Study of the Gasoline Direct Injection Process under Novel Operating Conditions

[ES] La inyección de combustible es, entre los temas de investigación de motores, una de las piezas críticas para obtener un motor eficiente. El papel es aún más significativo cuando se persigue una estrategia de inyección directa. La geometría interna y el movimiento de la aguja determinan el comportamiento del flujo del inyector, que se sabe que afecta enormemente al desarrollo externo del spray y, en última instancia, al rendimiento de la combustión dentro de la cámara. La conciencia sobre el cambio climático y los contaminantes ha ido creciendo, impulsando el esfuerzo en motores más limpios. En este sentido, los motores de gasolina tienen un margen más amplio para mejo- rar que los motores diesel. La evolución de los antiguos PFI a las modernas estrategias de inyección directa, que se utilizan en los motores de nueva generación, demuestra esta tendencia. Los sistemas GDI tienen el potencial de cumplir con las estrictas emisiones y aumentar el ahorro de combustible, sin embargo, todavía se enfrenta a muchos desafíos. Este trabajo implica el uso de dos inyectores, uno es una moderna tobera de GDI de investigación designada por el Engine Combustion Network (ECN), y el otro es una unidad de inyección de producción (PIU) con la misma tecnología y una geometría ligeramente diferente. Ambos equipos se someten a una completa caracterización (flujo interno y externo) que abarca las técnicas más avanzadas en diversas instalaciones experimentales. Además, se diseña y construye una nueva instalación para realizar experimentos en condiciones de evaporación instantánea (cuando la presión de vapor del combustible inyectado es superior a la presión del volumen de descarga). La instalación construida está diseñada para simular un ambiente de descarga en ciertas condiciones del motor en las que podrían producirse fenómenos de flash boiling. Así, debido a las propiedades típicas del combustible de gasolina, era un requisito operar con presiones de cámara de 0,2 a 15 bares. Además, la temperatura ambiente se controlaba mediante la implementación de una resistencia que puede calentar el gas ambiente. La instalación funciona en un bucle abierto, pudiendo renovar el volumen de gas entre las inyecciones. Por último, se construyeron tres amplios accesos ópticos para acomodar muchas técnicas de diagnóstico óptico como DBI, MIE, shadowgraphy o PDA, entre otros. Para la evaluación del flujo interno se determinó la geometría de las toberas y la orientación de los agujeros, el movimiento de la aguja y, por último, la caracterización del ratio de inyección (ROM) y el momento de inyección (ROI) de ambas toberas. La geometría de las toberas y la elevación de la aguja se midieron mediante técnicas avanzadas de rayos X en el Laboratorio Nacional de Argonne (ANL). Las mediciones de ROI y ROM se realizaron utilizando las instalaciones de CMT-Motores Térmicos siguiendo los conocimientos técnicos aplicados en los inyectores de gasóleo y adaptándolos a las toberas de GDI. El ROI nos permitió comparar las boquillas, cuyo número de orificios y geometría eran diferentes, aunque entregan aproximadamente la misma cantidad de combustible. Se ensayó la respuesta a condiciones típicas de motor como variaciones en la presión del rail, la presión de descarga, la temperatura del combustible, etc. Para el inyector de investigación "Spray G", se desarrolló un modelo 0-D de la velocidad de inyección que permite obtener la señal para diferentes condiciones y duración de la inyección, lo cual es útil para la calibración del motor y la validación del CFD. Además, para la caracterización de la ROM, se desarrolló la metodología de la técnica de deformación plástica para obtener la orientación del cono del spray y orientar adecuadamente los chorros de combustible para la medición de ROM. En el análisis hidráulico se combinaron los datos para estudiar los bajos valores del coeficiente de descarga y[CA] La injecció de combustible és, entre els temes d'investigació de motors, una de les peces crítiques per a obtindre un motor eficient. El paper és encara més significatiu quan es persegueix una estratègia d'injecció directa. La geometria interna i el moviment de l'agulla determinen el comportament del flux de l'injector, que se sap que afecta enormement el desenvolupament extern de l'esprai i, en última instància, al rendiment de la combustió dins de la cambra. La consciència sobre el canvi climàtic i els contaminants ha anat creixent, impulsant l'esforç en motors més nets. En aquest sentit, els motors de gasolina tenen un marge més ampli per a millorar que els motors dièsel. L'evolució dels antics PFI a les modernes estratègies d'injecció directa, que s'utilitzen en els motors de nova generació, demostra aquesta tendència. Els sistemes GDI tenen el potencial de complir amb les estrictes emissions i aug- mentar l'estalvi de combustible, no obstant això, encara s'enfronta a molts desafiaments. Aquest treball implica l'ús de dos injectors, un és una moderna tovera de GDI d'investigació designada pel Engine Combustion Network (ECN), i l'altre és una unitat d'injecció de producció (PIU) amb la mateixa tecnologia i una geometria lleugerament diferent. Tots dos equips se sotmeten a una completa caracterització (flux intern i extern) que abasta les tècniques més avançades en diverses instal·lacions experimentals. A més, es dissenya i construeix una nova instal·lació per a realitzar experiments en condicions d'evaporació instantània (quan la pressió de vapor del combustible injectat és superior a la pressió del volum de descàrrega). La instal·lació construïda està dissenyada per a simular un ambient de descàrrega en certes condicions del motor en les quals podrien produir-se fenòmens de flash boiling. Així, a causa de les propietats típiques del combustible de gasolina, era un requisit operar amb pressions de cambra de 0,2 a 15 bars. A més, la temperatura ambient es controlava mitjançant la implementació