ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL FLUJO INTERNO EN TOBERAS SOBRE EL PROCESO DE INYECCIÓN DIÉSEL EN CAMPO PRÓXIMO

La formación de la mezcla aire-combustible es uno de los procesos que tienen un efecto de mayor importancia en las prestaciones y las emisiones de contaminantes de los motores Diesel. Con el objetivo de incrementar el conocimiento respecto a este fenómeno numerosos estudios, tanto teóricos como experimentales, así como de modelado fluidodinámico, han sido desarrollados a lo largo de las últimas décadas. Sin embargo, el estudio del flujo en el interior de las toberas de inyección, así como su efecto sobre la atomización del combustible y el desarrollo del chorro en sus primeras etapas, muestra aún incertidumbres significativas, constituyendo un reto importante para la investigación en este campo. En esta tesis se desarrolla una técnica de visualización a alta resolución para la caracterización del chorro Diesel en campo próximo. De esta forma se puede establecer de forma más directa la relación entre las características del flujo en el interior de los orificios de descarga y la formación del chorro. Además, la obtención de imágenes con una gran resolución espacial permite caracterizar la estructura del chorro de forma más exhaustiva de lo que es habitual con otras técnicas. En este sentido, se ha analizado en primer lugar la influencia que tiene la aparición de cavitación en el interior de los orificios de descarga de las toberas sobre la formación del chorro. Para ello se han utilizado una serie de modelos simplificados de tobera consistentes en láminas de acero taladradas, así como una tobera mono-orificio cilíndrica. Como resultado de este estudio se puede ver que la cavitación aumenta de forma significativa tanto el ángulo de apertura del chorro como las irregularidades del contorno del mismo, favoreciendo el proceso de atomización. Una vez estudiada la influencia de la cavitación se han utilizado tres toberas de geometría cónica, con el fin de realizar un estudio similar en condiciones no cavitantes.De La Morena Borja, J. (2011). ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL FLUJO INTERNO EN TOBERAS SOBRE EL PROCESO DE INYECCIÓN DIÉSEL EN CAMPO PRÓXIMO [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/11098Palanci

Using one-dimensional modeling to analyze the influence of the use of biodiesels on the dynamic behavior of solenoid-operated injectors in common rail systems: Results of the simulations and discussion

The influence of using biodiesel fuels on the hydraulic behavior of a solenoid operated common rail injection system has been explored by means of a one-dimensional model. This model has been previously obtained, including a complete characterization of the different components of the injector (mainly the nozzle, the injector holder and the electrovalve), and extensively validated by means of mass flow rate results under different conditions. After that, both single and multiple injection strategies have been analyzed, using a standard diesel fuel and rapeseed methyl ester (RME) as working fluids. Single long injections allowed the characterization of the hydraulic delay of the injector, the needle dynamics and the discharge capability of the couple injector-nozzle for the two fuels considered. Meanwhile, the effect of biodiesel on main plus post injection strategies has been evaluated in several aspects, such as the separation of the two injections or the effect of the main injection on the post injection fueling. Finally, a modification in the injector hardware has been proposed in order to have similar performances using biodiesel as the original injector configuration using standard diesel fuel.This work was sponsored by "Vicerrectorado de Investigacion, Desarrollo e Innovacion" of the "Universidad Politecnica de Valencia" in the frame of the project "Estudio numerico de la cavitacion en toberas de inyeccion Diesel mediante Grid Computing (Cavigrid)", Reference No. 2597 and by "Ministerio de Ciencia e Innovacion" in the frame of the Project "Estudio teorico experimental sobre la influencia del tipo de combustible en los procesos de atomizacion y evaporacion del chorro Diesel (PROFUEL)", Reference No. TRA2011-26293. This support is gratefully acknowledged by the authors.Salvador Rubio, FJ.; Gimeno García, J.; Morena Borja, JDL.; Carreres Talens, M. (2012). Using one-dimensional modeling to analyze the influence of the use of biodiesels on the dynamic behavior of solenoid-operated injectors in common rail systems: Results of the simulations and discussion. Energy Conversion and Management. 54(1):122-132. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2011.10.007S12213254

Consequences of using biodiesel on the injection and air-fuel mixing processes in diesel engines

