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

Abstract

En lasúltimas 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 instalacionesópticas. 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 técnicasópticas.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 accesosópticos. En esta parte, se ha llevado a cabo en primer lugar la visualización del chorro para una inyecciónúnica 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 formac...

Macroscopic Parameters of Fuel Sprays Injected in an Optical Reciprocating Single-Cylinder Engine: An Approximation by Means of Visualization with Schlieren Technique

“…The fuel spray contour is determined by processing the images taken during the tests. Once the fuel spray contour is detected, the fuel spray area, penetration and cone angle are determined [ 26 , 27 , 28 , 29 ]. With these data, it is possible to estimate the fuel spray volume, the fuel spray surface with the surrounding air, and the injection and ignition delay.…”

An Optical Engine Used as a Physical Model for Studies of the Combustion Process Applying a Two-Color Pyrometry Technique

“…This kind of study allows investigators to compare the performance of different techniques for measuring soot. From such studies, it can be concluded that despite certain uncertainties under high soot conditions, the two-color pyrometry technique offers the advantages of high time and spatial resolution, as well as the possibility of developing maps of soot concentration and flame temperature, unlike other methods [43][44][45][46]. Moreover, of the techniques mentioned above, only two-color pyrometry can be applied using only one optical access.…”