d'una resistència que pot calfar el gas ambiente. La instal·lació funciona en un bucle obert, podent renovar el volum de gas entre les injeccions. Finalment, es van construir tres amplis accessos òptics per a acomodar moltes tècniques de diagnòstic òptic com DBI, MIE, shadowgraphy o PDA, entre altres. Per a l'avaluació del flux intern es va determinar la geometria de les toveres i l'orientació dels forats, el moviment de l'agulla i, finalment, la caracterització del ràtio d'injecció (ROM) i el moment d'injecció (ROI) de totes dues toveres. La geometria de les toveres i l'elevació de l'agulla es van mesurar mitjançant tècniques avançades de raigs X en el Laboratori Nacional de Argonne (ANL). Els mesuraments de ROI i ROM es van realitzar utilitzant les instal·lacions de CMT-Motores Térmicos seguint els coneixements tècnics aplicats en els injectors de gasoil i adaptant-los a les toveres de GDI. El ROI ens va permetre comparar els filtres, el nombre d'orificis dels quals i geometria eren diferents, encara que entreguen aproximadament la mateixa quantitat de combustible. Es va assajar la resposta a condicions típiques de motor com a variacions en la pressió del rail, la pressió de descàrrega, la temperatura del combustible, etc. Per a l'injector d'investigació "Esprai G", es va desenvolupar un model 0-D de la velocitat d'injecció que permet obtindre el senyal per a diferents condicions i duració de la injecció, la qual cosa és útil per al calibratge del motor i la validació del CFD. A més, per a la caracterització de la ROM, es va desenvolupar la metodologia de la tècnica de deformació plàstica per a obtindre l'orientació del con de l'esprai i orientar adequadament els dolls de combustible per al mesurament de ROM. En l'anàlisi hidràulica es van combinar les dades per a estudiar els baixos valors del coeficient de descàrrega i del coeficient d'àr[EN] Fuel injection is among the engine research topics one of the critical pieces to obtain an efficient engine. The role is even more significant when a direct injection strategy is pursued. The internal geometry and pintle movement determine the injector flow behavior, which is known to hugely affect the external spray development and, ultimately, the combustion performance inside the chamber. Climate change and pollutants awareness has been growing, pushing forward the effort on cleaner engines. In this regard, gasoline en- gines have a wider margin to improve than diesel engines. The evolution from old Port Fuel Injectors to modern direct injection strategies, which are used in new generation engines, demonstrates this trend. GDI systems have the potential to comply with stringent emissions and increase fuel economy, however, it still faces many challenges. This work involves the use of two injectors, one is a modern research GDI nozzle appointed by the Engine Combustion Network (ECN), and the other is a production injector unit (PIU) with the same technology and slightly different geometry. Both hardware's undergo a complete characterization (internal and external flow) covering the state- of-the-art techniques in various experimental facilities. Furthermore, a new facility is designed and built to perform experiments under flash boiling conditions (when the fuel injected's vapor pressure is higher than the pressure in the discharge volume). The developed facility is designed to simulate a discharge ambient at certain engine conditions in which flash boiling phenomena could occur. Thus, due to typical gasoline fuel properties, it was a requirement to operate from chamber pressures from 0.2 bar to 15 bar. Also, the ambient temperature was controlled by implementing a resistor that can heat the ambient gas. The facility operates in an open loop, being able to renovate the gas volume between injections. Finally, three wide optical accesses were built to accommodate many optical diagnostic techniques such as DBI, MIE, shadowgraphy, or PDA, among others. For the internal flow description, it was determined the nozzles geometry and holes orientation, the pintle movement, and finally, the characterization of the rate of momentum (ROM) and rate of injection (ROI) of both nozzles. The nozzles geometry and needle lift were measured using advanced optical x-ray techniques at Argonne National Laboratory (ANL). The ROI and ROM measurements were performed using CMT-Motores Térmicos facilities follow- ing the know-how applied in diesel injectors and adapting it to GDI nozzles. The ROI allowed us to compare the nozzles, whose orifices number and geometry were different, although they deliver approximately the same amount of fuel. It was tested their response to typical boundary conditions such as rail pressure, discharge pressure, fuel temperature, etc. For the research nozzle "Spray G", it was developed a 0-D model of the rate of injection allowing to obtain the signal for different injection duration and conditions, which is useful in engine calibration and CFD validation. Furthermore, for the ROM characterization, the plastic deformation technique methodology was developed to obtain spray cone orientation and adequately guide the fuel jets for measuring ROM. The hydraulic analysis combined the data to study the low discharge coefficient and area coefficient values, which could result from low needle lift combined with novel hole designs in both nozzles that promote cavitation and air interaction from inside the orifice. In the external flow characterization, it was used the new developed vessel to study the external spray covering flash boiling conditions. It was employed four surrogate fuels to simulate different volatility properties of gasoline com- pounds and ultimately reproduce more extreme flashing conditions. It was used lateral visualization using DBI and Schlieren in addition to frontal MIE visualization. Some of tBautista Rodríguez, A. (2021). Study of the Gasoline Direct Injection Process under Novel Operating Conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/167809TESI

