Introduction to Liquid Sprays Characteristics in Diesel Engines

For  decades, the  process of injecting  an  active  fluid  (diesel  fuel)  into  the  thermodynamic behaviour  of  a  working  fluid   (air  or  gas)  has  been   a  priority  in  the  research  of  the phenomena that   occur  in  combustion  systems. Due  to  technological improvements  it’s possible in present times  to characterise the  injection  fuel  process in such  conditions that match  those  happening when  the  engine  is running under standard conditions, hence  the purpose of these  studies, which  focus  in the  achievement of a perfect  mixture between the working and  active fluids;  as a result  of this, a series of consequences are triggered that  lead to an optimum combustion, and  therefore in the improvement of the engines capabilities. In Diesel  engines  the  combustion  process   basically   depends  on  the  fuel  injected   into  the combustion chamber and  its interaction with the air.

The injection  process is analysed from this point  of view, mainly using  as basis the structure of the   fuel  spray   in  the   combustion  chamber,  making  this   study  of  high   importance  for optimizing  the   injection   process,  and   therefore  reducing  the   pollutant  emissions  and improving the engines performance. Because of these,  the importance to obtain  the maximum control  of the  diesel  spray  structure using  electronic control  systems has  become  vital.  To reduce pollutant emissions and  achieving a high  engine  performance, it’s necessary to know which  parameters influence these  ratings the  most.  It is consider being  several  meaningful factors that have an influence, but the most important one is the diesel spray,  more specifically the penetration of the liquid length of the spray  thru  the combustion chamber or piston bowl. The analysis of the liquid length penetration is very  useful  to determine the geometric design of high  speed Diesel engine  combustion chambers with  direct  injection.  For example, in a low speed regime and  light load conditions, the unburned hydrocarbon emissions will be reduced greatly if contact  between the spray  of fuel (liquid length) and the combustion chamber wall is avoided. If now  we consider a high  speed regime and  heavy  load,  the  emission of fumes  is reduced if there  is contact  between the spray  of fuel and  the combustion chamber wall, hence

the  importance of measuring the  liquid phase  penetration of the  fuel in Diesel  engines with direct injection,  using  sophisticated and complex measuring techniques.

Diesel spray characteristics

Depending on the mechanism to characterise, diesel  spray  can be analysed in a macroscopic or microscopic point  of view.  With  the purpose of understanding in detail  this process,  the various physical parameters involved during the transition of a pulsed diesel  spray  will be expressed in this chapter, however it is essential to know  the systems that make  possible for an  injection   process to  take  place.  These  are  the  injection   nozzle,   active  fluid  to  inject (liquid), and the working fluid on which  the liquid is injected,  as seen in figure  1.

Reynolds Number: Density and  kinematic viscosity must  be particularised for liquid or gas, furthermore these  properties can  be  evaluated for  intermediate conditions between both fluid film conditions. These parameters can be divided into two groups:

1.    External flow parameters (relation of densities, Weber  number, Taylor  parameter), these   parameters  control   the   interaction  between  the   liquid  spray  and   the surrounding atmosphere.

2.    Internal     flow      parameters     (Reynolds     number,     cavitation     parameter, length/diameter relation, nozzle  radius entrance/diameter relation, discharge coefficient):  these  parameters control  the  interaction between the  liquid and  the nozzle.

Macroscopic Characteristics

The  macroscopic description of a diesel  spray generally emphasise the  interaction of the latter  and  the control  volume where it is injected  and  mixed,  and  because of this  the diesel spray can be defined with  the following physical parameters (Figure  2.2):

1. Spray tip penetration

2. Spray angle

3. Breack up length

Front Penetration                                                                              

The injection  front  penetration (S) is defined as the total  distance covered by the spray in a control  volume, and  it’s determined by the equilibrium of two  factors,  first the momentum quantity with   which   the  fluid   is  injected   and   second, the  resistance that  the  idle  fluid presents in the  control  volume, normally a gas.  Due  to friction  effects,  the  liquids kinetic energy  is  transferred  progressively  to   the   working  fluid.   This   energy  will   decrease continuously until  the  movement of the  droplets depends solely  on  the  movement of the working  fluid   inside   the   control   volume.  Previous  studies  have   shown  that   a  spray penetration  overcomes that  of a  single  droplet, due  to  the  momentum that  the  droplets

Considering C1 and  C2 experimental constants, deq   to be the  equivalent diameter, and  C another experimental constant as a function of the discharge coefficient,  it can be said  that the  discharge coefficient  and  the  constant C have  a direct  dependence on the  injector  type used  and  in less measure on the working conditionsTherefore and  according to (Hiroyasu

& Dent,  1990) proposal, the  discharge coefficient  (Cd)  for  a determined injector  does  not modify the constant C value.  Other  works  of great  importance concerning the penetration of spays  in VCO nozzles  were  presented by (Bae & Kang, 2000), in which  he classifies different types  of sprays for different densities of the working fluid.