(c) IMechE 2013A study of the injection process and spray behaviour was made for three different fuels. In particular, blends of rapeseed methyl ester and standard diesel fuel with 5% and 30% biodiesel were used for the current study, as well as pure rapeseed methyl ester. Hydraulic characterization of an eight-hole nozzle was carried out using these three fuels, in order to explore and analyse the influence of the fuel properties on the mass flow rate and the momentum flux at the nozzle exit. Additionally, spray visualization tests were performed in order to obtain information about the spray cone angle, which allows characterization of the air-fuel mixing process. Finally, a theoretical derivation was used to obtain further details of the microscopic characteristics of the spray and to compare the air-fuel mixing efficiencies for the different biodiesel blends.This work was partly supported by Vicerrectorado de Investigacion, Desarrollo e Innovacion of the Universitat Politecnica de Valencia in the framework of the Project Estudio del Flujo en Toberas de Inyeccion Diesel Mediante Tecnicas LES (project no. 2837) and by Ministerio de Ciencia e Innovacion in the framework of the Project Estudio Teorico-experimental sobre la Influencia del Tipo de Combustible en Los Procesos de Atomizacion y Evaporacion del Chorro Diesel (project no. TRA2011-26293).Salvador Rubio, FJ.; Ruiz Rosales, S.; Salavert Fernández, JM.; De La Morena Borja, J. (2013). Consequences of using biodiesel on the injection and air-fuel mixing processes in diesel engines. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering. 227(8):1130-1141. https://doi.org/10.1177/0954407012463667S113011412278Altın, R., Çetinkaya, S., & Yücesu, H. S. (2001). The potential of using vegetable oil fuels as fuel for diesel engines. Energy Conversion and Management, 42(5), 529-538. doi:10.1016/s0196-8904(00)00080-7Rakopoulos, C. D., Antonopoulos, K. A., Rakopoulos, D. C., Hountalas, D. T., & Giakoumis, E. G. (2006). Comparative performance and emissions study of a direct injection Diesel engine using blends of Diesel fuel with vegetable oils or bio-diesels of various origins. Energy Conversion and Management, 47(18-19), 3272-3287. doi:10.1016/j.enconman.2006.01.006Agarwal, A. K. (2007). Biofuels (alcohols and biodiesel) applications as fuels for internal combustion engines. Progress in Energy and Combustion Science, 33(3), 233-271. doi:10.1016/j.pecs.2006.08.003Basha, S. A., Gopal, K. R., & Jebaraj, S. (2009). A review on biodiesel production, combustion, emissions and performance. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13(6-7), 1628-1634. doi:10.1016/j.rser.2008.09.031Luján, J. M., Bermúdez, V., Tormos, B., & Pla, B. (2009). Comparative analysis of a DI diesel engine fuelled with biodiesel blends during the European MVEG-A cycle: Performance and emissions (II). Biomass and Bioenergy, 33(6-7), 948-956. doi:10.1016/j.biombioe.2009.02.003Golovitchev, V. I., & Yang, J. (2009). Construction of combustion models for rapeseed methyl ester bio-diesel fuel for internal combustion engine applications. Biotechnology Advances, 27(5), 641-655. doi:10.1016/j.biotechadv.2009.04.024LAPUERTA, M., ARMAS, O., & RODRIGUEZFERNANDEZ, J. (2008). Effect of biodiesel fuels on diesel engine emissions. Progress in Energy and Combustion Science, 34(2), 198-223. doi:10.1016/j.pecs.2007.07.001Payri, F., Bermúdez, V., Payri, R., & Salvador, F. J. (2004). The influence of cavitation on the internal flow and the spray characteristics in diesel injection nozzles. Fuel, 83(4-5), 419-431. doi:10.1016/j.fuel.2003.09.010Jung, K., Khil, T., & Yoon, Y. (2006). Effects of Orifice Internal Flow on Breakup Characteristics of like-Doublet