No description available.

Various sub models of a multi-zone phenomenological model are developed by incorporating Dec’s conceptual model and Siebers’ mixing limited theory and validated with experiments. The spray penetration model, liquid length model and lift-off length model are verified with experiment data. The ignition delay model is then validated with experiment data at different injection timings and loads. The air entrainment model is based on Siebers’ jet theory. Sub models for the premixed heat release rate and diffusion burn rate are also included. The overall phenomenological model is at first used to match the motoring pressure curve. The important sub models are well validated independently and the phenomenological model is useful in simulating diesel spray combustion. Future work is needed to integrate these sub models and to resolve existing issues in temperature profiles of the preparing zone and liquid zone.

No description available.

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. / Xuan, T. (2017). Optical investigations on Diesel spray dynamics and in-flame soot formation [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/94626 / TESIS

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第22552号 / エネ博第403号 / 新制||エネ||77(附属図書館) / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー変換科学専攻 / (主査)教授 石山 拓二, 教授 川那辺 洋, 教授 今谷 勝次 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DGAM

[EN] The main objective of this work is the modeling of diesel sprays under engine conditions, including the atomization, transport and evaporation processes pivotal in the diesel spray formation and its development. For this purpose, an Eulerian single fluid model, embedded in a RANS environment, is implemented in the CFD platform OpenFOAM. The modeling approach implemented here is based on the ⅀-Y model. The model is founded on the assumption of flow scales separation. In actual injection systems, it can be assumed that the flow exiting the nozzle is operating at large Reynolds and Weber numbers and thus, it is possible to assume a separation of features such as mass transport (large scales) from the atomization process occurring at smaller scales. The liquid/gas mixture is treated as a pseudo-fluid with variable density and which flows with a single velocity field. Moreover, the mean geometry of the liquid structures can be characterized by modeling the mean surface area of the liquid-gas interphase per unit of volume. Additionally, an evaporation model has been developed around the particular characteristics of the current engine technologies. This means that vaporization process is limited by fuel-air mixing rate and fuel droplets evaporate as long as there is enough air for them to heat up and vaporize. Consequently, the evaporation model is based on the Locally Homogeneous Flow (LHF) approach. Under the assumption of an adiabatic mixing, in the liquid/vapor region, the spray is supposed to have a trend towards adiabatic saturation conditions and to determine this equilibrium between phases Raoult's ideal law is considered. Finally, the spray model is coupled with an advanced combustion model based on approximated diffusion flames (ADF), which reduces the computational effort especially for complex fuels and is a natural step for modeling diesel sprays. First, the model is applied to a basic external flow case under non-vaporizing conditions, extremely convenient due to both the experimental database available and the symmetric layout which allows important simplification of the modeling effort. Good agreement between computational results and experimental data is observed, which encourages its application to a more complex configuration. Secondly, the model is applied to the "Spray A" from the Engine Combustion Network (ECN), under non-vaporizing conditions, in order to reproduce the internal structure of diesel sprays as well as to produce accurate predictions of SMD droplets sizes. Finally, vaporizing "Spray A" studies are conducted together with the baseline reacting condition of this database. The calculated spray penetration, liquid length, spray velocities, ignition delay and lift-off length are compared with experimental data and analysed in detail. / [ES] El objetivo principal de este trabajo es el modelado de chorros diésel en condiciones de motor, incluyendo los fenómenos de atomización, transporte y evaporación fundamentales en la formación y desarrollo del chorro. Para este fin, se implementa un modelo de spray euleriano de tipo monofluido en un entorno RANS en la plataforma CFD OpenFOAM. El enfoque de modelado