As  a summary it can  be  said  that  the  penetration of the  spray  basically  depends on  the following parameters:

-Injection  pressure increasing ΔP: Increasing the injection  pressure in relation to the control volume where the fuel is injected  (ΔP), increases the velocity  of the penetration of the spray

and  hence  the  development of the  latter  will  be  easier  at  the  beginning, (Hiroyasu et al.,

1980) and  (Arai et al., 1984).

According to (Ahmadi et al., 1991), because a part  of the  liquid advances rapidly through the  internal spray  area  where the  aerodynamic interaction is poor,  the  injection  pressure fluctuations are  not  related to the  injections velocity.  On  the  other  hand, at the  tip  of the spray  the high aerodynamic interaction causes  the latter  to lose velocity,  making the recently injected  liquid to reach and  pass this slower  moving tip, taking  its place as the new spray  tip and  afterwards being  slowed down as well  by the  control  volumes surroundings. As well, (Nishida et al., 1992) and  (Tinaut  et al., 1993) suggest that  the velocity  of the droplets at the tip is usually slower  than  in other  regions of the spray,  so the simple  fact that  the velocity  of the droplets is slower  than  the velocity  of penetration demands a constant droplet renewal in the tip of the spray.

-Density ratio  (ρ*): this  dimensionless parameter ρ*  or  relation of  densities, according to (Hiroyasu et al., 1980), (Arai  et al., 1984) and  (Payri  et al., 1996), considerably affects  the penetration of the  spray,  due  to the  fact that  increasing the  relation of densities causes  the penetration to  reduce  considerably, this  is  because  of  the  increase   or  reduction  of  the aerodynamic interaction, according to the respective parameter scale.

-Working fluid  temperature (Tg): density reduction can  be  caused by  the  increase  of the working fluids  temperature, hence,  the  decrease of spray  penetration. However, previous studies  show   that   the   spray’s  temperature  doesn’t  produce  significant  effects   in  the penetration in relation to other  parameters, (Hiroyasu et al., 1980) and  (Arai et al., 1984).

Cone  angle

The cone  angle  is defined as the  angle  formed by two  straight lines  that  stat  from  the  exit orifice of the nozzle  and  tangent to the spray  outline (sprays morphology) in a determined distance. The angle  in a diesel  spray  is formed by two straight lines that  are in contact  with the spray’s outline and  at a distance equivalent to 60 times  de exit diameter of the nozzles orifice.  This  angle  usually is between 5 and  30 degrees. This  determines greatly the  fuels macroscopic distribution  in  the  combustion chamber. In  one  hand, the  increase in  angle decreases the  penetration and   can  cause  interference between sprays (when sprays are injected  using  multi-orifice nozzles) in the same chamber favouring the merging of droplets. On  the  other  hand, an  excessive  penetration is favoured when the  angle  decreases lower than  certain  values,  causing the  spray  to  collide  with  the  piston bowl  or  the  combustion chamber.

In previous studies there  have  been  a series  of proposals to determine the cone angle,  some of the most important are as follows:

Where:  Do represent the diameter of the nozzles  jacket. With this expression it’s possible to determine the angle of opening of the fully developed spray,  where the angle  is practically a function of  the  nozzles   orifice  geometry and  the  dimensionless  term   of  the  relation of densities (ρ*). Others parameters such  as cinematic viscosity can  in some  way  modify the limits of the developed spray,  but not the angle of the cone.

The cone angle  is mainly affected  by the geometric characteristics of the nozzle,  the density ratio  (ρ*), and  the  Reynolds number of the  liquid, (Reitz & Bracco, 1979, 1982), apart from depending on other  variable such as those described as follows:

-Increasing pressure (ΔP): An  increase  in  the  injection  pressure causes  an  increase in  the cone angle up to a maximum value,  above decrease gradually.

-Density ratio  (ρ*): An increase  in the relation of densities is a factor  that  causes  an increase in the cone angle  due  to an increase in the aerodynamic interaction, according to (Arrègle,

1998) and  (Naber  & Siebers, 1996), for values  greater than  (ρ*  > 0.04) the cone angle  tends  to be independent of this parameter.

-Working  fluid   temperature  (Tg):  Increasing  working  fluid   temperature,  increases the evaporation process  in the sprays exterior zone,  consequently a decrease in the angle  of the cone, (Hiroyasu et al., 1980).

