In Diesel engines, the internal flow characteristics in the fuel injection nozzles, such as the turbulence level and distribution, the cavitation pattern and the velocity profile affect significantly the air-fuel mixture in the spray and subsequently the combustion process. Since the possibility to observe experimentally and measure the flow inside real size Diesel injectors is very limited, Computational Fluid Dynamics (CFD) calculations are generally used to obtain the relevant information. The work presented within this thesis is focused on the study of cavitation in real size automotive injectors by using a commercial CFD code. It is divided in three major phases, each corresponding to a different complementary objective. The first objective of the current work is to assess the ability of the cavitation model included in the CFD code to predict cavitating flow conditions. For this, the model is validated for an injector-like study case defined in the literature, and for which experimental data is available in different operating conditions, before and after the start of cavitation. Preliminary studies are performed to analyze the effects on the solution obtained of various numerical parameters of the cavitation model itself and of the solver, and to determine the adequate setup of the model. It may be concluded that overall the cavitation model is able to predict the onset and development of cavitation accurately. Indeed, there is satisfactory agreement between the experimental data of injection rate and choked flow conditions and the corresponding numerical solution.This study serves as the basis for the physical and numerical understanding of the problem. Next, using the model configuration obtained from the previous study, unsteady flow calculations are performed for real-size single and multi-hole sac type Diesel injectors, each one with two types of nozzles, tapered and cylindrical. The objective is to validate the model with real automotive cases and to ununderstand in what way some physical factors, such as geometry, operating conditions and needle position affect the inception of cavitation and its development in the nozzle holes. These calculations are made at full needle lift and for various values of injection pressure and back-pressure. The results obtained for injection rate, momentum flux and effective injection velocity at the exit of the nozzles are compared with available CMT-Motores Térmicos in-house experimental data. Also, the cavitation pattern inside the nozzle and its effect on the internal nozzle flow is analyzed. The model predicts with reasonable accuracy the effects of geometry and operating conditions. / Patouna, S. (2012). A CFD STUDY OF CAVITATION IN REAL SIZE DIESEL INJECTORS [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/14723 / Palancia

With increasing demands for lowering emissions from diesel engines, bio fuel has been introduced to the fuel mixture. This fuel is based on vegetable oil with a much smaller carbon footprint than fossil fuel. The chemical composition of bio fuel has lead to deposits forming inside the fuel injector in diesel engines, these deposits are usually denoted as Internal Diesel Injector Deposits (IDID). At Scania CV AB an injector test rig is designed with the goal of creating and investigating IDID. This project has made a theoretical investigation of how IDID are formed and how this affects the mechanics inside the injector. It has also analysed injector components from a worst case scenario perspective in order to find a testing method for creating IDID in the test rig. By analysing performance changes from a build-up perspective, where IDID decreases the tolerances inside the injector, as well as friction, formed when deposits cause injector mechanics to stick together, it has been found that injector performance does hardly change from build-up and that performance changes only occur when friction is introduced. From the injector component analysis it is found that the limiting factors in rig testing come from fuel system components rather than the injector itself. This is the base for a rig running test method presented.

