Gasoline and gasoline-like fuels (naphtha) have high volatility, which results in flash boiling spray in gasoline engines when operated at throttling or low load conditions. Flash boiling can achieve better atomization, thus benefit fuel evaporation and fuel-air mixing. However, when flash boiling occurs, spray morphology, and fuel distribution are dramatically varied from the injectors' intentional design. This difference will affect the performance of combustion and emissions. Thus it is essential to investigate the spray collapse phenomenon regarding varied conditions. The currently developing gasoline compression ignition (GCI) engines, also has throttled stoichiometric spark ignition operation mode, which inevitably has flash boiling possibility. However, there is a lack of research on flash boiling spray with a GCI injector, which has a large designed cone angle. This work aims to understand the spray collapse phenomenon and fill the gap in GCI flash boiling spray. Simultaneous side-view diffused back illumination (DBI) and front-view mie-scattering are used to capture the liquid spray development. Simultaneous shadowgraph from side and front view are used for recording the liquid+vapor phase spray development. Criteria for distinguishing different spray regimes have been established from these results. It shows this GCI injector is more resistant to collapse than the other conventional gasoline direct injection (GDI) injectors reported in the literature. A combination of DBI and space-time tomographic algorithm is validated in this work, achieving 3D reconstruction of the spray volume development from non-flashing to collapsed spray regime at low cost. The 3D results help elucidate the spray collapse procedure and provide validation data for CFD simulation. Structured laser illumination planar imaging (SLIPI) is firstly implemented in flash boiling spray study in this work to suppress the multiple scattering effect. Reconstructed 3D results from slice sweeping by SLIPI methods exposes the hollow structure in the spray's collapsed central jet, which has not been reported previously by other methods. Different spray motion types are summarized for the transitional and collapsed spray regime from the SLIPI slice and confirmed by the particle image velocimetry (PIV) technique.

[ES] La inyección de combustible es, entre los temas de investigación de motores, una de las piezas críticas para obtener un motor eficiente. El papel es aún más significativo cuando se persigue una estrategia de inyección directa. La geometría interna y el movimiento de la aguja determinan el comportamiento del flujo del inyector, que se sabe que afecta enormemente al desarrollo externo del spray y, en última instancia, al rendimiento de la combustión dentro de la cámara. La conciencia sobre el cambio climático y los contaminantes ha ido creciendo, impulsando el esfuerzo en motores más limpios. En este sentido, los motores de gasolina tienen un margen más amplio para mejo- rar que los motores diesel. La evolución de los antiguos PFI a las modernas estrategias de inyección directa, que se utilizan en los motores de nueva generación, demuestra esta tendencia. Los sistemas GDI tienen el potencial de cumplir con las estrictas emisiones y aumentar el ahorro de combustible, sin embargo, todavía se enfrenta a muchos desafíos. Este trabajo implica el uso de dos inyectores, uno es una moderna tobera de GDI de investigación designada por el Engine Combustion Network (ECN), y el otro es una unidad de inyección de producción (PIU) con la misma tecnología y una geometría ligeramente diferente. Ambos equipos se someten a una completa caracterización (flujo interno y externo) que abarca las técnicas más avanzadas en diversas instalaciones experimentales. Además, se diseña y construye una nueva instalación para realizar experimentos en condiciones de evaporación instantánea (cuando la presión de vapor del combustible inyectado es superior a la presión del volumen de descarga). La instalación construida está diseñada para simular un ambiente de descarga en ciertas condiciones del motor en las que podrían producirse fenómenos de flash boiling. Así, debido a las propiedades típicas del combustible de gasolina, era un requisito operar con presiones de cámara de 0,2 a 15 bares. Además, la temperatura ambiente se controlaba mediante la implementación de una resistencia que puede calentar el gas ambiente. La instalación funciona en un bucle abierto, pudiendo renovar el volumen de gas entre las inyecciones. Por último, se construyeron tres amplios accesos ópticos para acomodar muchas técnicas de diagnóstico óptico como DBI, MIE, shadowgraphy o PDA, entre otros. Para la evaluación del flujo interno se determinó la geometría de las toberas y la orientación de los agujeros, el movimiento de la