Injectors. Journal of Propulsion and Power, 22(3), 653-660. doi:10.2514/1.20362Park, S. H., Suh, H. K., & Lee, C. S. (2008). Effect of Cavitating Flow on the Flow and Fuel Atomization Characteristics of Biodiesel and Diesel Fuels. Energy & Fuels, 22(1), 605-613. doi:10.1021/ef7003305PAYRI, R., GARCIA, J., SALVADOR, F., & GIMENO, J. (2005). Using spray momentum flux measurements to understand the influence of diesel nozzle geometry on spray characteristics. Fuel, 84(5), 551-561. doi:10.1016/j.fuel.2004.10.009Pastor, J. V., Arrègle, J., García, J. M., & Zapata, L. D. (2007). Segmentation of diesel spray images with log-likelihood ratio test algorithm for non-Gaussian distributions. Applied Optics, 46(6), 888. doi:10.1364/ao.46.000888Desantes, J. M., Payri, R., Garcia, J. M., & Salvador, F. J. (2007). A contribution to the understanding of isothermal diesel spray dynamics. Fuel, 86(7-8), 1093-1101. doi:10.1016/j.fuel.2006.10.011Desantes, J. M., Salvador, F. J., López, J. J., & De la Morena, J. (2010). Study of mass and momentum transfer in diesel sprays based on X-ray mass distribution measurements and on a theoretical derivation. Experiments in Fluids, 50(2), 233-246. doi:10.1007/s00348-010-0919-8Salvador, F. J., Ruiz, S., Gimeno, J., & De la Morena, J. (2011). Estimation of a suitable Schmidt number range in diesel sprays at high injection pressure. International Journal of Thermal Sciences, 50(9), 1790-1798. doi:10.1016/j.ijthermalsci.2011.03.030Payri, R., Tormos, B., Salvador, F. J., & Araneo, L. (2008). Spray droplet velocity characterization for convergent nozzles with three different diameters. Fuel, 87(15-16), 3176-3182. doi:10.1016/j.fuel.2008.05.028Luján, J. M., Tormos, B., Salvador, F. J., & Gargar, K. (2009). Comparative analysis of a DI diesel engine fuelled with biodiesel blends during the European MVEG-A cycle: Preliminary study (I). Biomass and Bioenergy, 33(6-7), 941-947. doi:10.1016/j.biombioe.2009.02.004Salvador, F. J., Martínez-López, J., Romero, J.-V., & Roselló, M.-D. (2011). Influence of biofuels on the internal flow in diesel injector nozzles. Mathematical and Computer Modelling, 54(7-8), 1699-1705. doi:10.1016/j.mcm.2010.12.010Desantes, J. M., Payri, R., Salvador, F. J., & Gil, A. (2006). Development and validation of a theoretical model for diesel spray penetration. Fuel, 85(7-8), 910-917. doi:10.1016/j.fuel.2005.10.023Wang, X., Huang, Z., Kuti, O. A., Zhang, W., & Nishida, K. (2010). Experimental and analytical study on biodiesel and diesel spray characteristics under ultra-high injection pressure. International Journal of Heat and Fluid Flow, 31(4), 659-666. doi:10.1016/j.ijheatfluidflow.2010.03.006Pogorevc, P., Kegl, B., & Skerget, L. (2008). Diesel and Biodiesel Fuel Spray Simulations. Energy & Fuels, 22(2), 1266-1274. doi:10.1021/ef700544rGao, Y., Deng, J., Li, C., Dang, F., Liao, Z., Wu, Z., & Li, L. (2009). Experimental study of the spray characteristics of biodiesel based on inedible oil. Biotechnology Advances, 27(5), 616-624. doi:10.1016/j.biotechadv.2009.04.022Lee, C. S., Park, S. W., & Kwon, S. I. (2005). An Experimental Study on the Atomization and Combustion Characteristics of Biodiesel-Blended Fuels. Energy & Fuels, 19(5), 2201-2208. doi:10.1021/ef050026hKamrak, J., Kongsombut, B., Grehan, G., Saengkaew, S., Kim, K.-S., & Charinpanitkul, T. (2009). Mechanistic study on spraying of blended biodiesel using phase Doppler anemometry. Biomass and Bioenergy, 33(10), 1452-1457. doi:10.1016/j.biombioe.2009.06.011Payri, R., Salvador, F. J., Gimeno, J., & Zapata, L. D. (2008). Diesel nozzle geometry influence on spray liquid-phase fuel penetration in evaporative conditions. Fuel, 87(7), 1165-1176. doi:10.1016/j.fuel.2007.05.05

