Macroscopic and microscopic characterization of non-reacting diesel sprays at low and very high injection pressures

En la exploración de nuevos métodos para el mejoramiento de la eficiencia y rendimiento del motor diésel, es claro que un gran esfuerzo debe estar enfocado en el proceso de inyección de combustible. La eficiencia de la combustión y las emisiones, se ven muy afectadas por el proceso de atomización, y se ha demostrado que incrementos en presiones de inyección conllevan un gran potencial para mejorar el ahorro de combustible, producir mejores mezclas de aire y combustible, y por tanto menor generación de emisiones contaminantes. Últimamente, las presiones de inyección han aumentado de alrededor de 50 MPa en los años 70 hasta 250 MPa en los días actuales. Presiones de inyección muy altas (250-300 MPa) o incluso ultra altas (> 300 MPa) vienen siendo materia de investigación con el fin de ser implementadas de manera comercial en un futuro próximo. La estructura y desarrollo del spray diésel pueden ser caracterizados desde un punto de vista microscópico por medio de la medición del tamaño de gotas del spray y sus velocidades. En condiciones no-evaporativas, técnicas como el PDPA (Phase Doppler Particle Analyzer) vienen siendo utilizadas para la obtención de perfiles de diámetros y velocidades de gota con una alta resolución temporal. Desde el punto de vista macroscópico, existen parámetros específicos que permiten caracterizar a un chorro diésel, estos son: la penetración de vapor y líquida junto con el ángulo de apertura del chorro. La penetración líquida es un indicador claro de la capacidad de evaporación del combustible utilizado, mientras que la penetración de vapor, por su parte, es indicativo del proceso de mezcla y la probabilidad de colisión con las paredes de la cámara de combustión; factores claves a la hora de la generación de emisiones contaminantes. En esta tesis se estudia la influencia de presiones bajas, medias y muy altas presiones inyección, sobre un amplio espectro de condiciones y diagnósticos experimentales, y desde el punto de vista macroscópico y microscópico. Se realizaron experimentos para tres diferentes inyectores, 2 solenoides y un piezo eléctrico, este último con la capacidad de alcanzar presiones de inyección cercanas a 270 MPa. Las medidas incluyen una caracterización hidráulica, compuesta por tasa de inyección; una visualización de alta velocidad del chorro líquido isotermo; una visualización de alta velocidad del chorro inerte evaporativo, con captura simultánea de las fases líquida y vapor; y finalmente, una caracterización microscópica por medio de la obtención de distribución de tamaño de gotas y sus velocidades. Con respecto a los ensayos microscópicos, se desarrolló una metodología para el aislamiento y alineación de sprays con un error de medición muy bajo de 0,22°. Se llevaron a cabo mediciones de velocidad de gotas, cuyos resultados mostraron buen ajuste con perfiles teóricos de velocidad. De igual manera, una correlación para el tamaño de gota SMD se obtuvo mostrando un alto nivel de ajuste y siendo representativa para todo el rango de presiones de inyección estudiados. En el caso de la caracterización macroscópica del chorro isotermo, se han detectado variaciones macroscópicas en el desarrollo del chorro con propiedades de gas, inclusive en condiciones de motor comunes. Para estimar estos efectos y otros que las presiones de inyección muy altas tendrían sobre la estructura del chorro, se incentivó la aparición de ondas de choque controlando la velocidad del sonido del ambiente. Se usaron tres gases ambientales (SF6 N2 y CO2) con diferentes velocidades de sonido, promoviendo de esta manera chorros supersónicos en determinados casos. Al comparar ensayos con mismas densidades y diferentes gases ambientales, se encontró que todas las tendencias cercanas al estado transónico (0.8 300 MPa) vénen sent matèria d'investigació a fi de ser implementades de manera comercial en un futur pròxim. L'estructura i desenrotllament de l'esprai dièsel poden ser caracteritzats des d'un punt de vista microscòpic per mitjà del mesurament de la grandària de gotes de l'esprai i les seues velocitats. En condicions no-evaporatives, tècniques com el PDPA (Phase doppler particle analyzer) vénen sent utilitzades per a l'obtenció de perfils de diàmetres i velocitats de gota amb una alta resolució temporal. Des del punt de vista macroscòpic, hi ha paràmetres específics que permeten caracteritzar a un doll dièsel, estos són: la penetració de vapor i la penetració líquida junt amb l'angle d'obertura del doll. La penetració líquida és un indicador clar de la capacitat d'evaporació del combustible utilitzat, mentres que la penetració de vapor, per la seua