aplicado aquí sigue la idea de un modelo del tipo ⅀-Y. El modelo se fundamenta en la hipótesis de separación de escalas del flujo. En los sistemas de inyección actuales, es posible asumir que el flujo que sale de la tobera opera a altos números de Reynolds y Webber y por tanto, es posible considerar la independencia de fenómenos como el transporte de masa (grandes escalas del flujo) de los procesos de atomización que ocurren a escalas menores. La mezcla líquido/gas se trata como un pseudo-fluido con densidad variable y que fluye según un único campo de velocidad. Además, la geometría promedio de las estructuras de líquido se puede caracterizar mediante el modelado de la superficie de la interfase líquido/gas por unidad de volumen. Completando el modelo de chorro, se ha desarrollado un modelo de evaporación alrededor de las características particulares de las tecnologías actuales de los motores. Esto supone que el proceso de evaporación está controlado por mezcla aire-combustible y las gotas de combustible se evaporan siempre que exista suficiente aire para calentarlas y evaporarlas. Debido a esto, el modelo de evaporación implementado está basado en el enfoque de Flujos Localmente Homogéneos (LHF). Considerando una mezcla adiabática, en la región líquido/vapor, se supone que el chorro tiende a las condiciones adiabáticas de saturación y para determinar este equilibrio entre fases, se utiliza la ley ideal de Raoult. Finalmente, el modelo de chorro se acopla con un modelo avanzado de combustión basado en llamas de difusión aproximadas (ADF), que reduce el coste computacional especialmente para combustibles complejos y supone el paso lógico en el desarrollo del modelo para simular chorros diesel. En primer lugar, el modelo se aplica al cálculo de un caso básico de flujo externo no evaporativo, muy adecuado tanto por la extensa base de datos experimentales disponible como por la simetría geométrica que presenta, permitiendo una importante simplificación de la simulación. Los resultados obtenidos presentan un buen acuerdo con los experimentos, lo cual estimula su aplicación en configuraciones más complejas. En segundo lugar, el modelo se aplica al cálculo del "Spray A" del Engine Combustion Network (ECN), no evaporativo, para reproducir la estructura interna del chorro diesel así como predecir tamaños de gota (SMD) de forma precisa. Finalmente, se realizan estudios evaporativos del "Spray A" junto con la condición nominal reactiva de esta base de datos. La penetración de vapor, la longitud líquida, velocidad, el tiempo de retraso y la longitud de despegue de llama calculados se comparan con los datos experimentales y se analizan en detalle. / [CAT] L'objectiu principal d'aquest treball és el modelatge de dolls dièsel en condicions de motor, incloent els fenòmens d'atomització, transport i evaporació fonamentals en la formació i desenvolupament del doll. Amb aquesta finalitat, s'implementa un model de doll eulerià de tipus monofluid en un entorn RANS a la plataforma CFD OpenFOAM. L'enfocament de modelatge aplicat ací segueix la idea d'un model del tipus ⅀-Y. El model es fonamenta en la hipòtesi de separació d'escales del flux. En els sistemes d'injecció actuals, és possible assumir que el flux que surt de la tovera opera a alts nombres de Reynolds i Webber, i per tant és possible considerar la independència de fenòmens com el transport de massa (grans escales del flux) dels processos d'atomització que ocorren a escales menors. La mescla líquid / gas es tracta com un pseudo-fluid amb densitat variable i que flueix segons un únic camp de velocitat. A més, la geometria mitjana de les estructures de líquid es pot caracteritzar mitjançant el modelatge de la superfície de la interfase líquid / gas per unitat de volum. Completant el model, s'ha desenvolupat un model d'evaporació al voltant de les característiques particulars de les tecnologies actuals dels motors. Això suposa que el procés d'evaporació està controlat per la mescla aire-combustible i les gotes de combustible s'evaporen sempre que hi hagi suficient aire per escalfar i evaporar. A causa d'això, el model d'evaporació implementat està basat en el plantejament de fluxos Localment Homogenis (LHF). Considerant una mescla adiabàtica, a la regió líquid / vapor, se suposa que el doll tendeix a les condicions adiabàtiques de saturació i per determinar aquest equilibri entre fases, s'utilitza la llei ideal de Raoult. Finalment, el model de doll s'acobla amb un model avançat de combustió basat en flamelets de difusió aproximades (ADF), que redueix el cost computacional especialment per a combustibles