Developments in Spray Modeling in Diesel and Direct-Injection Gasoline Engines

Progrès de la modélisation des sprays dans les moteurs Diesel et à essence

S. C. Kong, P. K. Senecal and R. D. Reitz

University of Wisconsin-Madison

Abstract

In direct-injection engines, the fuel spray characteristics influence the combustion efficiency and exhaust emissions. The performance of available spray models for predicting liquid and vapor fuel distributions, and their influence on combustion is reviewed for both diesel and gasoline direct injection engines. A phenomenological nozzle flow model is described for simulating the effects of diesel injector nozzle internal geometry on the fuel injection and spray processes. The flow model provides initial conditions for the liquid jet breakup model that considers wave instabilities due to Kelvin-Helmholtz (KH) and Rayleigh-Taylor (RT) mechanisms. A linearized instability analysis has also been extended to consider the breakup of liquid sheets for modeling pressure-swirl gasoline injectors. Diesel engine predictions have been compared with extensive data from in-cylinder laser diagnostics carried out in optically accessible heavy-duty, DI Diesel engines over a wide range of operating conditions. The results show that the nozzle flow model used in combination with the KH and RT models gives realistic spray predictions. In particular, the limited liquid fuel penetration length observed experimentally and the flame shape details are captured accurately. The liquid sheet breakup model has also been compared favorably with experimental spray penetration and drop size data for gasoline hollow-cone sprays. This model is currently being applied to study stratified charge combustion in GDI engines.

Résumé

Dans les moteurs à injection directe, les caractéristiques du spray de carburant influent directement sur le rendement et les émissions. Les performances des modèles de spray existants et leur influence sur la combustion pour les moteurs Diesel et essence à injection directe sont analysées. Un modèle phénoménologique d'écoulement dans les injecteurs indiquant les effets de la géométrie sur les processus d'injection est présenté. Ce modèle donne les conditions initiales d'un modèle d'atomisation prenant en compte les instabilités de Kelvin-Helmholtz (KH) et Rayleigh-Taylor (RT). Une analyse de stabilité linéaire a aussi été menée pour prendre en compte l'atomisation des nappes liquides caractéristiques des injecteurs à swirl des moteurs à essence. Des résultats de simulations Diesel ont été comparés aux données obtenues avec des diagnostics laser sur des moteurs à accès optique Diesel ID de fort alésage pour une large gamme de conditions opératoires. Les résultats montrent que le modèle d'injecteur utilisé en combinaison avec le modèle d'atomisation (KH + RT) donne des résultats réalistes. En particulier, la courte pénétration liquide et les détails de forme des flammes sont bien reproduits. Le modèle d'atomisation de nappe a aussi été comparé avec succès à des pénétrations expérimentales et des données de taille de gouttes pour des injecteurs en cône creux. Ce modèle est en cours d'utilisation pour l'étude de la combustion en mode stratifié dans les moteurs GDI.