the spray formation and to the fuel-air mixing and thereby to the entire combustion process.

Two studies on the liquid penetration of diesel jets are presented in the second part of this thesis. In the first one, an injection strategy to avoid wall-wetting of late post-injections used for the regeneration of diesel particulate filters is demonstrated. In the second study, the effect of jet-jet interactions on the liquid fuel penetration of diesel jets is investigated. The liquid fuel penetration length is increased with a reduction of the spacing between the jets.



In this thesis, optical engines are used to carry out the experimental investigations. In these engines, few metal parts are replaced with a transparent material such as quartz to obtain a visual access into the combustion chamber. High-speed imaging and laser-based diagnostics are combined to capture the time-evolution of the lift-off length and the transient liquid penetration of the fuel.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Dieselmotorn lanserades för mer än ett sekel sedan och är nu den mest använda motorn inom Europas transportsektor. Detta beror framför allt på dess låga bränsleförbrukning och höga effekt. Avgasutsläppen är dieselmotorns största nackdel eftersom dessa biprodukter från förbränningen har negativa effekter både på folkhälsan och miljön. Därför regleras utsläppen genom lagstiftning. De tillåtna utsläppsnivåerna sänks dramatisk vid varje nytt lagstiftningstillfälle, vilket driver motortillverkare att hitta nya teknologiska lösningar och samtidigt motorforskningen att förbättra förståelsen av de mekanismer som ligger bakom emissionsbildningen i cylindern.



Det mest problematiska utsläppet från dieselmotorer är sot, som till största delen består av kol. Sot bildas när bränslet förbränns med ett underskott av luft. Bränslets kolatomer kan då inte omvandlas till koldioxid (CO\textsubscript{2}) utan bildar istället kolpartiklar. Sotutsläppen är svåra att prediktera med de beräkningsverktyg (CFD) som idag används vid utveckling av förbränningssystem för dieselmotorer. En av de processer som är viktiga att förstå är flammans stabilisering på att visst avstånd från insprutaren (den så kallade lift-off längden eller ”lyfthöjden”). Den är central för sotbildningen i en brinnande dieseljet eftersom den bestämmer hur mycket luft som kan blandas med bränslet innan det antänds. Den bestämmer med andra ord hur stort luftunderskottet blir under förbränningen.



Lyfthöjden har främst studerats i spraykammare, där en ensam dieseljet sprutas in i en mycket stor volym luft. Studier i optiska motorer i Lund har visat att spraykammarresultat inte kan överföras direkt till motorer. Detta beror på att spraykammare inte återskapar en rad av de förhållanden som påverkar förbränningen i en motor. I motorn interagerar till exempel flera sprayer med varandra och med förbränningsrummets väggar. Idag finns alltså inget giltigt valideringsunderlag för CFD-modeller vad avser flammans stabilisering i motorer.



Den här avhandlingen består av två delar. Den första fokuserar på att beskriva lyfthöjden i motormiljö och den andra fokuserar på det vätskeformiga bränslets utbredning i förbränningsrummet. En experimentell databas över lyfthöjder har byggts upp från mätningar i en optisk motor, vilket är en motor som försetts med ”fönster” genom vilka förbränningsförloppet kan studeras. En rad parametrar varieras tillsammans med närheten mellan sprayerna och luftens flödesmönster i cylindern. Resultaten har sammanställts i en empirisk modell av lyfthöjden som kan användas för validerings- och kalibreringsunderlag av CFD-modeller. Bränslets kemiska egenskaper har också en effekt på lyfthöjden och sotbildningen. Därför studerades även flammans stabilisering med två ovanliga bränslen i en spraykammare. Syftet var dels att förstå flamstabiliseringsprocessen och dels att se om dessa bränslen kan användas i dieselmotorer.



Det mesta av det sot som bildas under förbränningen oxideras i cylindern innan avgasventilen öppnas. Därför är det viktigt att förstå hur oxidationsprocessen påverkar utsläppen. En korrelationsanalys av motordata bekräftar i den här avhandlingen att oxidationsprocessen är det viktigaste verktyget för att minska sotutsläppen. Det är dock fortfarande viktigt att förstå lyfthöjden och hur den påverkar sotbildningprocessen. Då utsläppen är skillnaden mellan den mängd sot som bildas och den mängd som oxideras, måste man ju ha kunskap om båda processerna för att kunna prediktera exakt hur stora utsläppen blir.



I andra delen av avhandlingen presenteras två studier om vätskans utbredning i bränslesprayerna. Den första är kopplad till ett praktiskt problem som uppstår när partikelfällan regenereras i en bil, det vill säga att de sotpartiklar som fastnat i fällan bränns ur. Speciella insprutningsstrategier används vid regenereringen och dessa gör det svårt att undvika att bränslet träffar cylinderväggen. I en optisk motor kan man direkt studera om bränslet förångas innan det når väggen. I detta fall kunde den optiska motorn användas för att ta fram en insprutningsstrategi som undviker väggvätning. Den sista delen av avhandlingen är en studie som beskriver hur interaktioner mellan sprayerna påverkar vätskans utbredning i sprayen, vilket inte har så stor praktisk betydelse men bidrar till den grundläggande förståelsen av de processer som styr spraybildningen.

• author: Lequien, Guillaume
• supervisor: Öivind Andersson
• opponent: Professor Naber, Jeffrey D., Michigan Technological University, USA
• organization: Combustion Engines
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Other Mechanical Engineering
• keywords: high-speed imaging, liquid penetration, lift-off length, soot, optical engine, Diesel sprays
• pages: 99 pages
• defense location: Room M:B, M-building, Ole Römers väg 1, Lund University Faculty of Engineering, LTH
• defense date: 2015-05-29 10:15:00
• ISBN: 978-91-7623-327-6
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 95ffa3d3-5a8f-44f2-ba20-ae26673f6537 (old id 5364752)
• date added to LUP: 2016-04-01 12:54:32
• date last changed: 2018-11-21 20:10:11