Utilización de modelos matemáticos para el aprendizaje de aspectos avanzados de Combustión en alumnos de Ingeniería

[EN] The current work sintetizes the main findings regarding the application of mathematical models for advanced combustion physical and chemical aspects to the teaching-learning process in Combustion subjects for Engineering students. These models have been previously developed for research purposes, and then adapted as teaching tools. The aim of this adaptation is to complement the application cases seen in the classroom, where simplified methods are used, with more realistic studies only achievable through computational methods due to their higher mathematical complexity. The paper describes the main characteristics of the tools used, the methodology used to incorporate them to the teaching environment and, finally, evaluates the main impact of their application both in the learning results from the students and their satisfaction about the process.[ES] En el presente trabajo se sintetizan los resultados de la aplicación de modelos matemáticos para aspectos físico-químicos avanzados aplicados al proceso de enseñanza-aprendizaje de la asignatura de Combustión para alumnos de lngeniería. Estos modelos han sido desarrollados previamente en el ámbito investigador, y posteriormente adaptados como herramientas docentes. El objetivo de las mismas es complementar los casos vistos en el aula, donde se trabaja con métodos de resolución simplificados, con estudios más realistas que únicamente son abordables computacionalmente debido a la mayor complejidad matemática. En el artículo se presentan los fundamentos de las herramientas utilizadas, se describe la metodología usada para su adaptación al ámbito docente y, finalmente, se evalúa el impacto de su implementación tanto en los resultados de aprendizaje de los alumnos como en su grado de satisfacción final.Martín Díaz, J.; García Martínez, A.; Morena Borja, JDL.; Monsalve Serrano, J. (2019). Utilización de modelos matemáticos para el aprendizaje de aspectos avanzados de Combustión en alumnos de Ingeniería. En IN-RED 2019. V Congreso de Innovación Educativa y Docencia en Red. Editorial Universitat Politècnica de València. 437-448. https://doi.org/10.4995/INRED2019.2019.10525OCS43744

Experiencia sobre el empleo del estudio de caso y herramientas de simulación para mejorar la comprensión del ciclo termodinámico de motores a reacción

[EN] The current work describes a methodology aimed at improving the understanding of the jet engine cycle by combining a case study and a simulation environment. This methodology is developed for the Propulsion subject, taught at the third year on Aerospace Engineering degree. In particular, the students are asked to analyze the detailed impact of the main two boundary conditions from the point of view of the engine performance: altitude and flight velocity or Mach. The case study is done in groups of five students so that teamwork skills are also developed. The methodology has been applied over the last five years, showing positive results both in terms of academic performance and students’ engagement on average. However, some points of improvement are identified. On the one hand, increasing diversity of students with different backgrounds has challenged the way in which the study is organized, and results show that more diverse groups tend to get worse results compared to others. On the other hand, there is a misconnection between the methodology and the organization of other subjects in the same area inside the degree. An update of the methodology is proposed to improve these two aspects.[ES] En este trabajo se describe una metodología enfocada a mejorar la comprensión del ciclo termodinámico de motores a reacción mediante la combinación de un estudio del caso y un entorno de simulación. La metodología se desarrolla para estudiantes de la asignatura de Propulsión del Grado en Ingeniería Aeroespacial. En particular, se pide a los estudiantes que analicen con detalle el impacto de las dos principales condiciones de contorno que afectan a las prestaciones del motor: altitud y velocidad de vuelo (o Mach). El estudio del caso se hace en grupos de cinco estudiantes, y ha mostrado resultados positivos tanto en rendimiento académico como en cuanto a la implicación del alumnado en general. No obstante, se han identificado algunos aspectos a mejorar. Por un lado, el aumento del número la diversidad del alumnado ha desafiado la organización del trabajo, mostrando peores resultados en grupos con estudiantes que tenían un bagaje diferente al habitual. Por otro lado, hay una aparente desconexión entre la metodología usada y la organización de otras asignaturas de la misma área de conocimiento del grado. Se propone una actualización de la metodología para mejorar ambos aspectos.Este trabajo ha sido parcialmente financiado por la Universitat Politècnica de València a través del proyecto PIME 20-21/204.Piqueras Cabrera, P.; Morena Borja, JDL.; Bares Moreno, P.; Sanchis Pacheco, EJ. (2021). Experiencia sobre el empleo del estudio de caso y herramientas de simulación para mejorar la comprensión del ciclo termodinámico de motores a reacción. En IN-RED 2021: VII Congreso de Innovación Edicativa y Docencia en Red. Editorial Universitat Politècnica de València. 846-859. https://doi.org/10.4995/INRED2021.2021.13739OCS84685

