INFLOSCOM – Investigations into IN-nozzle FLOw, Spray and COMbustion

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501299

Schlüsselwörter (Englisch)

• Transparent Nozzles, cavitation,

• Ballistic Imaging, primary break-up

• Spray Combustion Chamber, spray and combustion morphology

• Computation Fluid Dynamics, spray and combustion modeling

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Ziel dieses Projektes ist die Klärung des Einflusses der Düseninnenströmung – und der Kavitation im Speziellen – auf die Strahlausbreitung und Verbrennung unter Bedingungen wie sie bei grossen Zweitakt-Schiffsdieselmotoren anzutreffen sind. Schon im Rahmen von HERCULES-C wurden bei Experimenten in der Spray Combustion Chamber Effekte beobachtet, die sich mit konventionellen Messmethoden nicht genauer untersuchen liessen. INFLOSCOM soll mit Hilfe hochentwickelter optischer Messtechnik Aufschluss über die Vorgänge im Sprayloch geben und die neu gewonnenen Erkenntnisse anschliessend in die CFD Modellierung übertragen.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The goal of the project lies in the clarification of the influence of the in-nozzle flow – especially cavitation – on spray development and combustion under the conditions as they can be found in large marine diesel engines. Within HERCULES-C already, investigations in the Spray Combustion Chamber revealed effects which could not be further examined with conventional methods. By making use of highly sophisticated optical measurement techniques, INFLOSCOM shall answer questions about the processes in the spray nozzle and transfer the results into existing CFD models.

Schlussbericht (Deutsch)

INFLOSCOM (IN-nozzle FLOW, Spray and COMbustion) ist ein vierjähriges industrielles Forschungsprojekt mit dem Ziel, die Mechanismen und Beziehungen zwischen Kavitation und Sprayzerfall in grossen Zweitakt-Dieselmotor-Kraftstoffinjektoren für Schiffsmotoren besser zu verstehen. Bisher liegen nur sehr begrenzte Erkenntnisse vor, da sich die Forschung im Bereich der Kraftstoffeinspritzung hauptsächlich auf Automobil- und Schwerlastmotoren konzentriert. Die Kraftstoffeinspritzdüsen grosser Zweitakt-Schiffsdieselmotoren unterscheiden sich hinsichtlich der Grösse und insbesondere ihrer völlig unsymmetrisch und exzentrisch angeordneten Düsenbohrungen stark von herkömmlichen Kraftstoffeinspritzdüsen. Ein tieferes Verständnis der Strömung in der Düse und insbesondere der Kavitation sind unumgänglich, um die Leistung solcher Einspritzsysteme weiter zu steigern und damit den Wirkungsgrad des Motors zu verbessern und die Emissionen zunehmend zu reduzieren.

Eine neu entwickelte transparente Düse ermöglicht eine qualitative Visualisierung der Strömung unter realen Abmessungen und motorähnlichen Kraftstoffdruckbedingungen. Die Studie zeigt eine Vielzahl von quasi-stationären und transienten Kavitationsphänomenen aus verschiedenen untersuchten Einlochdüsengeometrien. Durch hydroerosives Schleifen wurden auch Düsen mit unterschiedlichen Einlassradien untersucht. Die qualitativen Daten der Düseninnenströmung wurden mit der quantitativen Spraymorphologie und den Verbrennungsergebnissen verknüpft, die in dem Prüfstand Spray and Combustion Chamber (SCC) der Winterthur Gas & Diesel AG (WinGD) gewonnen wurden.

Die Ergebnisse zeigen die signifikante Reduktion der Kavitation und des Zerstäubungsgrades des Sprays mit zunehmendem hydro-erosivem Schleifen der Düsen. Sprühwinkel und Auslenkungen wurden ausgewertet und mit den Kavitationsmustern der Strömung in der Düse in Verbindung gebracht, um die dominierenden Parameter zu bewerten und das Verständnis des Düsendesigns und des Einflusses auf die resultierende Spraybildung und -morphologie weiter zu vertiefen. CFD-Simulationen wurden durchgeführt und erfolgreich mit den gesammelten experimentellen Daten validiert. Die Simulationsergebnisse liefern zusätzliche interessante Strömungsmerkmale und Informationen über die Strömungsverhältnisse in der Düse.

Der vollständige experimentelle Datensatz der in diesem Projekt generiert wurde erleichtert die Validierung von Spray- und Verbrennungssimulationen im zukünftigen Entwicklungsprozess innerhalb der F&E-Abteilung von WinGD. Das gewonnene Verständnis des Kavitationsverhaltens von Düsen wird dazu beitragen den Kraftstoffeinspritzprozess zu optimieren indem die Düsendesigns so angepasst werden, damit sie Sprayablenkungen kompensieren und den durch Kavitation hervorgerufenen Düsenverschleiss reduzieren.

