Diesel Spray Studies in Modern Diesel Engines
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2020-05-20
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
2020
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
74 + app. 91
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 57/2020
Abstract
In this doctoral thesis, diesel injection and spray formation in modern diesel engines were studied. The goal of this thesis is to answer some fundamental questions and hypotheses about injection and spray formation in modern diesel engines. First, the fundamental spray characteristics of renewable diesel were studied under non-evaporative conditions. Second, these spray characteristics were studied under extremely high cylinder pressure. Third, the spray characteristics of conical nozzle orifice geometry were studied. Finally, the spray characteristics of biofuel blends were studied in an optical engine during late-post-injection, which is relevant to exhaust gas after-treatment. Studies showed that the spray tip penetrations with renewable diesel and petroleum diesel were similar under non-evaporative conditions. The spray angle was slightly wider, spray tip velocities were higher, and the inner delay of the injector was shorter with renewable diesel. The conclusion of the study was that there is no need to redesign the combustion chamber or readjust the injection parameters due to wall impact or spray collision. Very high in-cylinder pressure and density have a significant effect on spray penetration. Higher gas phase mixing was observed with higher in-cylinder density. No negative aspects were found for extremely high gas density. When the spray tip penetration was compared between different conical geometries and a cylindrical nozzle orifice geometry, a clear difference was not found under non-evaporative conditions. This result is inconsistent with earlier studies. The main reasons for this inconsistency may be the different approach and high injection pressure. The spray angle was smaller, and the mass flow rate higher, with conical nozzle orifice geometry. Standard hydraulic flow measurement with an injection pressure of 100 bar underestimates the flow rate of conical orifices due to lack of cavitation. Different hypotheses about higher spray tip penetration and cylinder wall-wetting during late post-injection were studied. A clear difference in the spray tip penetration was not observed when three different fuel blends were compared. The conditions that would be needed for droplets to evaporate before reaching the cylinder wall are not attained with very late injection. Hence, hypotheses that the amount of fuel ending up on the cylinder walls is higher with biofuels are unlikely. The main reason for oil dilution rate differences between fuel blends is probably related to the volatility of the fuel fraction, or because the control unit increases the volume of the post-injections due to the lower volumetric heat value of renewable diesel.Väitöskirjassa on tutkittu dieselin ruiskutusta ja polttoainesuihkun muodostumista nykyaikaisissa dieselmoottoreissa. Tavoitteena on vastata perustavanlaatuisiin kysymyksiin ja hypoteeseihin dieselin ruiskutuksesta ja polttoainesuihkun muodostumisesta nykyaikaisissa dieselmoottoreissa. Väitöskirjassa tutkittiin polttoainesuihkuja uusiutuvalla dieselillä höyrystymättömissä olosuhteissa, erittäin korkeassa sylinteripaineessa ja kartiomaisella suutinaukolla. Lopuksi biopolttoaine- sekoitusten polttoainesuihkua tutkittiin optisessa moottorissa myöhäisen jälkiruiskutuksen aikana liittyen pakokaasujen jälkikäsittelyyn. Tutkimukset osoittivat, että uusiutuvan dieselin ja raakaöljydieselin polttoainesuihkun kärjen eteneminen ei eroa höyrystymättömissä olosuhteissa. Uusiutuvalla dieselillä suihkun avautumiskulma oli leveämpi, kärjen etenemisnopeus suurempi ja suuttimen sisäinen viive lyhyempi. Johtopäätöksenä oli, että palotilaa ei tarvitse