Användningen av biobränslen har ökat för att minska utsläppen från fossila bränslen. Biobränslen kan dock leda till beläggningar inuti injektorn, vilka påverkar fordonets  körbarhet. Den mest trodda hypotesen bakom beläggningsbildningen är att förorening av motorolja i bränslesystemet leder till bildning av kalciumsulfatkristaller som mjuka partiklar fäster till. Dessutom påstås det att temperaturen har en signifikant påverkan på beläggningsbildningen. För att ställa om till mer förnyelsebara bränslen krävs mer förståelse bakom beläggningarnas mekanism. Därför var syftet med denna studie att undersöka mekanismen bakom interna injektorbeläggningar med en nydesignad rigg i laboratorieskala för att få en djupare förståelse av mekanismen, och i synnerhet rollen av kalciumsulfat och temperatur. Syftet uppnåddes genom att dela upp det experimentella arbetet i två delar:a) Köra riggen med testbränslen följt av analyser av de körda proverna med huvudsakligen SEM-EDX och FTIR, för att förstå rollen av temperatur och motorolja för beläggningarnas mekanism. b) Löslighetsstudier av kalciumsulfat för att förstå rollen av kalciumsulfat för beläggningarnas mekanism. Resultaten visade att den nydesignade testriggen fungerade bra med resultat som överensstämde med litteratur och erbjöd repeterbarhet. Därmed rekommenderas riggen för framtida studier av interna injektorbeläggningar. En djupare förståelse av mekanismen bakom interna injektorbeläggningar uppnåddes framgångsrikt. För första gången utfördes en FTIR och SEM-EDX studie över en temperaturgradient, vilket gjorde det möjligt att se starttemperaturen för olika reaktioner och identifiera beläggningar i olika temperaturintervall. Det visades att beläggningsbildningen var temperaturberoende med olika typer av beläggningar i olika temperaturintervall. Vid temperaturer under 100°C var zinksulfat och oreagerat metallkarboxylat de dominanta ämnena. Över 100°C ändrade metallkarboxylatet form och blev mer koncentrerat medan koncentrationen av zinksulfat minskade. Dessutom visades det att kalciumsulfat bildades i stor utsträckning när temperaturen översteg 100°C. Temperaturstudien och resultaten är unika och okända i litteraturen. Ostwald-mognad har föreslagits som en möjlig mekanism i litteraturen men visade sig vara osannolik. Upplösningen av kalciumsulfat av motoroljans additiv följt av utfällning i bränslet visade sig vara en mer sannolik mekanism. Det visades också att tvålbeläggningar främjade beläggningsbildning av kalciumsulfatkristaller, vilket överensstämmer med fältobservationer då de vanligtvis samexisterar. / The use of biofuels has increased to reduce the emissions from fossil fuels. However, the use of biofuels results in deposit formation inside the injector, which leads to issues with the drivability of the vehicle. The most believed hypothesis behind the deposit formation is that engine oil contamination in the fuel system leads to formation of calcium sulphate crystals that soft particles adhere to. Moreover, temperature is claimed to have a significant effect on the deposit formation. To ease the shift towards more renewable fuels, more understanding behind the deposit mechanism is needed. Therefore, this study aimed to investigate the mechanism behind internal injector deposits with a newly designed lab scale rig to get a deeper understanding of the mechanism, and especially the role of calcium sulphate and temperature. The aim was achieved by dividing the experimental work into two parts:a) Running the test-rig with test fuels followed by analyses of the samples with mainly SEM-EDX and FTIR, to understand the role of temperature, and engine oil for the deposit mechanism. b) Solubility studies of calcium sulphate to understand the role of calcium sulphate for the deposit mechanism. The results showed that the newly designed test rig worked well, where the results were consistent with literatureand offered repeatability. Thereby, the rig is recommended for future studies of internal injector deposits. A deeper understanding of the mechanism behind the internal injector deposits was successfully achieved. For the first time, a FTIR and SEM-EDX study was performed over a temperature gradient, which made it possible to see the onset temperature for different reactions and to identify deposits in different temperature ranges. It was showed that the deposit formation was temperature dependent with different types of deposits in different temperature ranges. At temperatures below 100°C, zinc sulphate and unreacted metal carboxylates were the dominant species. Above 100°C, the metal carboxylates changed form and became more concentrated while the concentration of zinc sulphate decreased. Moreover, calcium sulphate showed to be formed to a large extent when the temperature exceeded 100°C. The temperature study and results are unique and unknown in the literature. Ostwald ripening has been proposed as a possible mechanism in the literature but turned out to be unlikely. The dissolution of calcium sulphate by engine oil additives followed by precipitation in the fuel showed to be a more likely mechanism. It was also shown that soap deposits promoted the deposit formation of calcium sulphate crystals, which is in line with the field observations since they normally coexist.