Liquid Length

The liquid length of the  spray  is a very  important characteristic to define  the behaviour of the  spray  in the  combustion chamber. This  zone  of the  spray  is also  called  continuous or stationary and  it is understood as being from the nozzle  exit to the point  were the separation of the first droplets occur. To define  this zone the use of diverse measurements methods and techniques  is  of  vital   importance.  In  the  literature  we  find   some   of  the   most   useful measurement methods and techniques in the analysis of the liquid length, (Hiroyasu & Arai,

1990), (Chehroudi et al., 1985), (Arai et al., 1984), (Nishida et al., 1992), (Gülder et al., 1992), (Christoph & Dec, 1995), (Zhang et al., 1997) and  (Bermúdez et al., 2002, 2003).

To analyze the internal structure of the spray, (Hiroyasu & Aray, 1990) identified two zones inside  the atomizing regime, the zone  of the incomplete spray  and  the zone  of the complete spray.  Figure  4 shows  structure in a general way. The difference between them  is due  to the fact that  with  the incomplete sprays the disintegration of the surface  of the spray  begins  at a certain  distance from the point  of the nozzle  of the injector, indicating a distance Lc, while  in the  case of the incomplete sprays distance Lc is nearly  cero and  Lb is maintained virtually constant on  increasing speed. Furthermore (Hiroyasu & Aray,  1990) show  that  cavitation greatly favours the atomization process  in the complete spray  regime.

To  define   liquid length   a  series   of  expressions  have   been  proposed which   have   been suggested in specific  conditions according to each  case  and  among the  most  relevant the following can be cited:

located in the  front  of the  spray experiment, accelerating the  surrounding working fluid, causing the  next  droplets that  make  it to the  front  of the  spray an  instant of time  later  to have  less aerodynamic resistance. We must  emphasise that  diesel  fuel sprays tend  to be of the compact type, which  causes  them  to have large penetrations.

Several   researchers  have   studied  the   front   penetration  and   have   found  a  series   of correlations that allow us to establish the main  variables that affect or favour the penetration of a pulsed diesel spray. The following are some of the most relevant:

From  the  theory of gaseous sprays, (Dent,  1971) was  one  of the  pioneers in  the  study of spray phenomena. The  author proposed an  experimentally adjusted correlation which  is applicable to pulsed diesel  sprays; this correlation was the compared by (Hay & Jones, 1972) with   other    correlations,  finding  certain    discrepancies  between  them.    However,  this correlation is considered to be applicable in a general form to diesel sprays

4.   Working  fluid   temperature  (Tg):   working  fluid   temperature  is   one   of   the thermodynamic properties that  strongly affect liquid length penetration, since the rate  of combustible vaporization  is directly related to  the  energy content of the working fluid  in  the  inside  of  the  cylinder (e.g.,  high  temperatures) and  in  the degree of the  mixture of both  fluids  (injected  fuel-gas  or  air)  (Christoph & Dec,

1995). However, working fluid  temperature has no relevant effect at high  pressure injection  because both,  an increase  in the speed of injection  and  the amount of fuel injected,  ease  the  effect  with  respect of  low  pressures, (Zhang et  al.,  1997). An increase  in working fluid  temperature at constant density causes  and  increase  in the  specific  energy of the  latter  and  therefore a decrease in liquid length during spray  penetration is a consequence of high  drag  of vaporization energy towards the fuel, (Siebers, 1999).

5.   Fuel  temperature (Tf  ): fuel  temperature is  a  variable that  greatly affects  liquid length penetration in such  a way  that  on increasing the  temperature of the  latter liquid length tends to decrease lineally.  It has been proven that  at under conditions of low temperature and  working fuel density there  are more  significant effects that under high  conditions of temperature and  density, because in the  latter  case  the effect witch  respect an absolute scale is insignificant, (Siebers, 1998).

6.   Physical-Chemical properties of the  fuel: these  properties of the  fuel (i.e., density, viscosity and  volatility) have  a considerable impact on  liquid length penetration

with  volatility being  the  most  influential property on  penetration. (Siebers,  1998,

1999) observes that a low volatility fuel requires more  energy to be heated and  then evaporate than  a high  volatile  fuel. Therefore, for a low volatile  fuel, liquid length penetrates much  more  than  a  more  volatile   fuel  because the  amount of  energy dragged towards the fuel depend basically  on the process  of evaporation.

Liquid  length  of a diesel  spray is a parameter of much  interest in the study of the injection- combustion process.   In  later  topics  in  this  same  chapter we  will  discuss this  parameter where a complete experimental analysis of the  characterization of the  liquid length of a diesel spray  is approached.