banda, és indicatiu del procés de mescla i la probabilitat de col·lisió amb les parets de la cambra de combustió; factors claus a l'hora de la generació d'emissions contaminants. En esta tesi s'estudia la influència de pressions d' injecció baixes, mitges i molt altes, sobre un ampli espectre de condicions i diagnòstics experimentals, i des del punt de vista macroscòpic i microscòpic. Es van realitzar experiments per a tres injectors diferents, 2 solenoides i un piezo elèctric, este últim amb la capacitat d'aconseguir pressions d'injecció pròximes a 270 MPa. Les medides inclouen una caracterització hidràulica, composta per taxa d'injecció; una visualització d'alta velocitat del doll líquid isoterm; una visualització d'alta velocitat del doll inert evaporativo, amb captura simultània de les fases líquida i vapor; i finalment, una caracterització microscòpica per mitjà de l'obtenció de distribució de grandària de gotes i les seues velocitats. Respecte als assajos microscòpics, es va desenrotllar una metodologia per a l'aïllament i alineació d'esprais amb un error de mesurament molt davall de 0,22°. Es van dur a terme mesuraments de velocitat de gotes, els resultats van mostrar bon ajust amb perfils teòrics de velocitat. De la mateixa manera, una correlació per a la grandària de gota SMD es va obtindre mostrant un alt nivell d'ajust i sent representativa per a tot el rang de pressions d'injecció estudiats. En el cas de la caracterització macroscòpica del doll isoterm, s'han detectat variacions macroscòpiques en el desenrotllament del doll amb propietats de gas, inclusivament en condicions de motor comú. Per a estimar estos efectes i altres que altes pressions d'injecció tindrien sobre l'estructura del doll, es va incentivar l'aparició d'ones de xoc controlant la velocitat del so de l'ambient. Es van usar tres gasos ambientals (SF6, N2 i CO2) amb diferents velocitats de so, promovent d'esta manera dolls supersònics en determinats casos. Al comparar assajos amb mateixes densitats i diferents gasos ambientals, es va trobar que totes les tendències pròximes a l'estat transónic (0.8 300 MPa) have been the subject of the scientific community in order to be implemented in future injection systems. The structure and development of the diesel spray can be characterized from a microscopic point of view by means of estimation of droplets size and velocities. At non-evaporative conditions, techniques such as PDPA (Phase Doppler Particle Analyzer) are being used to obtain diameters and velocity profiles a with high temporal resolution. From the macroscopic point of view, there are specific parameters that allow characterizing the diesel spray, these are: the liquid and vapor penetration along with the spray angle. The liquid penetration is a clear indicator of the evaporation capacity of the fuel used, whilst the vapor penetration, on the other hand, is an indicative of the mixing process and the probability of collision with the combustion chamber walls; key factors when generating polluting emissions. In this thesis the influence of low and very high injections pressures over the macro and micro characteristics of the diesel spray is studied, over a wide spectrum of conditions and experimental diagnoses. Experiments were carried out for three different injectors, two solenoids and one piezoelectric, the latter with the capacity to reach injection pressures close to 270MPa. The measurements include a hydraulic characterization; a high speed visualization of the liquid spray at isothermal conditions; a high-speed visualization of the evaporative spray, with simultaneous capture of the liquid and vapor phases; and finally, a microscopic characterization. Regarding the microscopic tests, a methodology was developed for the spray isolation and alignment with a very low measurement error of 0.22° Droplets velocity measurements were carried out, the results showed good adjustment with theoretical velocity profiles. Similarly, a correlation for SMD droplet size was obtained showing a high level of adjustment and being representative for the entire range of injection pressures studied. In the case of the macroscopic characterization of the isothermal spray, variations have been detected in the development of the jet with gas properties, even at common engine injection conditions. To estimate these effects and others that very high injection pressures would have on the spray structure, the apparition of shock waves was enhanced by controlling the speed of sound of the environment using three ambient gases with different speed of sound (SF6, N2 and CO2). When comparing tests with same densities and different ambient gases, it was found that all the tendencies near the transonic state (0.8 <M