Estudio de la influencia del flujo interno sobre posteriores fenómenos de inyección-combustión

La tésis de Máster se centra en el estudio de la influencia del flujo interno en toberas Diesel sobre el proceso de inyección. En primer lugar se ha analizado la influencia de la cavitación sobre el proceso de mezcla aire-combustible y la combustión. Posteriormente se ha profundizado en el efecto sobre el desarrollo del chorro en campo próximo.De La Morena Borja, J. (2009). Estudio de la influencia del flujo interno sobre posteriores fenómenos de inyección-combustión. http://hdl.handle.net/10251/12906Archivo delegad

Problemas resueltos de combustión

Esta obra presenta una relación de ejercicios y problemas que tienen como objetivo la aplicación de aspectos fundamentales relacionados con procesos de combustión. A través de su desarrollo, el lector podrá consolidar los aspectos prácticos de los conocimientos adquiridos gracias a la exposición precisa y detallada de la resolución de estos problemas.El libro se divide en tres grandes bloques (Termoquímica, Combustión Premezclada y Combustión por Difusión), de acuerdo a la estructura tradicional de aprendizaje de la materia. En cada bloque se presentan problemas de complejidad diversa, desde cuestiones sencillas de aplicación directa de algunos conceptos teóricos hasta otros en los que se requiere un ejercicio de síntesis de distintos aspectos, más cercanos a casos de diseño.El texto va dirigido a los alumnos de las diversas asignaturas de Combustión existentes en las titulaciones de los campos de la Ingeniería Aeroespacial, Ingeniería Mecánica e Ingeniería IndustrialGarcía Oliver, JM.; García Martínez, A.; Morena Borja, JDL.; Monsalve Serrano, J. (2019). Problemas resueltos de combustión. Editorial Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/128090EDITORIA

Analysis of diesel spray atomization by means of a near-nozzle field visualization technique

[EN] In this paper, a high-resolution visualization technique has been used in order to characterize Diesel spray structure in the near-nozzle field. For this purpose, three conical nozzles with different diameters have been used to relate nozzle geometry and spray behavior in non-cavitating conditions. As a first step, geometrical and hydraulic characterization of the nozzles has been performed. The analysis of the images obtained has shown that spray aperture varied significantly during the first millimeters of the spray, until reaching to the stabilized value of spray cone angle, which is the one usually characterized by other visualization techniques. Furthermore, the structure of the liquid-gas interface presented an oscillatory behavior, which is related to primary atomization process. These oscillations have been quantified and statistically correlated with nozzle geometry and operating conditions by means of three different non-dimensional numbers: Reynolds number, air/fuel density ratio, and Ohnesorge number. © 2011 by Begell House, Inc.This research was sponsored by Vicerrectorado de Investigacion, Desarrollo e Innovacion of the Universitat Politecnica de Valencia, under the Project ` Estudio numerico del flujo en toberas de inyeccion diesel con aproximacion LES y mediante grid computing (LESFLOWGRID), Reference 2837, and by Ministerio de Ciencia e Innovacion, under the Project Estudio teorico experimental sobre la influencia del tipo de combustible en los procesos de atomizacion y evaporacion del chorro Diesel (PROFUEL), Reference No. TRA2011-26293. This support is gratefully acknowledged by the authors.Payri Marín, R.; Salvador Rubio, FJ.; Gimeno García, J.; De La Morena Borja, J. (2011). Analysis of diesel spray atomization by means of a near-nozzle field visualization technique. Atomization and Sprays. 21(9):753-774. doi:10.1615/AtomizSpr.v21.i9S75377421