Microscopic Characteristics

The macroscopic description is characterized by the content of droplets of diverse sizes and the   changes  on   the   changes  in   their   special   kinetics.   For   example,  the   atomization mechanism is responsible for distributing the droplets in the injection  process and  to a great extent  the good  distribution of the droplets in relation to their  size depend on it. Generally the quality of the atomization of a liquid spray  can be estimated on the medium diameter of the  droplets.  A  determined  medium  diameter  represents the  equivalent  diameter  that characterizes the  entire  group of the  droplets of the  spray. Equation (30) establishes the general form  based  on which  all the  correlations that  determine Sauters  medium diameter have been defined.

It must  take  into  account that  using  medium diameters is very  useful  to simplify droplet populations existing   in  an  atomizing  process. For  this  reason it  is  essential to  use  the distribution of droplet size.

Droplet size distribution

The  diameter of the  droplets obtained as  a result  of atomization is based  on  a series  of parameters as follows:

1.    Rate of injection:  the diameter of the droplet increases with  the rate  of injection  as

an  increase in  the  volume of the  injected  liquid produces a  greater drag  of the working  fluid,   the  aerodynamic  interaction grows  and   the  critical   size  of  the droplets increases. Apart from  this,  increasing the numeric population of droplets intensifies de coalescence, resulting in a growth in the geometry of the droplets.

2.    Density ratio  (ρ*): the  relation of densities has  two  opposing effects on the  size of the  droplets, intensification of atomization and  the  possibility that  there  will  be coalescence.  On  increasing the  relationship of  densities a  greater aerodynamic interaction exists,  which  causes  the  droplets to slow  down and  an increase in the numerical population in their field.

3.    Working fluid  temperature (Tg): on increasing working fuel temperature their  is an increase on  the  rate  of  evaporation, due  to  which   at  the  beginning of  this  the droplets with  small  diameters tend  to evaporate completely while  those  droplets with greater diameters maintain a stable geometry until  they evaporate completely.

4.    Spatial  evolution of the size of the drops: the average size of the droplets tends to grow  in relation to the increase of the distance between the drops and  the injector point.  In some studies it has been suggested that  the average diameter of the drops is  greater in  the  direction of  the  radius of  the  spray while   other   suggest the opposite, that is the medium diameter is reduce in relation to the distance from it.

5.    Evolution of the diameter of droplets during time: It’s generally considered that the medium diameter of the droplets decreases at the point  of the spray and  increases at the tail, while  in areas  distant from  the injector  they  maintain a rate  of constant values.  Generally  speaking,  the  sizes  of  the  droplets  tend   to  diminish  at  the beginning of the injection  and grow  at the end.

The most common formulas to determine Sauters medium diameter are: Sauters medium diameter according to (Hiroyasu & Kadota, 1974

Measurement techniques

Some problems of fluid  mechanics are complex where multiphase systems are concern and when  combustion phenomena  are  produced. In  many   cases  current  knowledge is  still incomplete  due   to  the   complexity  of  the   physical-chemical  processes:  (non-stationary processes, irreversible processes and  out-of-balance chemical reactions) that  occur  at  the limits   of  different  scientific   disciplines  such   as  fluid   mechanics,  thermodynamics  and chemistry. In  order to  progress in  its  study we  need   available experimental  data   that provide information of the different processes and  degrees of interest for the study, such  as for example, mass  and  energy transport, movement and  the size of particles, concentration of  the   different  species,   thermodynamic  properties,  and   chemical  composition  among others.

The    physical   phenomena    of    interaction   matter-radiation   (absorption,   dispersion, interference, diffraction, among others) are very  sensitive to small  variations in the localize physical parameters of the  fluid,  and  furthermore they  do  not  interact with  the  physical processes in the  environment of fluid  mechanics, and  so are useful  in the analysis of these problems.  Technological  advance   in   diverse  fields   basically    optics,    electronics  and information technology have  allowed for this  development of equipment able  to measure some  localized physical parameters of fluids  in a very  precise  way,  and  are the basis for the development of  optical  techniques of  measurement and  visualization used  in  studies of fluid mechanics.

Classical visualization techniques

The classical visualization methods are based  on the variations of the refraction rate that  are produced in the fluids  heart  due  to the changes in its physical properties. When  an beam  of light  propagates through a fluid,  the  variations of the  refraction rate  causes  variations in both  the  intensity and  in wave  phase, therefore the  emerging light  contains information of the   fluid   properties  in  the   light   beam   trajectory  propagation.  Basically   these   optical techniques can be divided in 3 types:  Shadowgraphy, Schlieren  and  Interferometry, which

have  been  used  since the 1860’s, (Foucault, 1859) in France  and  (Toepler,  1864) in Germany gave  the  first  insights of  the  Schlieren   technique. Toepler   was  the  first  to  develop this technique for the study of liquids and  gas flow, and  later  on used  by (Hayashi et al., 1984) and (Konig & Sheppard, 1990), among others.

