Introduction to Experimental Cells for Diesel Spray Research

Introduction to Experimental Cells for Diesel Spray Research

The  study of the  combustion process  in  Diesel  engines has  been  going  even  deeper into depth with  the application of new techniques of measure and  more  rigorous methodologies. This has  taken  into  new  expectations in the  development of parametric studies and  in the construction of tools (physical models or experimental setup) that  allow  the reproduction of similar  thermodynamic conditions to the  ones  present in the  inside  of a cylinder in a real thermal engine,  making it possible to obtain  greater approximations between the theoretical relation and the experimental one.

Experimental setup classification

The physical models or experimental setup used  to study the injection-combustion process usually are of very  specific  characteristics, depending on the phenomena to analyse. These models can be classified in the three  following groups:

According to the type of the working  fluid

-Models  with  cold  working fluid  are  used  to study sprays in non-evaporating conditions, but many  times in conditions similar  to the existing  ones in a real thermal engine.

– Models  with  hot  working fluid,  this  kind  of model is the  best  way  to  study sprays in evaporating conditions and  in the  majority of times  it’s possible to simulate a real  thermal engine  in its temperature and  density conditions.

According to the atmosphere type

-Models  with  inert atmosphere are used  to study diesel spray without the presence of flame. Its greater application is basically  the biphasic study of the spray  (liquid and vapour).

-Models  with  reactive atmosphere, this kind  of model is generally applicable to combustion studies and  normally atmospheric air is used  to achieve  the reaction.

According to the geometry of the chamber

Models   of  constant volume vessel  are  used   to  study the  diesel  sprays in  non  reactive atmosphere and  reactive atmosphere. This kind  of model is not of common use, most  of all on the  development of studies of the  sprays by means of reactive atmospheres since  they require previous ignitions of mixtures of combustible gases  to achieve  high  pressures and temperatures in the inside  of the injection  chamber.

Historically the first developed studies about  combustion process in a thermal engine  were by means of direct  recording of the luminosity of the flame, and  afterwards by the Schieren technique for  studies of  auto-ignition and  the  knocking combustion.   The  visualization involves the  formation of visible  images  directly or  indirectly by  the  action  of light  over sensible  materials to the latter.  Therefore the  light  and  the recording of the formed images are essential to any form of visualization. The light can be generated by the object itself if it’s luminous (auto-ignition or combustion). If it’s not,  the  light  source  has  to be deployed to illuminate the object to reflect (free injection).  Traditionally the photographic films were  the only  way  to  register images   for  the  chemical processes induced  by  the  action  of  light, however  in   some   applications;   the   photoelectric  devices    are   now    substituting  the photographic film. Due to the nature of the engines combustions, each image  must  be taken in a very  short  amount of time  to freeze  any  fluid  movement or  of the  flame  during the exposure. This can be obtained by intermittent recording with  high  speeds of the shutter to register an image  from  a cycle, and  a sequence of images  in function of the turning angle  of the  crankshaft along  many   engine   cycles  or  by  means of  the  recording of  hundreds of images  per  second to obtain  a image  sequence within the same  engine  cycle (relating to the first  recording case as a projection of a high  speed monostable image,  and  the  last  one  as high  speed continuous, correspondingly). These recording methods and  other  techniques of measure have  been  evolving gradually  and  increasing their  application to  the  different kinds  of existing  models, such as it will be mentioned in the subsequent sections.

The  analysis of  diesel  sprays has  had  very  important advancements beginning with  the physical  model  implementation  because during  time,   very   specific   studies  have   been developed. In  the  last  decade of the  20th  century, (Hiroyasu et  al., 1989) was  one  of the pioneers in the use of injection  models and  in the implementation of visualization methods (Fraunhofer diffraction). Hiroyasu, in his investigations to study Sauter’s medium diameter (SMD), used  an injection  model with  the  only  possibility of doing experiments under low atmospheric conditions (pressures of the  order of 3 bar  and  temperature of 285 K), which allowed relatively good  microscopic studies to be made  but  with  limitations to study the diesel  spray   under the  thermodynamic  variables that  can  be  achieves in  a  real  thermal engine.