Analysis of counterbore effect in five diesel common rail injectors

[EN] The present work assesses how the nozzle geometry, particularly the counterbore which is used in gasoline direct injection, could improve the fuel mixture when injecting in diesel engines, and ultimately, increase the thermal efficiency of the engine. Five different injector's nozzles are tested using a parametric variation over counterbore dimensions. For this purpose, measurements of the rate of injection, spray momentum and non-evaporative visualization are performed. Comparison of the nozzles performance is assessed by the rate of injection and momentum, nozzle coefficients in the hydraulic part, and in terms of spray penetration and spray angle in the visualization part which describe the macroscopic characteristics of spray development. Minimal variation was found observing at the hydraulic characterization of the injectors. On the other hand, a more notable difference was found in the visualization experiments, in which the modified nozzles presented greater spray angles and smaller penetration than the original one without counterbore. This work provides an insight into the potential effects of using the popular counterbore-used in gasoline direct injection (GDI)-in a diesel injector.The authors would like to express their gratitude to the lab technicians Jose Enrique and Omar and to Sai Vinayak and Alejandro Tortosa for their collaboration throughout the experiments. Part of the experimental equipment was purchased with support from Generalitat Valenciana through project IDIFEDER2018 with title "DIAGNOSTICO OPTICO A ALTA VELOCIDAD PARA EL ESTUDIO DE PROCESOS TERMO-FLUIDODINAMICOS EN SISTEMAS DE INYECCION". Finally, they would like to acknowledge the partnership with CNH industrial.Payri, R.; Hardy, G.; Gimeno, J.; Bautista-Rodríguez, A. (2019). Analysis of counterbore effect in five diesel common rail injectors. Experimental Thermal and Fluid Science. 107:69-78. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2019.05.008S697810