-Shadowgraphy: the environment is illuminated with  a straightening of a light beam  and  the image   is   taken   after   the   emerging  light   propagates  freely   through  the   space.   The visualization  technique  with   diffused  rear   illumination  is  a  similar   technique  but   the environment is lit up  with  a diffuse  beam  light.  The  difference between these  techniques consists  on placing a diffuser between the  beam  and  the  environment to illuminate. These techniques allow  visualizing the  liquid phase of the  fuel spray and  are  greatly used  in the study of the  injection  process of combustion internal engines. The  visualization with  rear diffused  illumination  technique  allows    the   estimation  of   the   different  macroscopic parameters in  an  injection  process. (Zaho  & Ladommatos, 2001) have  studied the  spray penetration and  consider this  technique to  be  reliable   and  easy  to  use  for  this  type  of analysis.

-Schlieren  photography: this technique is similar  to that of the shadowgraphy, the difference is that  the  image  is taken  after  a spatial filtering in  the  image  plane  of the  light  source. Adjusting adequately the  spatial filtering dimensions it  is  possible to  visualize both  the liquid and  vapour phase of the fuel spray, but  not to quantify them.  These techniques have been  used   in  the  injection  and  combustion processes of  the  internal combustion engine (Preussner et al., 1998), (Spicher  & Kollmeire, 1986) and  (Spicher  et al., 1991), as well  as in the analysis of propulsion systems (Murakamis & Papamoschou, 2001) and  (Papampschou,

2000).

Scattering techniques

The  classical  visualization techniques incorporate the  information throughout the  beams propagation  trajectory,  by  which   the  information  about   the  existing   three-dimensional structures in the vessel of the fluid  is lost. This information can be obtained illuminating the fluid  with  planes of light  and  taking pictures of the  dispersed light  by  the  environment, normally in the  perpendicular direction of the  plane.  This kind  of visualization techniques can  be  included in  a  much   general group which   is  the  scattering technique. The  light scattering phenomena can be of two  types,  elastic  or inelastic,  depending on if the  process produces or not the radiation frequency.

Elastic scattering techniques

The  elastic  dispersion phenomena of  light  are  studied within the  theory of  Lorenz-Mie. There   are   basically   two   approximations  depending  on   the   size   of  the   particles:  Mie scattering and Rayleigh scattering.

-The Mie scattering is an interaction of the elastic type of light with  particles of much  greater size than  that  of its wave  length (droplets, ligaments, among others). The characteristics of the  scattered light  are  related to  the  form,  size,  refraction rate  and  number of scattering particles. These  properties are the basis  of the  different optical  techniques of measurement described as follows:

1.     Visualization  with   a  laser   sheet   the  fluid   is  illuminated  with   a  laser   sheet   beam obtaining images  of the  scattered light  (Mie  regime), normally on  the  perpendicular direction of the sheet.  This technique allows  estimating the macroscopic characteristics of  fuel  sprays and  analysing the  existence   of  internal structures,  ligaments, among others. This technique is one of the most  used  in the study of the injection  process in an internal combustion engine  (Dec, 1992) and (Preussner et al., 1998).

2.     Technique of laser anemometry: it is based  on the interaction of coherent light  with  the existing  particles in movement inside  the heart  of the fluid  in such  a way  that  the sizes of these  particles allow  them  to be treated in Mie scattered imaging. These interactions produce a change in the  frequency of radiation (Doppler Effect) that  can be related to both  the  speed and  size  of the  particles. In the  so called  Laser  Doppler Anemometry (LDA),  two  coherent light  beams   interact in  one  region   (control   volume) with   the existing   moving particles in  the  fluid  and  the  fluctuation of  the  disseminated light intensity allows  the  estimation of the  particles speed. (The  obtained light  intensity is basically  intensity with  a background modulated by a cosine  function, whose temporal variation depends solely  on the  frequencies of the  dispersed beams.  The frequency of modulation for  this  signal  can  be related to  the  velocity  of the  particles).  The  Phase Doppler Anemometry (PDA)  is based  on the  same  principle but  it uses  several  photo sensors placed in  different spatial positions. With  which  it’s possible to  estimate the diameter of the diffusive particles considering them  spherical by the temporal phase lag between signals  received by  each  photo detector. This  technique requires a series  of optical   accessories  that   difficult   its  use  in  measurement  of  a  real  thermo  engine. Although some  investigators (Auriemma et al., 2001), (Corcione et al., 1998), (Cossali  et al., 1996), (Georjon  et al., 1997) and  (Guerrassi  & Champoussin, 1996) have  used  the phase Doppler anemometry to develop very  specific  analysis, the  mayor usage  is still the  characterization of the  distribution of diameters and  velocities of fuel  droplets in accessible  optical  models that simulate similar  conditions of those  found in real thermal engines  (Arrègle, 1998) and  (Jiménez  et al., 2000).