To develop his experiment of SMD, (Minami et al., 1990) used  a similar  model  to that  one employed  by  (Hiroyasu  et  al.,  1989),  where  the   objective   was   to  obtain   the   density conditions similar  to  the  existing  ones  inside  the  combustion chamber of  a  real  thermal engine.   This  author to  develop his  experiments used   as  the  working fluid  pressurized nitrogen at 20 bar and  the injection  pressures analysed were  of the order of 2000 bar. These pressures could  not be analysed using  the model of Hiroyasu due  to the low densities that were  achieved in  his  model, so  that  it resulted irrelevant to  do  certain  kinds  of studies, mostly  in high  injection  pressures. Minami employed the Fraunhofer technique to visualize

the diameter of the droplets, using  a lighting source  based  in a ruby  laser beam  pulsed at 30 ns and  with  a wavelength of 694 nm. Unlike  Hiroyasu, Minami expanded the beam  making it parallel to the spray  through lenses, which  afterwards is attenuated by the own fuel spray, where the transmission of light is focused by a parabolic mirror with  which  an image  of the filmed  spray  on  the  35 mm  film  is obtained. It was  possible in this  model to analyse the penetration of the spray  by installing a high  speed photographic camera to take the images and replacing the beam of light by halogen lamp  as the light source.

There   where  basically   two   problems  to   clear   up   the   interference  of  stripes  in   the photographic plane  when using  this technique:

– The  first  issue  was  due  to  the  interferences caused by  the  thickness of the  visualization window  which   was   approximately  50  mm.   This  problem  was   solved  by  changing  the trajectory of the beam  between the reference and  the object, using  a intensity rate  of 9:1 and fixing the point  that focuses the lens of the relay as close as possible to the photographic plate.

– The second problem was generated by the collision  of waves,  which  were  produced in the interior of the chamber in a short  amount of time  during the period of injection.  This was  a consequence of the fuel injection  velocity  that  surpassed the sound velocity.  The collision  of waves   inside   the  combustion chamber made   it  difficult   to  take  pictures  because of  the reflection inside  it. The problem was solved by changing the time  of synchronization of the injection  time in reference to the picture taking,  changing to times  of 0,2 to 0,4 ms after start of injection.

The evaporated diesel spray  studied by (Tabata  et al., 1991) was made  using  a model  similar to that  presented by others  scientist (Hiroyasu et al., 1989) and  (Minami et al., 1990), with  a small  difference in  its  configuration. A  heat  system was  installed in  the  interior of  the chamber which  had  the  objective  of heating up  the  working fluid  (nitrogen) to conditions that  were  optimal to  achieve  fuel  evaporation. The  main  drawback studying evaporated diesel  spray  was the low range  of available densities for high permissible temperatures. Due to this  inconvenience it was  impossible to reproduce similar  thermodynamic conditions to those  found in  a  thermal engine.   It  was  limited to  predict behaviours at  low  pressures (pressures inside  the injection  chamber in the order of 20 bar). (Higgins et al., 2000) studied the ignition of the spray  and  the behaviour of the pre-mixture of burn  in a model of constant volume, where it was  possible to  achieve  pressures inside  the  chamber of 350 bar  and  a temperature range  of 800 K to 1100 K for densities between 7.27 kg/m3 y 45 kg/m3. This model, unlike those  used  by other  authors (Hiroyasu et al., 1989), (Minami et al., 1990) and (Tabata   et  al.,  1991)  has  two  spark   plugs   and   a  ventilator to  equalize the  atmospheric conditions in the inside  of the chamber, besides of  having the walls  electrically conditioned to  simulate the  conditions of  the  wall  temperature found in  a  thermal engine.   Another objective  for  this  conditioner was  to  avoid  the  vapours of the  fuel  to  condensate on  the visualization windows. This  model didn’t require any  kind  of  modifications to  develop burning or free  injection  studies, unlike the  one  used  by (Minami et al., 1990), which  did need   very  sophisticated adaptations  to  be  able  to  make   more   complex studies,  as  the burning study.