Numerical Analysis of GDI Flash Boiling Sprays Using Different Fuels

[EN] Modeling the fuel injection process in modern gasoline direct injection engines plays a principal role in characterizing the in-cylinder mixture formation and subsequent combustion process. Flash boiling, which usually occurs when the fuel is injected into an ambient pressure below the saturation pressure of the liquid, is characterized by fast breakup and evaporation rates but could lead to undesired behaviors such as spray collapse, which significantly effects the mixture preparation. Four mono-component fuels have been used in this study with the aim of achieving various flashing behaviors utilizing the Spray G injector from the Engine Combustion Network (ECN). The numerical framework was based on a Lagrangian approach and was first validated for the baseline G1 condition. The model was compared with experimental vapor and liquid penetrations, axial gas velocity, droplet sizes and spray morphology and was then extended to the flash boiling condition for iso-octane, n-heptane, n-hexane, and n-pentane. A good agreement was achieved for most of the fuels in terms of spray development and shape, although the computed spray morphology of pentane was not able to capture the spray collapse. Overall, the adopted methodology is promising and can be used for engine combustion modeling with conventional and alternative fuels.This research was funded by Ministerio de Ciencia, Innovacion y Universidades grant number RTI2018-099706-B-I00 in the frame of the project Study of Primary Early Atomization using DNS and Optical Ultra-high resolution Techniques (SPREAD OUT). Additionally, the PhD student Rami Abboud has been funded by Ayudas para la formacion de profesorado universitario (FPU) program with reference FPU19/03838.Payri, R.; Marti-Aldaravi, P.; Abboud, R.; Bautista-Rodríguez, A. (2021). Numerical Analysis of GDI Flash Boiling Sprays Using Different Fuels. Energies. 14(18):1-23. https://doi.org/10.3390/en14185925123141

Implementación de modelos atmosféricos y geográficos en plataformas de simulación mediante hardware-in-the-loop

[ES] nuestros objetivos principales serán diseñar e implementar los sistemas atmosféricos y geográficos en una plataforma de HIL. Esto se conseguirá a través de desarrollar programas que establezcan una conexión con el simulador de vuelo Flightgear, que proporcionara variables atmosféricas y geografía del terreno. Por otra parte, se desarrollara otro programa para la simulación de unos sensores de viento recientemente incluidos en el proyecto. Para finalizar, se modificara el modelo del avión para incluir las variables atmosféricas a este.Bautista Rodríguez, A. (2014). Implementación de modelos atmosféricos y geográficos en plataformas de simulación mediante hardware-in-the-loop. http://hdl.handle.net/10251/177177Archivo delegad

The effects of injector geometry and operating conditions on spray mass, momentum and development using high-pressure gasoline

[EN] High fuel injection pressure (>500 bar) in direct injection gasoline engines is an important means to reduce particulate emissions. While decades of fuel spray research has dramatically advanced the understanding high-pressure diesel fuel sprays, few studies focus on high-pressure gasoline sprays. The objective of this work was to quantify the effects of different injector nozzle geometries on important high-pressure gasoline spray characteristics including injection mass flow rate, momentum flux, and spray imaging at evaporative and non-evaporative conditions. Three categories of nozzle internal geometry were evaluated: inlet rounding; converging-, diverging-, and straight-cylindrical internal flow passages; and different nozzle outlet diameters. Reference grade gasoline was used at injection pressures of 600, 900, 1200, and 1500 bar at chamber pressures from 1 to 30 bar and chamber temperatures from 293 to 800 K. Two fuel injector temperatures of 293 K and 363 K were studied. The mass and momentum measurements were used to quantify differences in injector geometry as well as to evaluate for effects of cavitation. The visualization data were analyzed to determine spray penetration and spray angle development for a broad range of operating and state conditions. The results showed internal flow significantly impacts injector performance, where nozzles with inlet rounding resulted in 20% higher mass flow rate compared with straight cylindrical nozzles. Higher fuel injector temperatures also increased mass flow rate by up to 5%. Spray momentum coefficients showed a linear relationship with cavitation number indicating all nozzles were cavitating at all conditions tested. Trends in fuel spray penetration and spray angle development were similar to those observed previously for diesel sprays, which was unexpected given the significant differences in thermal-physical properties of the fuels. Chamber pressure had the strongest influence on penetration distance, and the momentum measurements were good indicators of the injector geometry with the highest penetration distance.The authors would like to acknowledge the generous support of the Mechanical Engineering Department and the Rackham Graduate School at the University of Michigan. The work was also made possible through collaboration with the Engine Research Division, Centro Motores Termicos at Universitat Politecnica de Valencia. We would like to offer special thanks to the faculty, technicians and graduate students at Universitat Politecnica de Valencia that contributed their time and expertise to the work.Medina, M.; Bautista-Rodríguez, A.; Wooldridge, M.; Payri, R. (2021). The effects of injector geometry and operating conditions on spray mass, momentum and development using high-pressure gasoline. Fuel. 294:1-10. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.12046811029