Schlussbericht (Englisch)

INFLOSCOM (IN-nozzle FLOw, Spray and COMbustion) is a four years industrial research project with the aim to better understand the mechanisms and relations between cavitation and spray breakup in large two-stroke marine Diesel engine fuel injectors. So far, there is only very limited knowledge available since most of the research on fuel injection is focused on automotive and heavy-duty engines. The fuel injection nozzles of large two-stroke marine Diesel engines differ extensively regarding their nozzle bore size and especially their completely non-symmetrical and eccentrical nozzle bore
arrangement. A deeper understanding regarding the in-nozzle flow and especially cavitation within the nozzle is inevitable to further enhance the performance of such injection systems and hence, improve engine efficiency and reduce emissions, accordingly.
A newly developed transparent nozzle allows a qualitative visualization of the in-nozzle flow under realsize dimensions and with engine-like fuel pressure conditions. The study revealed a variety of steadystate and transient cavitation phenomena from different single-hole nozzle geometries investigated. Using hydro-erosive grinding, nozzles with different levels of inlet radii were studied as well and the qualitative in-nozzle flow data was linked to quantitative spray morphology and combustion results acquired at the Spray and Combustion Chamber (SCC) facility at Winterthur Gas & Diesel Ltd. (WinGD) in Winterthur, Switzerland. The results show the significant reduction of cavitation and level of spray atomization with an increasing level of hydro-erosive grinding of the nozzles. Spray angles and deflections were evaluated and linked to the in-nozzle flow cavitation patterns to evaluate the dominant parameters and to further deepen the understanding of the nozzle orifice design and the influence on the resulting spray formation and morphology. CFD simulations were set up and successfully validated using the gathered experimental data revealing additional flow features and information about the in-nozzle flow. The complete experimental data set generated in this project is facilitating the validation of spray and subsequent combustion simulations in the future development process within the R&D department of WinGD. The gained understanding of the cavitation behavior of nozzles will help to optimize the fuel injection process by adapting nozzle designs to compensate spray deflections and reduce nozzle wear induced by cavitation.

Zugehörige Dokumente

• INFLOSCOM - Final Report [PDF] 1'714 kB

Schlussbericht (Italienisch)

INFLOSCOM (IN-nozzle FLOW, Spray e COMbustion) è un progetto di ricerca industriale della durata di quattro anni con l'obiettivo di comprendere meglio i meccanismi e le relazioni tra cavitazione e spray breackup negli iniettori per grandi motori Diesel due tempi in ambito marino. Finora, le conoscenze disponibili sono molto limitate, poiché la maggior parte della ricerca sull'iniezione di carburante è focalizzata sui motori automobilistici e heavy-duty. Poiché gli ugelli di iniezione del carburante dei grandi motori marini Diesel a due tempi differiscono ampiamente per quanto riguarda le dimensioni dell'alesaggio degli ugelli e soprattutto per la loro disposizione completamente non simmetrica ed eccentrica del foro dell'ugello, è necessario acquisire una comprensione più profonda del flusso e della cavitazione all'interno dell'ugello per comprenderne l’influenza nella formazione dello spray e nella combustione, al fine di migliorare ulteriormente le prestazioni di tali sistemi di iniezione e di conseguenza l'efficienza del motore così come ridurre le emissioni.

Un ugello trasparente di nuova concezione permette una visualizzazione qualitativa del flusso all'interno dell'ugello di dimensioni reali e con condizioni di pressione del carburante simili a quelle del motore. Lo studio ha rivelato una varietà di fenomeni di cavitazione stazionaria e transitoria nelle diverse geometrie di ugelli a foro singolo indagate. Utilizzando la macinazione idro-erosiva, sono stati studiati anche gli ugelli con diversi livelli di raggio di ingresso e i dati qualitativi del flusso all'interno dell'ugello sono stati collegati alla morfologia quantitativa degli spruzzi e alla risultante combustione. Tutti i dati sono stati acquisiti presso l'impianto denominato Spray Combustion Chamber (SCC) Winterthur Gas & Diesel Ltd. (WinGD) a Winterthur, Svizzera.

I risultati mostrano la significativa riduzione della cavitazione e del livello di atomizzazione del getto con un livello crescente di macinazione idro-erosiva degli ugelli. Gli angoli di spruzzo e le deviazioni sono stati valutati e collegati ai modelli di cavitazione del flusso all'interno dell'ugello per valutare i parametri dominanti e per approfondire ulteriormente la comprensione del design dell'orifizio dell'ugello e la sua influenza sulla formazione di spruzzi e sulla morfologia risultante. Le simulazioni CFD sono state impostate e validate con successo utilizzando i dati sperimentali raccolti che hanno rivelato ulteriori caratteristiche del flusso all'interno dell'ugello.

L'insieme completo di dati sperimentali generati in questo progetto stanno facilitando la convalida delle simulazioni dello spray e delle successive simulazioni di combustione nel futuro processo di sviluppo all'interno del dipartimento di ricerca e sviluppo di WinGD. La comprensione acquisita del comportamento di cavitazione degli ugelli aiuterà ad ottimizzare il processo di iniezione del carburante, adattando il design degli ugelli per compensare le deviazioni di spruzzatura e ridurre l'usura degli ugelli indotta dalla cavitazione.