complexos i suposa el pas lògic en el desenvolupament del model per simular dolls dièsel. En primer lloc, el model s'aplica al càlcul d'un cas bàsic de flux extern no evaporatiu, molt adequat tant per l'extensa base de dades experimentals disponible com per la simetria geomètrica que presenta, permetent una important simplificació de la simulació. Els resultats obtinguts presenten un bon acord amb els experiments, la qual cosa estimula la seva aplicació en configuracions més complexes. En segon lloc, el model s'aplica al càlcul del "Spray A" no evaporatiu de la xarxa Engine Combustion Network (ECN), per reproduir l'estructura interna del doll dièsel així com predir mides de gota (SMD) de forma precisa. Finalment, es realitzen estudis evaporatius del "Spray A" juntament amb la condició nominal reactiva d'aquesta base de dades. La penetració de vapor, la longitud líquida, velocitat, el temps de retard i la longitud d'enlairament de flama calculats es comparen amb les dades experimentals i s'analitzen en detall. / Pandal Blanco, A. (2016). Implementation and Development of an Eulerian Spray Model for CFD simulations of diesel Sprays [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/68490 / TESIS

One of the main aspects in the development of modern diesel engines has been the direct injection systems, due to its influence in the atomization and evaporation processes. The study of all physical and chemical phenomena involved in the scarce milliseconds that the diesel injection last allows a better understanding of the injection. Therefore, it allows a better control of the combustion process (i.e. a higher energy efficiency and lower pollutant emissions). Despite its relevance, there are however many uncertainties regarding the internal flow and the air-fuel mixing process, caused by the small size of the injector ducts, the high injection pressures (i.e. high velocities in the ducts) and the transient nature of the diesel injection influenced by the needle lift. Hence, the use of numerical simulations provides invaluable data to improve the knowledge of the process. Therefore, CFD (computational fluid dynamics) simulations are each day commoner. In order to achieve the purpose of the present thesis, a comparative study of the injection process of three different diesel nozzles through a new CFD code, which simplifies the mesh creation and endows the simulation with the possibility of a dynamic mesh through the use of an AMR (adaptive mesh refinement) algorithm that refines the mesh where high gradients of the physical fields (velocity, concentration, etc.) exist, has been performed. This study has allowed to study the internal flow and diesel spray (in evaporative and non-evaporative conditions) and enlightened the relation between the nozzle geometry and the calibration parameters of the different sub-models used in the simulations (atomization, coalescence, evaporation, etc.). The computational study shows a good agreement between the experimental data and the computational results, in particular for the transient internal flow study, where the AMR algorithm has allowed a run-time mesh generation and thus the study of the needle lift without a negative influence in the mesh quality. Furthermore, the computational study of the diesel spray through an eulerian-lagrangian approach with three different nozzle geometries arose the existing relation between the spray sub-models and the nozzle geometry, so that the spray calibration was generalized for every injection system (injector). / Los sistemas de inyección directa han sido uno de los aspectos principales en el desarrollo de los motores diésel actuales, debido a su influencia en los procesos de atomización y evaporación del combustible. El estudio de todos los fenómenos físicos y químicos que ocurren durante los pocos milisegundos que dura el proceso de inyección diésel contribuye a una mejor comprensión del mismo, y por tanto, un mejor control del proceso de combustión (i.e. mejora de la eficiencia energética y reducción de las emisiones contaminantes). A pesar de su importancia, existen aún muchas incertidumbres respecto al flujo interno y al proceso de formación de la mezcla aire-combustible debido principalmente a la complejidad de su medida experimental, a causa de las pequeñas dimensiones de los orificios de los inyectores diésel, las altas presiones de inyección utilizadas (i.e. altas velocidades del combustible) y el comportamiento transitorio debido al movimiento de la aguja. Por ello, se recurre con cada vez más frecuencia al estudio computacional mediante simulaciones