aguja y, por último, la caracterización del ratio de inyección (ROM) y el momento de inyección (ROI) de ambas toberas. La geometría de las toberas y la elevación de la aguja se midieron mediante técnicas avanzadas de rayos X en el Laboratorio Nacional de Argonne (ANL). Las mediciones de ROI y ROM se realizaron utilizando las instalaciones de CMT-Motores Térmicos siguiendo los conocimientos técnicos aplicados en los inyectores de gasóleo y adaptándolos a las toberas de GDI. El ROI nos permitió comparar las boquillas, cuyo número de orificios y geometría eran diferentes, aunque entregan aproximadamente la misma cantidad de combustible. Se ensayó la respuesta a condiciones típicas de motor como variaciones en la presión del rail, la presión de descarga, la temperatura del combustible, etc. Para el inyector de investigación "Spray G", se desarrolló un modelo 0-D de la velocidad de inyección que permite obtener la señal para diferentes condiciones y duración de la inyección, lo cual es útil para la calibración del motor y la validación del CFD. Además, para la caracterización de la ROM, se desarrolló la metodología de la técnica de deformación plástica para obtener la orientación del cono del spray y orientar adecuadamente los chorros de combustible para la medición de ROM. En el análisis hidráulico se combinaron los datos para estudiar los bajos valores del coeficiente de descarga y / [CA] La injecció de combustible és, entre els temes d'investigació de motors, una de les peces crítiques per a obtindre un motor eficient. El paper és encara més significatiu quan es persegueix una estratègia d'injecció directa. La geometria interna i el moviment de l'agulla determinen el comportament del flux de l'injector, que se sap que afecta enormement el desenvolupament extern de l'esprai i, en última instància, al rendiment de la combustió dins de la cambra. La consciència sobre el canvi climàtic i els contaminants ha anat creixent, impulsant l'esforç en motors més nets. En aquest sentit, els motors de gasolina tenen un marge més ampli per a millorar que els motors dièsel. L'evolució dels antics PFI a les modernes estratègies d'injecció directa, que s'utilitzen en els motors de nova generació, demostra aquesta tendència. Els sistemes GDI tenen el potencial de complir amb les estrictes emissions i aug- mentar l'estalvi de combustible, no obstant això, encara s'enfronta a molts desafiaments. Aquest treball implica l'ús de dos injectors, un és una moderna tovera de GDI d'investigació designada pel Engine Combustion Network (ECN), i l'altre és una unitat d'injecció de producció (PIU) amb la mateixa tecnologia i una geometria lleugerament diferent. Tots dos equips se sotmeten a una completa caracterització (flux intern i extern) que abasta les tècniques més avançades en diverses instal·lacions experimentals. A més, es dissenya i construeix una nova instal·lació per a realitzar experiments en condicions d'evaporació instantània (quan la pressió de vapor del combustible injectat és superior a la pressió del volum de descàrrega). La instal·lació construïda està dissenyada per a simular un ambient de descàrrega en certes condicions del motor en les quals podrien produir-se fenòmens de flash boiling. Així, a causa de les propietats típiques del combustible de gasolina, era un requisit operar amb pressions de cambra de 0,2 a 15 bars. A més, la temperatura ambient es controlava mitjançant la implementació d'una resistència que pot calfar el gas ambiente. La instal·lació funciona en un bucle obert, podent renovar el volum de gas entre les injeccions. Finalment, es van construir tres amplis accessos òptics per a acomodar moltes tècniques de diagnòstic òptic com DBI, MIE, shadowgraphy o PDA, entre altres. Per a l'avaluació del flux intern es va determinar la geometria de les toveres i l'orientació dels forats, el moviment de l'agulla i, finalment, la caracterització del ràtio d'injecció (ROM) i el moment d'injecció (ROI) de totes dues toveres. La geometria de les toveres i l'elevació de l'agulla es van mesurar mitjançant tècniques avançades de raigs X en el Laboratori Nacional de Argonne (ANL). Els mesuraments de ROI i ROM es van realitzar utilitzant les instal·lacions de CMT-Motores Térmicos seguint els coneixements tècnics aplicats en els injectors de gasoil i adaptant-los a les toveres de GDI. El ROI ens va permetre comparar els filtres, el nombre d'orificis dels quals i geometria eren diferents, encara que entreguen aproximadament la mateixa quantitat de combustible. Es va assajar la resposta a condicions típiques de motor com a variacions en la pressió del rail, la pressió de descàrrega, la temperatura del combustible, etc. Per a l'injector d'investigació "Esprai G", es va desenvolupar un model 0-D de la velocitat d'injecció que permet obtindre el senyal per a diferents condicions