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
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upv.es/oai:riunet.upv.es:10251/99568 |
| Date | 22 March 2018 |
| Creators | Vaquerizo Sánchez, Daniel |
| Contributors | Payri Marín, Raúl, Universitat Politècnica de València. Departamento de Máquinas y Motores Térmicos - Departament de Màquines i Motors Tèrmics |
| Publisher | Universitat Politècnica de València |
| Source Sets | Universitat Politècnica de València |
| Language | English |
| Detected Language | Spanish |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/acceptedVersion |
| Rights | http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/, info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0029 seconds