An experimental investigation of a hydrogen jet behavior

Abstract

Prevention of climate change is one of the biggest challenges of modern society, and there are requirements for new and sustainable options for fossil fuels, especially at the transport sector. Hydrogen internal combustion engine (H-ICE) is a technology, which gets rid of the tailpipe emissions of carbon dioxide (CO2) and reduces life cycle emissions of it. H-ICE and direct injection (DI) were selected to be analyzed because they are mature technologies and have existing infrastructures. Utilizing DI, the combustion of hydrogen can be enhanced, power density increased, and emissions of nitrogen oxides (NOx) reduced.

In the experimental part of this thesis, helium was used instead of hydrogen due to safety reasons. Helium was injected into quiescent nitrogen with variable injection and chamber pressures and pressure ratios. The high-speed Schlieren imaging technique was applied to record the jet development process. It is an optical and nonintrusive method where transparent gases can be imaged utilizing their density difference, which is caused by pressure, temperature, or composition gradients, for instance. It was selected because it does not interrupt the jet development process.

A high-pressure piezoelectric injector generally used in gasoline engine was selected for the helium injections. It was found out that it is capable of injecting gas up to 100 bar and up to 98 pressure ratio without discernible leakages. Increasing the pressure ratio increased the jet penetration, width, and area, but with constant pressure ratio lowering the injection pressure had a similar effect. When the pressure ratio was over 80, the jet progress retarded. It was assumed to occur due to a drop in the injection pressure during the injection. Furthermore, a horizontally positioned injector produced upwards tilted jets, and thus in the future works, the injector should be vertically installed.

Ilmastonmuutoksen torjunta on yksi nyky-yhteiskunnan suurimmista haasteista, ja etenkin liikenteen alalla tarvitaan uusia ja kestäviä vaihtoehtoja fossiilisille polttoaineille. Vetypolttomoottori on teknologia, jolla hiilidioksidin pakokaasupäästöistä päästään kokonaan eroon ja elinkaaripäästöjäkin vähennettyä radikaalisti. Vetypolttomoottorit ja suorasuihkutus valittiin tarkasteluun, koska ne ovat toimivaksi todettuja ja niille on olemassa infrastruktuuria. Suorasuihkutuksella saadaan parannettua vedyn palamista, nostettua tehoa ja vähennettyä typenoksidien päästöjä.

Turvallisuussyistä tämän työn kokeellisessa osassa käytettiin heliumia vedyn sijasta. Sitä suihkutettiin paikallaan olevaan typpeen vaihtelevilla suihkutus- ja kammiopaineilla sekä painesuhteilla. Suurnopeus Schlieren tekniikkaa käytettiin suihkujen kehittymisen kuvantamiseen. Se on optinen ja tunkeilematon menetelmä, jossa läpinäkyviä kaasuja voidaan kuvantaa hyödyntäen niiden tiheyseroja, jotka johtuvat esimerkiksi eroista paineessa, lämpötilassa tai koostumuksessa. Tämä tekniikka valittiin, koska se ei vaikuta kaasusuihkun etenemiseen.

Helium suihkutuksiin käytettiin korkeapaineista piezosähköistä suutinta, jota käytetään yleisesti bensiinimoottoreissa. Sen toimi kaasuille ainakin 100 bariin ja 98 painesuhteeseen asti ilman havaittavia vuotoja. Painesuhteen kasvattaminen kasvatti suihkun tunkeumaa, leveyttä ja aluetta, mutta painesuhteen ollessa vakio suihkutuspaineen alentamisalla oli sama vaikutus. Yli 80 painesuhteella suihkuissa havaittiin hidastumista, jonka oletettiin johtuvan suihkutuspaineen alentumisesta suihkutuksen aikana. Lisäksi havaittiin, että vaakatasoon asetetulla suuttimella suihkut olivat ylöspäin kallistuneita, ja jatkossa suutin kannattaa asentaa pystysuoraan.