The  effects  on  the  diesel  spray  caused by  the  geometry of the  chamber were  studied by (Montajir  et   al.,   2000).  To  develop  the   investigations  they   based   themselves  on   an experimental installation which  consisted in a small  thermal engine  of slow  speed regime and   with   a  combustion  head   of  rectangular  geometry  adapted  with   a  window  for visualization. In this  model as in the  ones  described previously, nitrogen was  used  as the working fluid (injected  in the cylinder a temperature of 293 K and  with  a pressure inside  the chamber  of  45  bar)  to  visualize  the  diesel   spray   without  combustion. To  achieve   the development of studies in different thermodynamic scopes with  this model, the main  option was to change the compression ratio. This was achieved by placing spacer  rings  between the cylinder and  the  combustion head.  This  modification used  to  be  also  very  complex and expensive. Furthermore it didn’t allow  continuity in the experimental session  because of the constant stops  required to carry out mechanical changes in the installation.

The stratification effects of the combustion were  studied by (Plackmann et al., 1998) using  a model of  constant  volume, also  called   combustion constant  volume  vessel.   Where   the visualization took place through three  quartz windows. One of the windows was located  in the  back  side  and   the  other   two  in  the  middle section   of  the  pump. This  model was pressurized with  an air-propane mixture with  pressures of 40 bar; these  fluids  were  used  as oxidant and  test  combustible respectively. The  ignition took  place  by  the  means   of  two diametrically opposite electrodes which  function as a spark  plug  to provoke the spark.  One of  the  electrodes was  connected  to  a  high   tension source   that   came  from  a  discharge capacitive ignition system and  the  other  one  to mass,  being  this  last  system to be the  one that caused the difference in electric potential to achieve  the ignition of the mixture.

In their  studies about  the  behaviour of gasoline direct  injection  (GDI), (Shelby  et al., 1998) used  an engine  with  three  optical  accesses made  out of quartz. To carry out the visualization of burning the  planar laser  induced fluorescence (PLIF) as the technique of measure and  a high  speed  camera to  film  the  combustion process   were  used.   The  camera was  placed perpendicularly to the beam,  having with  this the advantage of taking images  directly. This thermal engine  unlike the  one  used  by  (Montjair  et al., 2000) had  completely transparent walls,   which   allowed  a   complete  capture  of   the   phenomena  (injection-combustion). Furthermore, it  required  complex routines at  the  moment of  doing any  changes in  the installations configuration.

With  the  purpose of  visualizing  the  atomization  process  in  a  gasoline  direct   injection system,  (Preussner  et  al.,  1998)  used   a  model  pressurized  with   oxygen   (pressure  and temperature of 20 bar and  673 K correspondingly). Where  the combustion products of each cycle  were   constantly  evacuated  by  the   use   of  nitrogen  and   the   visualization  of  the atomization process  was  done  through windows located on  the  far  ends  of the  injection chamber.  Mie-Scattering was  the  technique of  measure used  during the  experiments. In addition to this technique, the scientists developed tests with  the laser induced fluorescence technique, which  proved not to be the most  appropriate for some  measures in the gasoline direct  injection  systems, because it is an optical  method of measure somewhat incoherent to detect  concentration of species  compared to Mie-Scattering. However, it was possible to use other  techniques of measure. One  disadvantage presented by  this  model was  the  way  of evacuating the  burn  gases,  because it was  required to  introduce nitrogen to  the  injection

chamber when the  cycle ended to expel  these  gases  and  was  not  recoverable, which  made expensive the experimentation, besides of needing very  long test routines because of discontinuity in the tests due to the type of cleaning used.

In  his  experiments  to  study  the  effects  of  vaporization,  (Takagi   et  al.,  1998)  used   an experimental installation based  on  a thermal engine  of 2.0 litres  provided with  sapphire walls  and  only  one  optic  access  for  image  capturing. The  optic  access  was  placed in one section  of the piston head,  being  the most  appropriate collation place  due  to the geometric characteristics of the model. In the same  way  as Preussner, laser  induced fluorescence was used   as  the  technique of  measure,  obtaining  extremely satisfying results  in  addition to confirm  (Preussner et al., 1998) theories, who  postulated that  the laser induced fluorescence technique was  no  the  best  option to  study the  combustion effects  due  to  the  problems generated  to   detect   species.   Something  that   does   not   exist   in   the   case   of   vapour concentration studies, as  long  as  the  fuel  is  mixed   with  tracers   to  make  it  behave as  a fluorescent source  (the combustible by its own nature tends to illuminate when its subject to high pressure and  temperature, which  is why  tracers  are required to carry out concentration studies, because the presence of tracers  allows  to define  the different wavelengths for each element that  constitutes the mixture). This model wasn’t  sufficiently flexible enough for the use of other  techniques of measure due  to the fact that  the sampling process of images  was of the intrusive kind,  therefore making it an inappropriate method for the study of internal processes in an internal combustion engine.