3.     The  velocimetry imaging techniques allow  velocity  field  measuring in  a fluids  plane that is illuminated with  a screen of light. There are several  ways  to use these techniques, depending on the method selected to register and  to process information, however all of them  are very important: in Particle  Image  Velocimetry (PIV) the fluid  is illuminated with  several  light  pulses and  the instant images  are registered using  multiple exposure techniques. The  instant velocities are  obtained dividing the  particles displacement in each time consecutive image  by two pulses. In Particle  Shadow Velocimetry the fluid  is illuminated in  a  long  period of  time  in  which  the  displacement of  the  particles are registered as lines on the image  and  the velocities are calculated dividing the line length by time interval. In Particle  Tracking Velocimetry a series of consecutive exposures take place  (several  light  pulses) in one  image  and  the  velocity  is estimated by tracking the particles. The velocimetry techniques are  used  mainly to analyse flow  of gases  en the thermal engine.  Some of the most  recent  applications for this technique can be found in the literature (Choi & Guezennec, 1999), (Kakuhou et al., 1999), (Nauwerck et al., 2000), (Neussert et al., 1995), and  (Trigui  et al., 1994), where the main  application is focussed to the study of mixture formation inside  the combustion chamber of a thermal engine, furthermore it considered to be one of the best techniques for this kind  of analysis.

4.     Rayleigh scattering is of the elastic  kind,  where the size of particles is much  smaller of that  of  the  lights   wavelength, for  example the  gas  molecules.  The  intensity of  the scattered light is proportional to the total density of all kinds  of existing  particles inside the  illuminated zone  and  provides images  of global  concentration of all  the  species, although it doesn’t allow  discrimination between them.  Furthermore for example, the Rayleigh signal  for a particle approximate 1 µm is close to twenty orders of magnitude lower  than  the Mie signal,  for which  the signal is highly  affected  by both the presence of large  particles and  by the background light.  The two  most  commonly used  procedures to  reduce the  interference of  particles are  shown by  (Zhao  et  al.,  1993).  The  main researchers using  the Rayleigh technique (Espey  & Dec, 1994), (Lee & Foster,  1995) and (Zhao  et al., 1991) have  been basically  to determine concentrations of vapour and  liquid phases and  mainly in zones  with  high  flame  presence. As well  as in the  temperature measure and species  concentration for the combustion diagnostic.

Inelastic scattering techniques

On the other  hand, the inelastic  scattering of light is studied in the quantum mechanics field, specifically in the  study of matter-radiation interaction phenomena. These  phenomena are extremely sensitive to  the  frequency of  radiation and  the  species  chemical composition because they  depend on  electronic transitions between molecular energy levels  caused by the  absorption   of  photons of  defined frequency that  stimulate the  molecules to  higher energetic conditions. After  which  the molecules come  to stable  conditions releasing radiant energy  where  its  spectral  characteristics  are   also   very   well   defined.  Different  optical techniques of measure are bases on these phenomena, detailed as follows:

-Laser Induced Incandescence is a technique based  on the thermal emission that is produced when the carbon  particles are stimulated with  a very  intense electromagnetic radiation. The obtained signal  is proportional to the volume fraction  of the carbon  particles concentrated in the measured zone. Because of this, the technique is very useful  for the study of combustion processes (Dec, 1992), (Dec et al., 1991), (Dec & Espey,  1992), (Winklhoefer et al., 1993) and (Zhao  & Ladommatos, 1998), mainly to determine the qualitative distribution of soot in the high radiation zone during a injection-combustion process.