de CFD (computational fluid dynamics). El objetivo de la tesis es el estudio comparativo del proceso de inyección de tres geometrías de toberas de inyector diferentes mediante un novedoso código de cálculo CFD con malla adaptativa utilizado para el estudio del flujo interno y del chorro diésel, en condiciones no evaporativas y evaporativas, y arrojar luz en la relación entre la geometría de las toberas y las constantes de calibración de los diferentes sub-modelos utilizados (atomización, coalescencia, evaporación, etc.) en la simulación. La particularidad de este código CFD y el motivo por el cuál se ha elegido para la presente tesis es la generación automática de la malla mediante el algoritmo de AMR (adaptive mesh refinement) presente en el propio código, refinando el mallado en aquellas zonas donde, debido a la presencia de importantes gradientes de velocidad, concentración, etc., se requiera mayor precisión. Los resultados computacionales muestran un buen ajuste con los datos experimentales, especialmente en el caso del estudio transitorio del flujo interno, donde el algoritmo AMR ha permitido la generación dinámica de la malla y con ello el movimiento de la aguja del inyector sin afectar a la calidad de la misma. Además, el estudio computacional del chorro diésel mediante una aproximación euleriana-lagrangiana con tres geometría de toberas diferentes ha permitido generalizar la calibración de los modelos de chorros para cualquier sistema de inyección (inyector) al relacionar la variación de los parámetros de los modelos con las condiciones de inyección. / Els sistemes d'injecció directa han sigut un dels principals aspectes en el desenvolupament dels motors dièsel actuals, a causa de la seua influència en els processos d'atomització i evaporació del combustible. L'estudi de tots els fenòmens físics i químics que ocorren durant els pocs mil·lisegons que dura el procés d'injecció dièsel contribueix a un millor enteniment del mateix, i per tant, a un millor control del procés de combustió, una millora de la eficiència energètica i una reducció de les emissions contaminants. Malgrat la seua importància, hi ha encara moltes incerteses respecte al flux intern i el procés de formació de la mescla aire-combustible degut principalment a la complexitat de la mesura experimental, a causa del les menudes dimensions dels orificis dels injectors dièsel, les altes pressions d'injecció empleades (i.e. altes velocitats del combustible) y el comportament transitori degut al moviment de l'agulla. Per això, es cada volta mes freqüent d'utilització de ferramentes computacionals com les simulacions CFD (computational fluid dynamics). L'objectiu d'aquesta Tesi és l'estudi comparatiu del procés d'injecció de tres geometries de toveres d'injectors diferents mitjançant un innovador codi de càlcul CFD amb malla adaptativa utilitzat per al estudi del flux intern i de l'esprai dièsel, en condicions no evaporatives i evaporatives, i aclarir la relació entre la geometria de les toveres i les constants de calibratge dels diferents sub-models utilitzats (atomització, coalescència, evaporació, etc.) en la simulació. La particularitat d'aquest codi CFD i el motiu pel qual s'ha elegit per a la present Tesi es la generació automàtica de la malla mitjançant un algoritme AMR (\adaptive mesh refinement) present en el propi codi, el qual permet el refinat de la malla en aquelles regions que degut a la presencia d'importants gradients de velocitat, concentració, etc., es requereix major precisió. Els resultats computacionals mostren un bon ajustament amb les dades experimentals, especialment per al cas del estudi transitori del flux intern, on el algoritme AMR ha permès la generació dinàmica de la malla i en conseqüència el moviment de l'agulla del injector sense afectar negativament la qualitat d'aquesta. A més, l'estudi computacional de l'esprai mitjançant una aproximació euleriana-lagrangiana amb tres geometries de toveres diferents ha permès generalitzar el calibratge dels models d'esprai per a qualsevol sistema d'injecció (injector) al relacionar la variació dels paràmetres dels models amb les condicions d'injecció. / Jaramillo Císcar, D. (2017). Estudio experimental y computacional del proceso de inyección diésel mediante un código CFD con malla adaptativa [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/92183 / TESIS