suunnitella uudelleen eikä ruiskutusparametreja tarvitse muuttaa, koska polttoainesuihkut eivät törmää toisiinsa tai sylinterin seinään. Erittäin korkealla sylinteripaineella ja -tiheydellä on merkittävä vaikutus polttoainesuihkun etenemiseen. Kaasufaasin havaittiin sekoittuvan paremmin korkealla sylinterin tiheydellä. Erittäin korkealla sylinteripaineella ei havaittu olevan negatiivisia vaikutuksia suihkun muodostumiseen ja sekoittumiseen. Suuttimen kartiomaisuuden ei havaittu vaikuttavan suihkun kärjen etenemiseen höyrystymättömissä olosuhteissa. Havainto on ristiriidassa aiempien tutkimusten kanssa. Syy tähän saattaa olla erilainen lähestymistapa aiheeseen ja korkeampi ruiskutuspaine verrattuna aiempiin tutkimuksiin. Suihkun avautumiskulma oli pienempi ja massavirta suurempi kartiomaisella suutinaukolla. Standardin mukainen hydraulinen virtausmittaus 100-baarin ruiskutuspaineella aliarvioi kartiomaisen suuttimen virtausnopeutta kavitaation puutteen vuoksi. Aiemmin oli esitetty hypoteeseja biopolttoainesuihkujen kärjen nopeammasta etenemisestä ja sen vaikutuksesta sylinterin seinämien kastumiseen. Väitöskirjatutkimuksessa vertailtiin kolmea erilaista polttoainesekoitusta. Niiden välillä ei havaittu merkittävää eroa suihkun kärjen tunkeutumisessa. Hyvin myöhäisessä ruiskutuksessa edellytykset pisaroiden haihtumiseksi ennen sylinteriseinämään törmäämistä eivät täyty. Näin ollen hypoteesi, jonka mukaan sylinterin seinämille päätyvä polttoaineen määrä on biopolttoaineilla korkeampi, on todennäköisesti väärä. Öljyn laimenemisnopeuden erojen pääasiallinen syy polttoainesekoitusten välillä liittynee polttoaineen haihtuvuuteen tai siihen, että moottorin ohjausyksikkö lisää ruiskutusannosta uusiutuvan dieselin alhaisemman lämpöarvon vuoksi.Description
The public defense on 20th May 2020 at 12:00 will be organized via remote technology.
Link: https://aalto.zoom.us/j/65180381929
Zoom Quick Guide: https://www.aalto.fi/en/services/zoom-quick-guide
Supervising professor
Larmi, Martti, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, FinlandThesis advisor
Kaario, Ossi, Dr., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, FinlandSarjovaara, Teemu, Dr., Neste Oyj, Finland
Keywords
fuel spray, nozzle geometry, biofuel, biodiesel, fundamental spray characteristics, polttoainesuihku, suutingeometria, biopolttoaine, biodiesel, polttoainesuihkun ominaisuudet
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Hulkkonen, Tuomo; Hillamo, Harri; Sarjovaara, Teemu; Larmi, Martti. Experimental Study of Spray Characteristics Between Hydrotreated Vegetable Oil (HVO) and Crude Oil Based EN 590 Diesel Fuel. SAE Technical Paper Series, 2011. 2011-24-0042.
DOI: 10.4271/2011-24-0042 View at publisher
- [Publication 2]: Kaario, Ossi; Hulkkonen, Tuomo; Vuorinen, Ville; Wehrfritz, Armin; Keskinen, Karri; Larmi, Martti. Numerical and Experimental Investigation of Fuel Spray Behaviour in Very High Density Environment Using LES. ICLASS, Heidelberg, Germany, 3.-6.9.2012.
-
[Publication 3]: Kaario, Ossi; Vuorinen, Ville; Hulkkonen, Tuomo; Keskinen, Karri; Nuutinen, Mika; Larmi, Martti; Tanner, Franz Xavier. Large Eddy Simulation of High Gas Density Effects in Fuel Sprays. Atomization and Sprays, 2013. Vol. 23, nro 4, 297-325.
DOI: 10.1615/AtomizSpr.2013006784 View at publisher
-
[Publication 4]: Tuomo Hulkkonen; Teemu Sarjovaara; Ossi Kaario; Ismo Hämäläinen; Martti Larmi. An Experimental Study of Conical Diesel Nozzle Orifice Geometry. Atomization and Sprays, 2015. Vol 25.
DOI: 10.1615/AtomizSpr.2015010383 View at publisher
-
[Publication 5]: Tuomo Hulkkonen; Aki Tilli; Ossi Kaario; Olli Ranta; Teemu Sarjovaara; Ville Vuorinen; Martti Larmi; Kalle Lehto. Late post-injection of biofuel blends in an optical diesel engine: Experimental and theoretical discussion on the inevitable wall wetting effects on oil dilution. Journal of Engine Research, 2016.
DOI: 10.1177/1468087416663548 View at publisher