i duració de la injecció, la qual cosa és útil per al calibratge del motor i la validació del CFD. A més, per a la caracterització de la ROM, es va desenvolupar la metodologia de la tècnica de deformació plàstica per a obtindre l'orientació del con de l'esprai i orientar adequadament els dolls de combustible per al mesurament de ROM. En l'anàlisi hidràulica es van combinar les dades per a estudiar els baixos valors del coeficient de descàrrega i del coeficient d'àr / [EN] Fuel injection is among the engine research topics one of the critical pieces to obtain an efficient engine. The role is even more significant when a direct injection strategy is pursued. The internal geometry and pintle movement determine the injector flow behavior, which is known to hugely affect the external spray development and, ultimately, the combustion performance inside the chamber. Climate change and pollutants awareness has been growing, pushing forward the effort on cleaner engines. In this regard, gasoline en- gines have a wider margin to improve than diesel engines. The evolution from old Port Fuel Injectors to modern direct injection strategies, which are used in new generation engines, demonstrates this trend. GDI systems have the potential to comply with stringent emissions and increase fuel economy, however, it still faces many challenges. This work involves the use of two injectors, one is a modern research GDI nozzle appointed by the Engine Combustion Network (ECN), and the other is a production injector unit (PIU) with the same technology and slightly different geometry. Both hardware's undergo a complete characterization (internal and external flow) covering the state- of-the-art techniques in various experimental facilities. Furthermore, a new facility is designed and built to perform experiments under flash boiling conditions (when the fuel injected's vapor pressure is higher than the pressure in the discharge volume). The developed facility is designed to simulate a discharge ambient at certain engine conditions in which flash boiling phenomena could occur. Thus, due to typical gasoline fuel properties, it was a requirement to operate from chamber pressures from 0.2 bar to 15 bar. Also, the ambient temperature was controlled by implementing a resistor that can heat the ambient gas. The facility operates in an open loop, being able to renovate the gas volume between injections. Finally, three wide optical accesses were built to accommodate many optical diagnostic techniques such as DBI, MIE, shadowgraphy, or PDA, among others. For the internal flow description, it was determined the nozzles geometry and holes orientation, the pintle movement, and finally, the characterization of the rate of momentum (ROM) and rate of injection (ROI) of both nozzles. The nozzles geometry and needle lift were measured using advanced optical x-ray techniques at Argonne National Laboratory (ANL). The ROI and ROM measurements were performed using CMT-Motores Térmicos facilities follow- ing the know-how applied in diesel injectors and adapting it to GDI nozzles. The ROI allowed us to compare the nozzles, whose orifices number and geometry were different, although they deliver approximately the same amount of fuel. It was tested their response to typical boundary conditions such as rail pressure, discharge pressure, fuel temperature, etc. For the research nozzle "Spray G", it was developed a 0-D model of the rate of injection allowing to obtain the signal for different injection duration and conditions, which is useful in engine calibration and CFD validation. Furthermore, for the ROM characterization, the plastic deformation technique methodology was developed to obtain spray cone orientation and adequately guide the fuel jets for measuring ROM. The hydraulic analysis combined the data to study the low discharge coefficient and area coefficient values, which could result from low needle lift combined with novel hole designs in both nozzles that promote cavitation and air interaction from inside the orifice. In the external flow characterization, it was used the new developed vessel to study the external spray covering flash boiling conditions. It was employed four surrogate fuels to simulate different volatility properties of gasoline com- pounds and ultimately reproduce more extreme flashing conditions. It was used lateral visualization using DBI and Schlieren in addition to frontal MIE visualization. Some of t / Bautista Rodríguez, A. (2021). Study of the Gasoline Direct Injection Process under Novel Operating Conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/167809

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. / Vaquerizo Sánchez, D. (2018). Study on Advanced Spray-Guided Gasoline Direct Injection Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/99568