Fuel injector nozzle temperature impact on spray characteristics

Thumbnail Image

Files

master_Lillqvist_Samuel_2025.pdf (14.76 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-11-23

Department

Major/Subject

Production Engineering

Mcode

Degree programme

Master's programme in Mechanical Engineering
Konetekniikan maisteriohjelma
Magisterprogrammet i maskinteknik

Language

en

Pages

54

Series

Abstract

To mitigate the marine sector emissions, alternative fuels are becoming increasingly important. The dual-fuel (DF) engine is a compression-ignition (CI) engine, capable of operating primarily on gaseous fuels, such as liquefied natural gas (LNG) or hydrogen. However, dual-fuel operation introduces certain challenges, one of which is excessive heat at the injector nozzle tip. Injection jets are known to be affected by the fuel temperature. Therefore, the heat at the nozzle tip is believed to have an impact on the spray characteristics by heating the injected fuel. Furthermore, the injections during dual-fuel operation are only used to ignite the gaseous fuel, which is introduced with the intake air. Thus, the injections are small and considered to be more sensitive to temperature changes. Therefore, in this thesis an experimental study was conducted to investigate how spray characteristics during pilot-like injections are affected by excessive heat at the nozzle tip and by the bulk fuel temperature. The experiments were conducted in the optical spray combustion chamber (OSCC) at Wärtsilä in Vaasa, Finland. To achieve the desired temperatures of the injector and nozzle tip, two heating systems were designed and utilised: one for heating the injector and thereby the fuel, and one for heating the nozzle tip. The planning, design, manufacturing, construction, testing, and optimisation of these systems took a considerable amount of time and effort during this study. All of these steps, except the manufacturing of the components, were performed by the author. The optical measurement techniques used were Mie scattering to capture the liquid phase and shadowgraph imaging to visualise the vapour phase. The main parameters under investigation were penetration length, cone angle, spray area, and tip velocity for both the liquid and the vapour. The results show up to a 50\% decrease in injection duration when the fuel and injector were heated from 120 to 150$^\circ$C. Between 60 and 120$^\circ$C, the fuel temperature had an insignificant effect on the sprays. The tip temperature had a substantial impact on spray characteristics at short injection durations. For longer injection durations, the effect was less pronounced.

För att minska utsläppen inom den marina sektorn blir alternativa bränslen allt viktigare. Dual-fuel (DF)-motorn är en kompressionständ förbränningsmotor som i huvudsak kan drivas med gasbränslen såsom flytande fossilgas eller vätgas. Dual-fuel-drift medför dock vissa utmaningar, bland annat mycket höga temperaturer i injektorns munstycke, speciellt i spetsen. Bränsleinsprutningar påverkas av bränslets temperatur. Därför antas värmen vid munstycksspetsen påverka spraykarakteristiken genom att värma det insprutade bränslet. Vid drift i dual-fuel-läge används insprutningarna enbart för att antända det gasformiga bränslet som tillförs tillsammans med insugsluften. Därför är dessa insprutningar små och anses därför vara särskilt känsliga för temperaturvariationer. I denna studie genomfördes därför experimentellt arbete för att undersöka hur spraykarakteristiken påverkas av hög värme vid munstycksspetsen. Dessutom studerades effekten av bränslets temperatur. Båda dessa undersöktes för pilotliknande insprutningar. Experimenten utfördes i en optisk förbränningskammare vid Wärtsilä i Vasa, Finland. För att uppnå de önskade temperaturerna i injektorn och munstycksspetsen konstruerades och användes två värmesystem: ett för uppvärmning av injektorn och därmed bränslet, och ett för uppvärmning av munstycksspetsen. Planering, design, konstruktion, testning och optimering av dessa system tog mycket tid under studiens gång. Alla ovannämnda steg, förutom själva komponenttillverkningen, utfördes av författaren. De optiska mättekniker som användes var Mie-spridning för att fånga den vätskeformiga fasen samt shadowgraph-avbildning för att visualisera den förångade andelen (inklusive vätska). De huvudsakliga sprayparametrarna som undersöktes var penetrationslängd, konvinkel, sprayarea och hastighet, både för vätske- och ångfaserna. Resultaten visar upp till 50% kortare insprutningstid när bränslet värmdes från 120-150◦C. Mellan 60–120◦C hade bränsletemperaturen en obetydlig effekt på sprayerna. Munstycksspetsens temperatur hade däremot en tydlig inverkan på spraykarakteristiken vid korta insprutningstider. Vid längre insprutningstider hade den mindre påverkan.

Description

Supervisor

Kaario, Ossi

Thesis advisor

Grahn, Viljam

Keywords

dual-fuel, fuel temperature, nozzle temperature, spray characteristics, penetration length, spray area, cone angle

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202512169349

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG