Validation and extension of a multi-component evaporation model for fuel droplets in high-pressure diesel injection

Abstract

Diese Arbeit behandelt die experimentelle Validierung von Simulationsmodellen, die Strahlaufbruch und Tropfenverdampfung abbilden. Die experimentellen Daten wurden mit den Diesel-Surrogaten Dekan und Hexadekan sowie einem Gemisch dieser beiden Kraftstoffe bei unterschiedlichen Diesel-Brennraumbedingungen von CMT-Motores Termicos an der Technischen Universität von Valencia, erzeugt. Um die Kraftstoffdampfeindringung und deren Verteilung ohne nachfolgender Verbrennung mittels Schlieren- bzw. UV-VIS-LAS Methode zu untersuchen, wurde Stickstoff als Inertgas eingesetzt. Ergänzend wurde die Eindringung der Flüssigphase gemessen. Die aufbereiteten Messdaten werden vorgestellt, analysiert und mit Simulationsergebnissen auf Übereinstimmung von Absolutwerten und Trends verglichen. Während die Ergebnisse von Flüssig- und Dampfphaseneindringung mehrheitlich mit dem Experiment übereinstimmen, weist die räumliche Verteilung von Mehrkomponenten-Kraftstoffgemischen deutliche Abweichungen auf. Des Weiteren wird eine umfangreiche Simulationsstudie durchgeführt, die Unterschiede zwischen Ein- und Mehrkomponenten-Sprays und der zugehörigen Dampfwolke darstellt. Es zeigt sich, dass Mehrkomponenten-Sprays räumlich und zeitlich früher Dampf erzeugen und tiefer als Einkomponenten-Stahlen in den Brennraum propagieren. Um die auftretenden Simulation-Experiment-Abweichungen zu reduzieren, wird ein Mehr-Schalen-Tropfen-Modell entwickelt und in den CFD-Code FIRE v2014 (AVL List GmbH) implementiert. Dieses Modell löst sich von der Annahme einer unendlich hohen Wärmeleitung bzw. schneller Durchmischung und diskretisiert die Temperaturverteilung im Tropfen. Im Rahmen der Validierung dieses Modells werden die Simulationsergebnisse mit dem Standard-Mehrkomponenten-Modell sowohl an einer Einzeltropfenverdampfung, als auch an injizierten Sprays verglichen. Wesentliche Merkmale des Mehr-Schalen-Tropfen-Modells sind eine verstärkte Verdampfung zu Beginn und eine insgesamt längere Verdampfungszeit. Dies macht sich in der Sprayrechnung durch höhere Dampfkonzentrationen an der Einspritzdüse und längere Flüssigkeitseindringung bemerkbar. Die geänderte Dampfwolke beeinflusst die nachfolgende Verbrennung.

This thesis treats the experimental validation of a multi component spray droplet evapo-ration model. The experimental data used have been provided by CMT-Motores Terrmicos at Technical University of Valencia for various incylinder conditions with the Diesel-surrogates Decane and Hexadecane as well as with a blend of both. To investigate the fuel vapour penetration and its spatial distribution by means of Schlieren and UV-VIS-LAS method respectively, nitrogen was applied as ambient inert gas to avoid subsequent combustion. Additionally, the liquid penetration was measured by means of Mie-Scattering. The processed measurement data are presented, analysed and compared to the simulation results regarding total values and trends. While the results of liquid- and vapour penetrations predominantly are in good accordance with the experiments, the spatial vapour-distribution of multi-component sprays shows significant deviations. Besides, an extensive simulation study is conducted, in which detailed differences between multi- and single-component fuel sprays and corresponding vapour clouds are worked out. It is observed that multi-component sprays provide a temporally and spatially earlier vapour production and deeper fuel propagation as single component sprays. To reduce the occurring deviation between simulation and experiment, a multi-shell-model in the droplet is developed and implemented into the CFD-Code FIRE v2014. This model removes the assumption of an infinite thermal conductivity respectively rapid mixing and discretises the temperature distribution in the droplet. In the validation, the results of this model are compared to the standard-model for a multi-component single-droplet-evaporation as well as of an injected fuel spray. Both are performed under engine conditions. Main features of the multi-shell droplet model are the enhanced evaporation at the start and a longer total vaporization. In the spray calculation this manifests itself through higher vapour concentrations at the nozzle and an extended penetration length. This changed vapour distribution influences the subsequent combustion.