A diesel fuel injector has been modified to allow rotationaround its axis, driven by an electric motor. Injections at upto 6000 rpm from the rotating injector have been investigatedunder the influence of air swirl on one optical research engineand one optically accessible heavy-duty diesel engine. The experiments show that changing from a normal, staticinjection to a sweeping injection has profound effects on sprayformation, dispersion and penetration. This influences thefuel/air-mixing, autoignition, combustion rate and emissionsformation. The spray propagation is stronger influenced byinjector rotation than by air swirl. The air entrainment into the spray increases forcounter-swirl rotation of the injector and this speeds up thevaporization and decreases the formation of soot. In addition,the oxidation of soot is enhanced since the counter-swirlinjection forces the intense fuel-rich and soot containingspray core to penetrate into fresh air instead of replenishingthe rich regions in the head of the spray. Fuel accumulationalong the piston bowl wall decreases as an effect of thereduced penetration with counter-swirl injection. Altogether,this decreases the smoke emissions for low and intermediateengine loads. For the combustion system studied, counter-swirl rotation ofthe injector cannot decrease the smoke emissions at high engineload since the reduced spray penetration impairs the airutilization. Fast and efficient combustion at high loadrequires spray induced flame spread out into the squish region.Spray induced flow of cool fresh air from the bottom of thepiston bowl in towards the injector is also important for lowsoot formation rates. Co-swirl rotation of the injector reduces the airentrainment into the spray and increases the soot formation.The increased smoke and CO emissions with co-swirl injectionare also attributed to the excessively large fuel-rich regionsbuilt up against the piston bowl wall. Increased air swirl generally reduces smoke and COemissions. This is mainly an effect of enhanced burnout due tomore intense mixing after the end of fuel injection. Changes in smoke as an effect of injector rotation aregenerally accompanied with opposite, but relatively small,changes in NO. Fast and efficient burnout is important for lowsmoke emissions and this raises both the temperature andproduction of NO. NO production is strongly influenced by thein-cylinder conditions during the latter part of themixing-controlled combustion and in the beginning of theburnout. <b>Keywords:</b>diesel spray combustion, rotating injector,air swirl, air/fuel-mixing, soot, NO, CO, flame visualization,Chemkin modeling, soot deposition

<p>A diesel fuel injector has been modified to allow rotationaround its axis, driven by an electric motor. Injections at upto 6000 rpm from the rotating injector have been investigatedunder the influence of air swirl on one optical research engineand one optically accessible heavy-duty diesel engine.</p><p>The experiments show that changing from a normal, staticinjection to a sweeping injection has profound effects on sprayformation, dispersion and penetration. This influences thefuel/air-mixing, autoignition, combustion rate and emissionsformation. The spray propagation is stronger influenced byinjector rotation than by air swirl.</p><p>The air entrainment into the spray increases forcounter-swirl rotation of the injector and this speeds up thevaporization and decreases the formation of soot. In addition,the oxidation of soot is enhanced since the counter-swirlinjection forces the intense fuel-rich and soot containingspray core to penetrate into fresh air instead of replenishingthe rich regions in the head of the spray. Fuel accumulationalong the piston bowl wall decreases as an effect of thereduced penetration with counter-swirl injection. Altogether,this decreases the smoke emissions for low and intermediateengine loads.</p><p>For the combustion system studied, counter-swirl rotation ofthe injector cannot decrease the smoke emissions at high engineload since the reduced spray penetration impairs the airutilization. Fast and efficient combustion at high loadrequires spray induced flame spread out into the squish region.Spray induced flow of cool fresh air from the bottom of thepiston bowl in towards the injector is also important for lowsoot formation rates.</p><p>Co-swirl rotation of the injector reduces the airentrainment into the spray and increases the soot formation.The increased smoke and CO emissions with co-swirl injectionare also attributed to the excessively large fuel-rich regionsbuilt up against the piston bowl wall.</p><p>Increased air swirl generally reduces smoke and COemissions. This is mainly an effect of enhanced burnout due tomore intense mixing after the end of fuel injection.</p><p>Changes in smoke as an effect of injector rotation aregenerally accompanied with opposite, but relatively small,changes in NO. Fast and efficient burnout is important for lowsmoke emissions and this raises both the temperature andproduction of NO. NO production is strongly influenced by thein-cylinder conditions during the latter part of themixing-controlled combustion and in the beginning of theburnout.</p><p><b>Keywords:</b>diesel spray combustion, rotating injector,air swirl, air/fuel-mixing, soot, NO, CO, flame visualization,Chemkin modeling, soot deposition</p>