To study the  effects  of the  injection  pressure and  the  diameter of the  nozzle  on the  fumes emissions, (Siebers  &  Pickett,   2002)  used   a  model   consisting  in  a  chamber  of  constant volume where it is possible to simulate similar  thermodynamic conditions to the  one  in a Diesel  engine   (Figure   1).  Other   applications for  this  model are  described in  (Naber & Siebers,  1996), (Siebers,  1998), (Siebers  & Higgins, 2001)   and  (Siebers  et  al.,  2002). The chamber has four optic  accesses  placed orthogonally and  equidistant, having the advantage of using  different optical  techniques simultaneously making more  than  one analysis in each experiment. But  it  also  has  disadvantages, mainly the  way  of  obtaining the  appropriate thermodynamic  conditions  in   the   chamber’s  interior.  These   conditions  such   as   the temperature and  density are achieved by causing the ignition (by means of a spark  plug)  of the combustible gases in the inside  of the chamber, the method is unusual and in many  cases even dangerous. The range  of operation for the temperature as for the density is in the order of (600 a 1400) K and  (3,6 a 60) kg/m3  respectively. Furthermore, it’s possible to regulate the concentration of oxygen  in the interior of the chamber from cero (e.g., for inert conditions) to values  greater than  21% in volume, depending on the type of study aiming for.

Proposal of the physical model

To  achieve   the  optimal  feasibility the  physical model must   always obey  the  following equivalence requirements:

-Reproduce inside  the  injection  chamber, the  thermodynamic properties that  the  working fluid has in a real thermal engine  in normal operation.

-Easiness  to sweep the atomized fuel in the injection  chamber and  maintain the visualization accesses clean.

-To make  possible the studying of different phenomena it’s indispensable to have  versatility in the cases of the density magnitudes and  in the working fluids  thermodynamic properties, besides having flexibility  in  the  geometry of the  injection  chamber (the  geometry of the injection   chamber can  vary  with  small  arrangements or  by  making modification of  the supplementary type in the physical model).

– Allow repetitiveness in the tests when constant thermodynamic are maintained.

Operational Conditions

The  operational conditions depend  fundamentally on  the  characteristics of  the  working fluid  in the  injection  chamber at the  moment when  the  injection  of fuel  is initiated. These conditions commonly vary  from one engine  to another. When  a physical model is designed, where the  thermodynamic  properties  of  the  working fluid   are  not  similar   to  those   of atmospheric air, (generally heavy  molecular gases  are used)  the model must  be reproduced

based   on  analogies,  an  equivalent atmosphere to  that   in  a  real  thermal engine   in  low pressure  and   temperature  conditions  and   these   must   be  easily   achieved,  so  that   the development of the experimental study is allowed (Figure  2). It is to be noted that  model of hot  fluid  that  will  be  presented in  the  next  sections   doesn’t  need   analogical processes because this  physical model is in fact a real  thermal engine.  However, the  thermodynamic variables that are desired to combine for each particular study must  be correctly defined. On the  one  hand, it’s a safety  routine and  on  the  other  hand, it gives  knowledge of the  high pressure range   that  can  be  achieved in  the  combustion chamber. This  last  argument is fundamental for the defining of the thermodynamic conditions inside  the cylinder (Arrègle,

1998).

The  results can  be  directly used  as  long  as  Sauter’s medium diameter and  the  injection velocity  are kept,  which  implies the equality of analogies. It can be considered that  during a very  short  amount of time  of the  atomization, the  heat  transfer between the  working fluid and  the fuel in the combustion chamber is low. The fuel starts  to heat up when it is found as a  droplet.  Therefore, if a  same  fuel  is  used   the  superficial tension variation that  occurs between the real thermal engine and  the physical model will be very  small.  This hypothesis is confirmed by the results obtained by (Hiroyasu & Arai, 1990), in which  differences during the  atomization process at  temperatures of the  working fluid  between 293 K and  573 K aren’t seen.  This  is  why  Weber’s analogy is  simplified to  a  density conservation of  the working fuel between the real thermal engine and  the physical model.