-Laser  Induced Fluorescence (LIF) is a technique based  on  the  fluorescent properties that some   molecules  present.  When   these   molecules  absorb   electromagnetic  energy  of  a determine frequency they  acquire a higher energetic condition (stimulation) and  afterwards they  return to their  original energetic state  releasing this energy (fluorescence). The spectral characteristics of this  radiation are determined by the molecules characteristics. If the fluid doesn’t  have   fluorescent  molecules,  molecular  tracers   that   present  fluorescence can  be added. For  example:  NO,  NO2,  acetone,   biacetyl,   rodamina, or  different  colorants. The fluorescent signal  is proportional to the density of the tracers  inside  the illuminated zone. In many  cases the environment is illuminated using  laser beam  sheet  and  the technique is then known as  planar induced laser  fluorescence (PLIF). In  the  planar laser  induced exciplex fluorescence  (PLIEF)   tracers    called    exciplex    (complex   excitation),   like   for   example: naphthalene mixtures and  TMPD (tetramethyl-1,4-phenylenediamine) that allow  to separate spectrally the corresponding liquid and  vapour phase fluorescence of a biphasic system, and therefore  measure  simultaneously  each   ones   concentration  (Juliá,  2003).  Although  this

technique  has  much   application  in  injection-combustion  processes  (Felton   et  al.,  1995), (Fujimoto et al., 1997), (Hiroshi et al., (1997), (Kido et al, 1993) and  (Kim & Ghandhi, 2001), it is not considered to be the most  appropriate to detect  species  when compared to other,  like for  example:  Mie-Scaterring. This  is  due  to  the  incoherencies presented  when detecting species  in these types  of processes (Preussner et al., 1998) and  (Takagi et al., 1998). Phosphorescent particle tracking (PPT)  is a similar  technique to  that  of particle tracking velocimetry (PTV). The phosphorescence is an inelastic  diffusion of light  characterized by it long temporal duration, much  higher than  that of fluorescence, which  makes  it ideal to track the movement of particles in the fluid.

Experimental characterization of the liquid length penetration

Introduction

The  main  objective  of this  section  is to carry  out  the  characterization of the  liquid length penetration of a diesel  spray. To achieve  this  it has  been  necessary to consider a group of experiments which  allow  the  determination of the  influence that  the  injection  parameters and  the thermodynamic variables have upon the penetration of a diesel spray in evaporative conditions. The first developed study is based  on the analysis of the penetration of the spray in its liquid phase, where it is expected to define  the degree of influence that  the following have  over  this  phenomena: thermodynamic variables (pressure, temperature and  density) present in the  combustion chamber at the  moment when the  fuel  is injected,  the  injection pressure and  the  geometry of  the  nozzle.   To  make  this  study it’s necessary to  use  the ombroscopy technique for the  taking of digital images,  as well  as an acquisition system to process data.  It is to point  out that  the ombroscopy has been the most  used  technique in the macroscopic characterization of diesel  sprays, specifically in the  study of the  liquid phase penetration. As mentioned in section  4, the techniques of measure to carry out studies of the liquid phase of diesel  sprays are  very  diverse. The most  used  until  know  are  expressed in this chapters literature. (Cambell et al., 1995), (Canaan et al., 1998), (Christoph & Dec, 1995), (Felton et al., 1995), (Hiroyasu & Miao, 2002) and (Knapp et al., 1999).

Experimental work approach

A working plan  that  groups the  different experiments to carry  out  has  been  structured in such  a way  to analyse qualitatively the injection  process. To achieve  this,  the  experimental work  has been planned as follows:

The use  of the  experimental in system with  the  inert  atmosphere method and  through the ombroscopy technique analyse the penetration of the liquid phase of the diesel spray.

– Parametric analysis to consider:

1. Influence of the injection  process on the liquid length penetration.

2. Influence of the diameter of the nozzle  on the liquid length penetration.

The analysis of the liquid length penetration is useful  to determine the geometric design of combustion  chambers  for  high   speed  regime  diesel   engines  with   direct   injection.   For example, in low speed regime and  light  load  the hydrocarbon emissions will be reduced if the contact  of the spray (liquid length) with  the combustion chambers wall  is avoided. For high  speed regimes and  heavy  loads,  the  reduction of fumes  can  be achieved by  contact

between the  spray and  the  chamber wall.  Because  of these,  the  necessity to  measure the liquid penetration in  diesel   engines  of  direct   injection   emerges, motivating  the  use  of measure techniques even more complex and sophisticated.

In previous studies (Christoph & Dec, 1995) investigated the  effects  that  temperature and the  fluids  density have  on  the  liquid phase penetration. In this  study they  used  a Diesel engine  witch  optical  access  views,  and  through the  elastic-scatter technique they  obtained images  of the  spray. (Zhang et al., 1997) analyzed the  effects  that  the  injection  pressures, diameter of the nozzle  and  admission air temperature have on liquid length penetration. For this  they  used  a compression machine which  had  an  equivalent compression ratio  to that found in a Diesel  engine. In this  analysis an argon  laser  beam  was  used  as the light  source and  an  E-10 camera was  also  used  to capture the  images.  (Siebers,  1998) investigated the maximum axial penetration of the liquid phase of an evaporated diesel  spray in a chamber of  constant  volume, using   the  Mie-scattered technique  for  image   capturing.  The  main altered parameters where the injection  pressure, orifice diameter of the nozzle,  temperature and  density of the working fluid in the inside  of the chamber.

