Evaluering av värmeöverföring från en brinnande bränslesprej i en optisk förbränningskammare

För att påskynda övergången till en högre andel förnybar energi i kraftproduktionen och utfasningen av fossila bränslen inom sjöfarten behövs ytterligare utveckling av förbränningsmotorn. Forskning om motorer och utvecklandet av dessa har traditionellt skett genom testkörning av multicylindriga motorer. För att påskynda utveckling, validering och implementering av nya tekniker har trenden varit att allt mer använda digitala verktyg för simulering, och virtuell testning. För att exakt kunna simulera förhållanden inuti en förbränningsmotor behövs valideringsdata, för att kalibrera t.ex. CFD-modeller. Syftet med denna avhandling är att producera valideringsdata för konjugerade värmeöverföringsmodeller som förutsäger den termiska belastningen på motorn och dess komponenter. I denna avhandling diskuteras hur en avancerad laserbaserad metod för att mäta yttemperaturen kan implementeras i en nybyggd industriell optisk sprejkammare. Generellt sett har tillvägagångssättet i denna avhandling varit att använda tillgänglig forskning för att utföra yttemperaturmätningarna. Detta resulterade i en omfattande litteraturundersökning, som inleds med att beskriva den karakteristiska förbränningsprocessen i en typisk marin dieselmotor och avslutas med en detaljerad genomgång av hur mätningar med termografiska fosforer går till. Vidare genomfördes temperaturmätningen på en specialgjord instrumenterad platta. Utöver temperaturmätningarna användes totalt sex olika mätmetoder, alla synkroniserade med bränsleinsprutningen i kammaren, för att förstå de komplexa förhållanden som råder inuti en förbränningsmotor. I arbetet beskrivs utmaningarna med den komplexa mätmetoden och de mycket utmanande mätförhållandena, som är karakteristiska för en förbränningsmotor. I avhandlingen presenteras visualiseringar av brinnande bränslesprejer och resultat från de olika mätningsteknikerna av de reagerande bränslesprejerna i den optiska sprejkammaren. De termografiska fosformätningarna gav en yttemperatur på 880 K, vilket är rimligt med tanke på mätförhållandena. Avhandlingen avslutas med en diskussion som utvärderar mätningarna och förslag till förbättringar av mätuppsättningen ges med fokus på noggrannhet och precision. Vidare approximeras värmeöverföringen och användning av resultaten som valideringsdata för CFD-modeller diskuteras.To implement a higher share of renewables in power generation and accelerate the de-carbonization of marine transportation, further development of the internal combustion engine is needed. Traditionally, technology development and research have been validated by hours and hours of test running in multicylinder engines. To accelerate the development, validation and implementation of new technologies, the trend has been to implement digital tools for simulation, virtual testing, and validation. To accurately simulate in-cylinder conditions, there is a need for validation data to calibrate, e.g. CFD-models. The purpose of this thesis is to produce validation data for conjugate heat transfer models predicting the thermal loading on the engine. The work discussed in this thesis presents the process of implementing an advanced laser-based surface temperature measurement method in a newly built industrial Optical Spray Combustion Chamber. In general, the approach in this thesis has been to utilize available research to conduct the surface temperature measurements. This resulted in extensive literature research, starting by describing the characteristic combustion process in a large compression ignition engine and ending with a detailed review of measurement techniques utilizing thermographic phosphors. Furthermore, the temperature measurement was implemented on a special plate instrumented with heat transfer sensors. Additionally, there were in total six different measurements applied and synchronized to the fuel injection in the chamber. The work revealed the complexity of the measurement and the very challenging measurement conditions, similar to the once in an engine. The outcome of the thesis presents visualizations and results from the different measurements of the reacting fuel sprays in the Optical Spray Combustion Chamber. The thermographic phosphor measurements yielded a surface temperature of 880 K, which is a reasonable number considering the measurement conditions. The thesis is concluded by a discussion, evaluating the measurements and suggesting improvements of the measurement set-up to improve accuracy and precision. Furthermore, the heat transfer is approximated, and possible utilization as validation data for CFD models is discussed