3. Analogy equality: the equality of analogies between Weber  and  Reynolds is simplified as shown.  This  analogy  between  the   real   thermal  engine  and   the   physical  model  is  in accordance  to   the   theoretical   and    experimental   results   on   atomization  and    spray penetration. These results are presented by the authors previously cited.

Geometric characteristics of the physical model

The  geometric characteristics of the  physical model must  obey  certain  requirements. The most  important one is in the injection  fuel chamber, which  must  have  optical  accessibility to make  proper measurements and  observations. As it has been previously explainedto carry out the majority of experiments more  than  one technique of measure is required. This is why it is convenient to have  several optic  accesses  (these  access  are  generally windows, mainly out of quartz). The geometry of these  accesses  is in function of the test aimed to dobeing  in the  majority of cases  the  front  longitude of the  spray the  basis  of study. In a real  thermal engine   the  diesel   spray length is  conditioned by  the  diameter of  the  combustion  pre- chamber (in  a thermal engine  of indirect injection)  or  by  the  piston bowl  (in  the  case  of thermal engines of direct  injection).  This length in a diesel  spray of an internal combustion engine  of self-propulsion can  measure between 18 to 50 mm  before  the  collision  with  the wall.  However, in the  majority of cases  the  sprays manages to collide  with  the  wall  of the bowl  before  the atomization process has ended. It’s because of this reason the importance of studying the  spray up  to lengths in the  order of 100 mm,  sufficiently long  for the  spray to achieve  complete atomization, having special  attention to the  injection  chamber. A second requirement that  the physical model’s geometry must  fulfil is the easiness of evacuation of the  injected  fuel  inside  the  injection  chamber to reduce the  dirtiness of the  optic  accesses. Many  scientists as seen  in the  previous section  (Hiroyasu & Arai,  1990), (Hiroyasu et al.,

1989)  and   (Minami  et  al.,  1990)  have   used   chambers of  the  volumetric  type   were   the atmosphere is  renewed after  every  injection.   In  using   this  methodology of  measure, an injection  system is required that  allows  having certain  flexibility  to inject  discontinuously and  making possible the  admission of clean  fluid  before  each  injection  cycle. This  system usually doesn’t allow  the  use  of many optical  techniques because in very  particular cases, it’s necessary the use of tenths of injection  cycles to do a complete spray study, having very long, arduous and costly test  sequences.

In  this  section  the  development, designed and  tune-up of an  experimental installation is presented. The main  objective  is to carry  out  studies of the evaporated diesel  spray in inert and  reactive conditions. To achieve  this  purpose a model has  been  brought up  based  on a two stroke  thermal engine  and  a group of auxiliary equipment that  allow  the adjustment of operational  parameters  of  the  installations and   of  control   for  the  various independent variables that interact in the injection-combustion process.

Objectives of the experimental installation

-Simulate  the   process  of  direct   injection   of  diesel   fuel  in  high   pressure,  density  and temperature conditions.

-Study  the  microscopic and  macroscopic characteristics of the  diesel  spray in evaporative conditions.

-Carry  out experiments of the diesel spray in an inert and reactive atmosphere.

Design requirements and determining factors

The experimental installation systems must  allow the following functions and capacities:

1. Control and regulate the working fluid’s temperature and pressure.

2. Optic accesses to visualize the diesel spray by means of visualization techniques.

3. Modification of characteristic parameters of the injection.

4. The  injection  chamber must  have  a minimum number of movements in relation to the visualization equipment.

Observations relative  to system design

The most  relevant aspects that  must  be considered in the  design of the  main  systems that constitute the experimental installation based  on a thermal engine  are described next:

1. To be able to have  high  pressures and  temperatures of the working fluid  in the admission system.

2. Having a good  regulation of the exhaust backpressure.

3. The thermal engine  must  be thermally fitted  by an external system that  allows  it to have optimum operational conditions.

4. There must  be an injection  system for high pressure independent of the thermal engine.

5.  The  vibration control   to  reduce vibrations transmitted  by  the  thermal engine   to  its surroundings must  be controlled by a limitation vibration system.