The investigation of the sprays liquid phase for a common rail system at high  temperatures was   made  by   (Bruneaux  &  Lemenand,  2002).  The   variation  in   parameters  in   this investigation where:  the  injection  pressure, the  temperature of the  working fluid  and  the diameter of  the  nozzle.  This  study was  made in  a  chamber similar   to  the  one  used  by (Verhoeven  et   al.,  1998),  in   which   it  was   possible  to   maintain  high   pressures and temperatures inside  the chamber and  so simulating similar  conditions found in a real Diesel engine.  The technique of measure used  was  based  on a light  source  supported by a planar laser  induced exciplex  fluorescence system and  a charged-coupled device  (CCD) camera to capture images.   It’s evident that  each  investigator uses  in  his  experiments defined and heterogeneous  techniques  of  measure.  However  occasionally and   in  some   complexity degree the  final  results tend  to be very  similar  independently of the  used,  reason why  the motivation to develop the basis for the experiments presented in this chapter arose  with  one of the most flexible visualization techniques, the ombroscopy.

The characterization of the liquid length penetration of an evaporated diesel  spray was done under the following methodology:

1.    Experimental  system  configuration:  to  undertake  the  experiments  that   lead   to obtain  information about  the liquid length penetration of the spray without flame, it  has  been  necessary to  form  the  experimental system in  an  inert  atmosphere. Furthermore to conceive  as a first phase the use of ombroscopy technique to obtain images  of the liquid phase of the spray (Figure  5 shows the schematics diagram of the global experimental setup configuration).

Mathematical correlation

Liquid  phase penetration of a jet injected  into an inert  environment has well defined stages. The first stage  begins  with  the injection  and  ends  when the jet breaks  up.  This is the intact length stage  or the first break-up regime, (Hiroyasu & Aray,  1990) suggested the following correlation to estimate the time for the first break-up regime to occur:

Determination of the fuel injection onset

The fuel injection  onset  can be determined assuming that  LL increases proportionally to the square root  of time  until  the  second break-up regime is reached at  tr,  i.e. LL = α t1/2  for

0 < t < tr. Time tr is defined as the time when the ratio  between LL to t1/2  with  a correlation

coefficient  R= 99 %. Coefficient α is estimated by fitting  experimental data  measured before the second break-up regime is reached, as shown in Figure  8, where the experimental data can be approximated by LL = 1.07 t0.497 with a correlation coefficient  R= 99.8 %.

Conclusions and remarks

Experimental measurements were  carried out  to estimate the liquid penetration length  of a diesel  fuel jet injected  in an inert  environment. The effects of the characteristic parameters, i.e. the nozzle  diameter, discharge coefficient,  injection  pressure, and  working fluid  density were  analyzed. The transient fuel  injection  process was  recorded using  optical  access,  and the  liquid penetration length  before  the  second break-up regime was  measured using  the ombroscopy technique. The  aim  of the  present research is to  generate a correlation that accurately predicts liquid penetration length  at conditions typical  of modern Heavy Duty common rail diesel  engines operating with  direct  fuel injection.  A statistical analysis of our experimental measurements  suggests a  power  function correlation to  model   the  liquid penetration length.  The proposed model is in good  agreement with  experimental data  and yields  a correlation coefficient  R= 93.3 %. Furthermore, the suggested correlation illustrates important details   about   how  the  main  parameters affect  the  fuel  injection   process.   The nozzle  diameter has  the  greatest effect on liquid penetration length.  A reduction in nozzle diameter yields  a shorter penetration length because it causes  an earlier  start  of the second break-up regime. Increasing the  injection  pressure provokes premature droplet break-up within the jet, which  results mainly due  to cavitation at the nozzle  exit. If the working fluid density in  the  combustion  chamber  increases the  penetration  length is  shorter and  the second break-up regime is delayed due  to the  free-share flow  between the  working fluid and  the  fuel  jet, which  produces higher evaporation rates  of droplets from  the  diesel  jet. Finally,  under the  experimental conditions studied  here,  the  discharge coefficient   has  a negligible  effect  on   the   liquid  penetration  length.   However,  the   discharge  coefficient influences the  cavitation phenomenon at the  nozzle  exit and  modifies the  droplet velocity within the jet.

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