Investigations of Diesel Sprays in Optical Engines - Liquid Fuel Penetration and Lift-Off Length

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Dieselmotorn lanserades för mer än ett sekel sedan och är nu den mest använda motorn inom Europas transportsektor. Detta beror framför allt på dess låga bränsleförbrukning och höga effekt. Avgasutsläppen är dieselmotorns största nackdel eftersom dessa biprodukter från förbränningen har negativa effekter både på folkhälsan och miljön. Därför regleras utsläppen genom lagstiftning. De tillåtna utsläppsnivåerna sänks dramatisk vid varje nytt lagstiftningstillfälle, vilket driver motortillverkare att hitta nya teknologiska lösningar och samtidigt motorforskningen att förbättra förståelsen av de mekanismer som ligger bakom emissionsbildningen i cylindern. Det mest problematiska utsläppet från dieselmotorer är sot, som till största delen består av kol. Sot bildas när bränslet förbränns med ett underskott av luft. Bränslets kolatomer kan då inte omvandlas till koldioxid (CO\textsubscript{2}) utan bildar istället kolpartiklar. Sotutsläppen är svåra att prediktera med de beräkningsverktyg (CFD) som idag används vid utveckling av förbränningssystem för dieselmotorer. En av de processer som är viktiga att förstå är flammans stabilisering på att visst avstånd från insprutaren (den så kallade lift-off längden eller ”lyfthöjden”). Den är central för sotbildningen i en brinnande dieseljet eftersom den bestämmer hur mycket luft som kan blandas med bränslet innan det antänds. Den bestämmer med andra ord hur stort luftunderskottet blir under förbränningen. Lyfthöjden har främst studerats i spraykammare, där en ensam dieseljet sprutas in i en mycket stor volym luft. Studier i optiska motorer i Lund har visat att spraykammarresultat inte kan överföras direkt till motorer. Detta beror på att spraykammare inte återskapar en rad av de förhållanden som påverkar förbränningen i en motor. I motorn interagerar till exempel flera sprayer med varandra och med förbränningsrummets väggar. Idag finns alltså inget giltigt valideringsunderlag för CFD-modeller vad avser flammans stabilisering i motorer. Den här avhandlingen består av två delar. Den första fokuserar på att beskriva lyfthöjden i motormiljö och den andra fokuserar på det vätskeformiga bränslets utbredning i förbränningsrummet. En experimentell databas över lyfthöjder har byggts upp från mätningar i en optisk motor, vilket är en motor som försetts med ”fönster” genom vilka förbränningsförloppet kan studeras. En rad parametrar varieras tillsammans med närheten mellan sprayerna och luftens flödesmönster i cylindern. Resultaten har sammanställts i en empirisk modell av lyfthöjden som kan användas för validerings- och kalibreringsunderlag av CFD-modeller. Bränslets kemiska egenskaper har också en effekt på lyfthöjden och sotbildningen. Därför studerades även flammans stabilisering med två ovanliga bränslen i en spraykammare. Syftet var dels att förstå flamstabiliseringsprocessen och dels att se om dessa bränslen kan användas i dieselmotorer. Det mesta av det sot som bildas under förbränningen oxideras i cylindern innan avgasventilen öppnas. Därför är det viktigt att förstå hur oxidationsprocessen påverkar utsläppen. En korrelationsanalys av motordata bekräftar i den här avhandlingen att oxidationsprocessen är det viktigaste verktyget för att minska sotutsläppen. Det är dock fortfarande viktigt att förstå lyfthöjden och hur den påverkar sotbildningprocessen. Då utsläppen är skillnaden mellan den mängd sot som bildas och den mängd som oxideras, måste man ju ha kunskap om båda processerna för att kunna prediktera exakt hur stora utsläppen blir. I andra delen av avhandlingen presenteras två studier om vätskans utbredning i bränslesprayerna. Den första är kopplad till ett praktiskt problem som uppstår när partikelfällan regenereras i en bil, det vill säga att de sotpartiklar som fastnat i fällan bränns ur. Speciella insprutningsstrategier används vid regenereringen och dessa gör det svårt att undvika att bränslet träffar cylinderväggen. I en optisk motor kan man direkt studera om bränslet förångas innan det når väggen. I detta fall kunde den optiska motorn användas för att ta fram en insprutningsstrategi som undviker väggvätning. Den sista delen av avhandlingen är en studie som beskriver hur interaktioner mellan sprayerna påverkar vätskans utbredning i sprayen, vilket inte har så stor praktisk betydelse men bidrar till den grundläggande förståelsen av de processer som styr spraybildningen.