The  experimental  installation allows   switching between  two  different configurations to study the  diesel   spray in  evaporative  conditions. These  configurations  are  detailed  as follows:

1. Open  loop  configuration, reactive atmosphere: this  configuration allows   studying the diesel  spray injection  in an oxidant atmosphere. The working fluid  used  to fill the  control volume where the fuel is injected  is atmospheric air. When  the combustion is executed, the gases  and  the product species  of the latter  are then  evacuated to the atmosphere after  each operational cycle.  Afterwards, fresh  air  is introduced in  the  cylinder to  carry  out  a new injection.

2.  Closed   loop  configuration,  inert   atmosphere: This  configuration allows   studying the diesel  spray in an  inert  atmosphere in which  there’s no  oxidation of the  injected  fuel.  To achieve  this, a nitrogen supply system has been  incorporated to the installation with  which the injection  chamber is filled.

Experimental installation characteristics

-Repetitiveness of the various tests  so an excellent  stability in the different operation points is achieved.

-The  precision  in  the  measures demands  quality of  the  measuring  equipment  and   an accurate calibration of them  to avoid  systematic errors during the tests.

-Having reliability and  safety assumes a rigorous fitting  of the room  where the experimental installation is housed.

-Good  accessibility and  compatibility to  facilitate  the  control,  verification and  proceeding tasks on all the thermal engine systems.

Reactive atmosphere configuration

The reactive atmosphere configuration or open  loop is useful  for carrying out studies of the injection,  self-ignition and  combustion processes, in the  same  way  to carry  out  analysis in the   combustion  process  and   measures  of  contaminant  emissions.  Figure   3  shows  the schematic diagram of the experimental installation that  is used  in the study of diesel  sprays in a reactive atmosphere (Martínez et al., 2007) and (Bermúdez et al., 2000, 2003).

Description of  the  elements that  constitute the  experimental installation, impurity  filter: A commercial filter is used  to purify air from the impurities of the environment:

-Compressor: A Roots  compressor is used  to boost  air  from  the  environment towards the engine’s admission, as well to achieve  the sweep of gases produced by the combustion.

-Heat  exchanger: it is of the armour and  pipe  type  (water-air). Its function is to regulate the exit air temperature.

-Heater: prepares the air of admission through a resistance heater which  is installed in series with  the water-air exchanger.

-Pm: the medium pressure sensor  absolute scale is in charge  of sending a voltage signal  to the  PID controller so it can  regulate the  opening of the  electro  valve.  The aperture of the electro valve is in function of the target pressure established in the admission.

-Pintake: is the instantaneous pressure sensor  in absolute scale that measures the pressure in the  admission  chamber, which   is  used   as  a  reference for  the  medium pressure in  the cylinder.

-Pexhaust: is the instantaneous pressure sensor  in absolute scale that  measures the pressure in the exhaust chamber. This pressure measurement is used  as an operating reference for the exhaust backpressure electro valve.

-T: are the thermocouples type  k: the thermocouple is located downstream of the admission chamber and  is responsible of measuring the  air’s temperature just  at  the  entrance of the admission chamber. This  signal  is sent  to  a  PID  that  rules  over  the  heater based  on  the established target temperature. The thermocouple is located upstream from  the  admission chamber and measures the temperature just before it enters  the admission.

-Electro  valve:  to increment the  pressure of the  working fluid  in the  injection  chamber it’s necessary to establish a backpressure in the exhaust to avoid  a short  cut of the working fluid from admission to exhaust. This is achieved by closing the exhaust systems electro valve.

-A: represents the valves  used  to drain the vapour from the circuit,  as of residual fuel as well of the oil that accumulates on the ducts.

-B: represents the  sphere valves  used  to  free  the  circuit  elements. These  are  mainly used when the installation operates with  inert atmosphere.

Inert atmosphere configuration

The  inert  atmosphere configuration or closed  loop  is used  for  carrying out  studies of the injection  process in liquid phase as well  as in vapour phase. This configuration allows  the spray to  evolve  through the  combustion chamber presenting the  two  phases (liquid and vapour) without permitting flame  during the  process. This  is achieved by  a very  simple way, the spray is injected  in a control  volume (combustion chamber) were  the working fluid is a inert  gas  (e.g. nitrogen), therefore a volume free of oxygen  molecules but  with  similar properties to those of air.