Les moteurs diesel sont largement utilisés pour la propulsion automobile, grâce à leur rendement élevé. Les émissions polluantes les plus importantes des moteurs diesel sont les NOx et les particules (en combustion Dieselconventionnelle). Il est difficile de réduire et contrôler ces émissions parce que la diminution d’un polluant entraine l’augmentation de l’autre. Une voie est la combustion Diesel LTC (Combustion à basse température) qui peut réduireces deux polluants, mais d’autres polluants apparaissent alors, comme CO et HC. Une façon d’arriver à desconditions LTC est l’utilisation de l’injection multiple (pilote/main, split injection, etc.). La caractérisation de cesinjections multiples est particulièrement complexe, en raison des interactions entre les différentes injections.Cette thèse a pour but de réaliser un modèle 1D de spray qui peut simuler l’injection multiple et la combustioncorrespondante dans un moteur diesel de type automobile, suite à la thèse de G. Ma soutenue au LHEEA en 2013,qui a développé un modèle de combustion basé sur le modèle de spray 1D eulérien de Musculus et Kattke (sprayinerte). Une comparaison de ce modèle avec un modèle lagrangien (Hiroyasu, Poetsch), qui a un traitement pseudo2D pour le spray de carburant, est menée pour évaluer les différences entre les approches et déterminer l’approche lamieux adaptée aux cas envisagés.L’interaction du spray avec une paroi, essentielle pour modéliser les conditions dans un moteur automobile faitégalement l’objet d’une étude bibliographique et de premières tentatives de modélisation. Une modélisation pseudo-2D pour le modèle Eulérien est faite pour améliorer le calcul du dégagement de chaleur et de délai d’inflammation. Lavalidation de ces différentes évolutions est faite en confrontant les résultats du modèle avec des résultatsexpérimentaux obtenus sur la base de données de l’ECN (Engine Combustion Network), mais aussi avec des relevéseffectués par des autres auteurs. Des développements spécifiques sont également introduits pour traiter le casd’injection multiple et l’injection dans une chambre de combustion à géométrie variable (le système piston-cylindre). / Diesel engines are largely used in automotive propulsion due to their elevated efficiency. The most important pollutant emissions of diesel engines are NOx and particulate matter (in the case of conventional Diesel combustion). It is difficult to reduce and control these emissions because reducing one pollutant emission increases the other one. One way to try to achieve reduction in both pollutant emissions is called LTC (Low Temperature Combustion), which can reduce these two pollutants, but other pollutant emissions appear, as CO and HC. One way to achieve LTC conditions is using multiple injections (pilot/main, split injection, etc.). Modeling these injections is particularly complex, mainly due to their interactions.The objective of this thesis is to make a 1D spray model that can simulate multiple injections and the correspondingcombustion in an automobile diesel engine, continuing the work of G. Ma in his thesis defended at LHEEA in 2013,which developed a combustion model based in the 1D Eulerian spray of Musculus and Kattke (inert spray). Acomparison is made of this model and a Lagrangian model (Hiroyasu, Poetsch), which has a pseudo-2D treatment ofthe fuel spray, to evaluate the differences between the approaches and determine the best one suited for the foreseencases.The spray-wall interaction, essential to model the conditions inside an automotive engine, is subject to a bibliographyreview and coarse modeling. A pseudo-2D modeling for the Eulerian model is made, to improve the heat release rateand ignition delay calculation. The validation of these different evolutions is made by comparing the model results withexperimental results obtained from the ECN (Engine Combustion Network) data base, and also with data obtainedfrom the TSM test engines. Specific developments are also introduced to treat the multiple injection case and injectionin a variable geometry combustion chamber (the piston-cylinder system).