[ES] La creciente aversión pública contra los motores de combustión interna ha llevado a un fuerte deseo de cambio hacia fuentes de energía renovables y más limpias. Sin embargo, todavía es difícil reemplazar los combustibles líquidos derivados del petróleo como fuente primaria de energía, principalmente debido a su gran disponibilidad, confiabilidad, y asequibilidad. Por lo tanto, la comunidad científica debe mantener los esfuerzos para aumentar la eficiencia de estos motores en beneficio de la sociedad. Con respecto a los motores diésel, una técnica implementada ha sido aumentar el número de orificios de salida del inyector y reducir sus diámetros, mejorando el proceso de mezcla aire/combustible. Sin embargo, a medida que aumenta el número de orificios en la boquilla, también aumenta la proximidad entre ellos, lo que lleva a una reducción en el espacio disponible para que cada chorro se desarrolle sin interactuar con los chorros adyacentes. Esta interacción podría afectar el evento de combustión y sus implicaciones no se han definido por completo. De esta manera, la presente tesis tuvo como objetivo analizar la influencia del espaciamiento entre chorros en el desarrollo de la inyección, y mejorar la metodología empleada en el instituto para estudiar el chorro en inyectores multi-orificios, teniendo en cuenta las interacciones entre chorros. Con este objetivo, Continental fabricó dos inyectores diésel idénticos excepto por la distribución geométrica de los orificios de salida de cada boquilla, ya que se destinaron específicamente a estudiar la influencia del espaciamiento entre chorros en el evento de inyección. Concretamente, el primer inyector permitió estudiar, durante el mismo evento de inyección, el desarrollo de un chorro aislado en un lado de la boquilla y, en la cara opuesta, cinco chorros con un espaciamiento entre ellos de 30°. Por otro lado, el segundo inyector tiene dos distribuciones de orificios adicionales, por lo que un total de tres configuraciones de espaciado entre chorros (30° - 36° - 45°) fueron comparadas con el rendimiento del chorro aislado (espaciado = 120°). Además, se probaron con éxito una nueva ventana óptica y un espejo de cerámica de alta temperatura. Con respecto al retraso de la ignición, los chorros con chorros vecinos tendieron a tener valores de retraso de la ignición iguales o ligeramente inferiores a los del chorro aislado en condiciones pobres de contorno (baja presión del raíl, temperatura, o densidad de la cámara). Por otro lado, el efecto contrario se observó al aumentar los valores de las condiciones de contorno, con valores de retraso de la ignición iguales o más altos para los chorros con chorros vecinos. No obstante, no se observó una tendencia clara, con interacciones complejas y múltiples factores afectando simultáneamente el evento de ignición. Sobre la longitud de levantamiento de llama, los resultados mostraron que al alcanzar cierta proximidad entre los chorros, la interacción entre ellos se convierte en un factor predominante en su comportamiento, y dicha longitud se reduce considerablemente. Por otro lado, a medida que aumentaba el espaciado entre chorros, la longitud se aproximaba gradualmente a la obtenida con el chorro aislado. En cuanto a la formación de hollín, los chorros con menor espaciado con sus chorros vecinos (30° y 36°) generalmente tuvieron mayor espesor óptico KL y valores máximos de masa de hollín para una condición de contorno dada, en comparación con el desarrollo del chorro aislado. Estas tendencias están en línea con los resultados de la longitud de levantamiento de llama observados, en los que los chorros estrechamente espaciados tuevieron una longitud más corta debido (posiblemente) al englobamiento de gases calientes. Esta reducción deterioraría el proceso de mezcla de aire/combustible y, en consecuencia, la combustión ocurriría en condiciones de mezcla más ricas que son propicias para la formación de hollín. / [CA] La creixent aversió pública contra els motors de combustió interna ha portat a un fort desig de canvi cap a fonts d'energia renovables i més netes. Tot i aixó, encara és difícil substituir els combustibles líquids derivats del petroli com a font primària d'energia, principalment per la seva gran disponibilitat, seguretat, i assequibilitat. Per tant, la comunitat científica ha de mantenir la investigació per tal d'augmentar l'eficiència d'aquests motors en benefici de la societat. Pel que fa als motors dièsel, una tècnica implementada ha estat augmentar el nombre d'orificis de sortida de l'injector i reduir els seus diàmetres, millorant el procés de barreja aire/combustible. No obstant això, a mesura que augmenta el nombre d'orificis a la tovera, també augmenta la proximitat entre ells, fet que porta a una reducció a l'espai disponible perquè cada raig es desenvolupi sense interactuar amb els dolls adjacents. Aquesta interacció podria afectar l'esdeveniment de la combustió i les seves implicacions no s'han definit del tot. D'aquesta manera, aquesta tesi va tenir com a objectiu analitzar la influència de l'espaiament entre dolls en el desenvolupament de la injecció, i millorar la metodologia emprada a l'institut per a estudiar els esdeveniments d'injecció d'injectors de múltiples orificis, tenint en compte les interaccions entre dolls. Amb aquest objectiu, Continental va fabricar dos injectors dièsel amb idèntic disseny intern excepte per la distribució geomètrica dels orificis de sortida de cada tovera, ja que es van destinar específicament a estudiar la influència de l'espaiament entre dolls a l'esdeveniment d'injecció. Concretament, el primer injector va permetre estudiar, durant el mateix esdeveniment d'injecció, el desenvolupament d'un raig solitari en un costat del tovera i, a la cara oposada, cinc raigs amb un espai entre ells de 30°. D'altra banda, el segon