Figure  4 shows the schematic diagram of the experimental installation used  to study diesel sprays in an inert atmosphere.

Description if the elements that  constitute the experimental installation. All of the elements that  constitute the  adapted  experimental installation to  study diesel  sprays in  a  reactive atmosphere are used  in inert  atmosphere, with  the exception of the expansion chamber and the  filter  of particles. Additionally to these,  two  elements which  are  indispensable for this configuration are included. These elements are described next:

-Condensate separator of the  collision  type:  the  configuration in a closed  loop  must  have nitrogen  recirculation without  the   presence  of  fuel,   therefore  the   injected   fuel   in  the combustion chamber and  the gas in which  the latter  has been injected  to, must  be separated once they have been expelled from the cylinder. The condensate separator is in charge  of the first  phase of  separation. Upon   circulating the  mixture (fuel-gas) through  the  discharge system and  arriving at the separator, where the fuel is then  condensed into small  drops that go  to  the  bottom of  the  vessel  and  the  gas  and  other   particles that  are  still  mixed   are separated by a filter  f micro  particles (see next section).  The liquid fuel concentrated at the bottom of the vessel is purged by a system of volumetric valves  and disposed thereafter.

-Filter  of  micro  particles: the  second phase of  gas  purification is  carried out  through a filtering of high  purity that  allows  the  gas to be separated from  possible fuel residues that haven’t condensate in the previous phase, or from  possible solid  particles dragged from  the circulation system or other  particles loosed  by the engine.  The filter of micro particles allows the separation of particles up to 0.001 µm.

Operation mode

The complexity of operation and  precision of the measures is of the same  magnitude as on the  reactive atmosphere configuration and  also  the  mechanism for  the  circulation of the working fluid.  When  the  installation is operating in  an  inert  atmosphere, the  nitrogen is boosted by the Roots compressor through the conditioner system and afterwards introduced

into the cylinder. After  the fuel is injected  and  mixed  with  gas, this mixture (fuel-nitrogen) is expelled towards the  condensate separator system and  to the  high  efficient  filter,  where the larger  drops of fuel are first condensed and then the solid particles dragged by the gas through the  circuit  elements or the  engine  are  eliminated. Once  the  nitrogen has  been  purified, it is driven up to the Roots compressor admission where it is boosted again  towards the motor to carry  out a new injection  cycle. A pressurised nitrogen deposit is used  to fill up the close loop circuit  before  initiating operations of the  installation. Once  the  installation is operating, the deposit with  help  of an  electro  valve  and  a PID regulator are  responsible of maintaining a constant volume of  nitrogen  circulating through  the  system since  some   small   gas  leaks towards the engines crankcase through the looseness between the piston and the cylinder may exist. The Figure  5 (a) shows a schematic diagram of the combustion chamber through which is possible to visualize the injection-combustion process. Figure  5 (b) shows an example of an image  sequence of a multiple spray. Figure  6 (a) and  (b) show  a sequence of the development of an axi-symetric spray in an inert and reactive atmosphere respectively.

Conclusions and remarks

In this chapter, several experimental setup based  on different models have  been  presented. This experimental setup allows  a basic study of the injection  and  combustion processes. The models have  diverse applications and  their  use depends on the kind  of study that  is intend to carry  out,  these  models are  limited in some  aspects, chiefly  in the  work  fluid  renewal, likewise is used  to being  complicated to reproduce the  thermodynamic conditions that  are presented in the combustion chamber of a real thermal engine.   The experimental setup that is presented and  based  on  a thermal engine  is a excellent  tool  that  permits to  reproduce thermodynamic  conditions  and   of  operation  as  the   existing   in  a  engine   in  standard conditions.  The cylinder head  that  has arranged the engine  has three  optical  accesses  which is  allow  visualization and  the  use  of  optical   techniques.   Diverse   techniques have  been utilized in this  experimental setup;  like LDA, PDA,  PLIEF, PIV, Spectroscopy, Raman and Rayleigh Scattering, Two colors,  and  Shadowgraph, principally.  These studies have  permit to characterize the diesel spray in evaporating conditions to obtain relevant information that permit to improve the combustion processes in modern diesel engines.