injector té dues distribucions d'orificis addicionals, aconseguint que un total de tres configuracions d'espaiat entre dolls (30°-36°-45°) es compararen amb el rendiment del raig solitari (espaiat = 120°). A més, es van provar amb èxit una nova finestra òptica i un mirall de ceràmica d'alta temperatura. Pel que fa al retard de la ignició, els dolls amb dolls adjacents van tendir a tenir valors de retard de la ignició iguals o lleugerament inferiors als del raig solitari en condicions pobres de contorn (baixa pressió del rail, temperatura, o densitat de la càmera). D'altra banda, l'efecte contrari es va observar augmentant els valors de les condicions de contorn, amb valors de retard de la ignició iguals o més alts per als dolls amb dolls adjacents. Tot i això, no es va apreciar un efecte constant, amb interaccions complexes i múltiples factors afectant simultàniament l'esdeveniment d'ignició. Sobre la longitud d'aixecament de flama, els resultats van mostrar que en assolir certa proximitat entre els dolls, la interacció entre ells es converteix en un factor predominant en el seu comportament, reduint-se considerablement aquesta longitud. D'altra banda, a mesura que augmentava l'espaiat entre dolls, la longitud s'aproximava gradualment a l'obtinguda amb el raig solitari. Quant a la formació de sutge, els raigs amb menor espaiat amb els seus raigs adjacents (30° i 36°) generalment van tenir més gruix òptic KL i valors màxims de massa de sutge per a una condició de contorn donada, en comparació amb el desenvolupament del raig solitari. Aquestes tendències estan aliniades amb els resultats de la longitud d'aixecament de flama observats, en què els dolls estretament espaiats van tenir una longitud més curta degut (possiblement) a l'englobament de gasos calents. Aquesta reducció deterioraria el procés de barreja d'aire/combustible i, en per tant, la combustió ocorreria en condicions de mescla més riques que són propícies per a la formació de sutge. / [EN] The growing public aversion to internal combustion engines has led to a strong desire to shift towards renewable and cleaner energy sources. However, it is still hard to replace petroleum-derived liquid fuels as the primary energy source, mainly due to their plenty of availability, reliability, and affordability. Then, efforts have to come from the research community to increase the efficiency of these engines for the benefit of society. Regarding diesel engines, one implemented technique has been to increase the number of outlet holes of the injector and reduce their diameters, enhancing the air/fuel mixing process. Nevertheless, as the number of holes in the nozzle increases, so does the proximity between them, leading to a reduction in the space available for each jet to develop without interacting with the neighbor sprays. This interaction could affect the combustion event, and its implications have not been entirely defined. Thus, the present thesis aimed to analyze the influence of inter-jet spacing on the injection development and enhance the methodology employed in the institute to study injection events of multi-holes injectors, accounting for the interactions between jets. To this end, two diesel injectors with six outlet orifices were manufactured by Continental with identical design, except for the geometric distribution of the outlet holes of each nozzle, as they were specifically allocated to study the influence of inter-jet spacing on the injection event. Concretely, the first injector allowed the study of the development of an isolated spray on one side and a spray with an inter-jet spacing of 30° on the other side during the same injection event. Moreover, the second injector has two additional orifices distributions, so a total of three inter-jet spacing configurations (30°- 36° - 45°) were compared to the performance of the isolated spray (spacing = 120°). Additionally, a novel optical window and high-temperature ceramic mirror were successfully tested. Regarding the ignition delay, sprays with neighbor jets tended to have equal or slightly smaller ignition delay values under poor mixing and ignition conditions (low rail pressure, chamber temperature, or chamber density conditions). On the other hand, the opposite effect was generally observed as the boundary conditions were overall increased, with equal or higher ignition delay values within sprays with neighbor jets, compared to that of the isolated spray. Nonetheless, no clear trend was defined, with complex interactions and multiple factors simultaneously affecting the ignition event. On the lift-off length, the results showed that after certain proximity between sprays is reached, the interaction between the jets becomes a predominant factor in their behavior, and the lift-off length is considerably reduced. Moreover, as the inter-jet spacing increases, the performance gradually approaches that obtained from the isolated spray. Respecting the soot formation, the sprays with closely spaced neighbor jets (30° and 36°) generally had higher optical thickness KL and peak soot mass values for a given boundary condition when compared to the development of the isolated spray. These trends are in line with the lift-off length results observed, in which the closely spaced jets had a shorter lift-off length due to (plausibly) hot gases re-entrainment. This shortening would deteriorate the air/fuel mixing process and, consequently, combustion happens in richer mixture conditions that are suitable for soot formation. / I want to express my gratitude to Generalitat Valenciana and European Social Fund for the financial support provided through the research grant (ACIF/2018/122) / Montiel Prieto, TE. (2022). Influence of Inter-Jet Spacing on the Diesel Spray Formation and Combustion [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181608 / TESIS