Development and application of optical diagnostic techniques for assessing the effects of preferential evaporation of multi-component fuels under engine-relevant conditions

par Lama Itani

Thèse de doctorat en Énergétique

Sous la direction de Gilles Bruneaux et de Christof Schulz.

Le président du jury était Frédéric Grisch.

Le jury était composé de Gilles Bruneaux, Christof Schulz.

Les rapporteurs étaient Fabrice Foucher, Sebastian Kaiser.

  • Titre traduit

    Développement et exploitation de techniques de diagnostics optiques pour la compréhension de l'évaporation de carburants mufti-composants dans les moteurs essence


  • Résumé

    Dans le cadre de cette thèse, une technique de diagnostic optique a été développée pour mesurer simultanément l’évaporation différentielle, la distribution de température, et la concentration massique de fuel dans un jet multi-composant. Cette technique a été examinée dans les conditions d’un moteurs essence. La technique de mesure est basée sur l’utilisation des deux traceurs excités par une seule longueur d’onde.Pour pouvoir examiner l’évaporation différentielle d’un carburant multi-composant, deux traceurs ont été sélectionnés : le p-difluorobenzène et le 1-methylnaphtalène. Ces traceurs reproduisent deux types de volatilité : faible et moyenne à élevée. Les traceurs choisis fluorescent dans deux régions spectrales distinctes ce qui rend l’application de cette technique possible. Une étude photophysique a été menée pour caractériser les deux traceurs, indépendamment puis en mélange, pour différentes conditions de pression, température, et composition du bain gazeux. L’étude photophysique est essentielle pour pouvoir mesurer quantitativement l’évaporation différentielle. Les résultats photophysiques montrent que le spectre du 1-methylnaphthalène est sensible à la température. Cette caractéristique permet de mesurer la distribution en température dans le jet.Les essais ont été réalisés dans une cellule haute pression / haute température, ca-pable de simuler les conditions d’un moteur thermique. Des sprays générés par un injecteur ECN Spray G et un piézo-électrique d’une ouverture annulaire ont été étudiés. Des mesures initiales ont été menées avec chaque traceur pour pouvoir fixer la proportion de mélange des traceurs. La précision de la méthode de mesure a été calculée suivant une configuration de filtres identiques. Ensuite, les champs de tempé-rature calculés par la LIF et ceux déterminés depuis les champs de concentration massique, ont été comparés. Les résultats démontrent que la température est homo-gène ce qui signifie que les mesures d’évaporation différentielle n’ont pas influencé par la distribution de température dans le jet.Les images obtenues en détectant les signaux depuis le mélange de traceurs ont permis de localiser l’évaporation différentielle. Une variation en distribution spatiale des composants est observée 550–600 K. Cet effet disparaît en augmentant la température, ce qui explique que l’évaporation est plus rapide à haute température. La localisation de l’évaporation différentielle varie avec le type d’injecteur. La géométrie du nez ainsi que la structure du jet a donc un impact sur la formation du mélange.


  • Résumé

    A non-intrusive quantitative laser-induced fluorescence (LIF) technique capable of simultaneously measuring preferential evaporation, temperature distribution, and fuel-mass concentration across a multi-component vaporized spray has been developed and investigated under engine-relevant conditions. The measurement technique is based on two-tracer LIF with single wavelength excitation.To assess preferential evaporation, a tracer pair with suitable co-evaporation and spectral properties was selected based on vapor-liquid equilibrium calculations repre-sentative for gasoline fuels. Evaporation studies have shown that one tracer (p-difluoro-benzene) co-evaporates with the high-to-medium-volatility end of the multi-component fuel while the other (1-methylnaphthalene) co-evaporates with the low-volatility end. For quantitative measurements the photophysical properties of both tracers (each tracer separately and the combined tracers) were determined under a wide range of pressure, temperature, and bath-gas composition conditions. 1-methylnaphthalene LIF shows a strong red-shift with temperature which enables measurements of the temperature distribution across the spray.Spray evaporation and vapor mixing experiments were performed in a high-pressure high-temperature vessel capable of simulating in-cylinder conditions. An ECN Spray-G and a piezo-electric outward opening injector were used in this study. Initial measure-ments were carried out with each tracer added separately to the fuel to assess signal cross-talk and to determine the best tracer concentrations. Once the proportions were determined, accuracy and precision of the method were determined from the LIF-signal ratio of spray images within identical spectral bands. Temperature fields, obtained by two-color 1-methylnaphthalene LIF and derived from fuel concentration maps based on the assumption of adiabatic evaporation, were examined for inhomogeneities in the area of interest since fluctuations potentially influence the two-color method. It was shown that the temperature is homogeneous in the measurement volume.To localize preferential evaporation, two-color two-tracer LIF images were evaluated. Taking into account the measurement accuracy and precision, variations in the spatial distribution of the fuel volatility classes were observed for 550–600 K. At higher tem-peratures, the effect is less pronounced, which is consistent with the fact that evapora-tion is faster. The localization of preferential evaporation varied with each injector used indicating the impact of injector nozzle geometry and jet structure on mixture formation.


  • Résumé

    Eine berührungsfreies quantitatives Verfahren auf Basis von laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) wurde entwickelt, um simultan präferenzielle Verdampfung, Temperaturverteilung und Kraftstoffkonzentration im verdampften Bereich eines Mehrkomponenten-Kraftstoffsprays unter motorrelevanten Bedingungen zu messen. Verfahren beruht auf Zwei-tracer-LIF mit Anregungmit einem Laser.Es wurde ein Tracer-Paar mit geeigneten Verdampfungs- und spektralen Eigenschaften auf Basis von Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtsrechnungen für Otto-Kraftstoffe ausgewählt. Verdampfungsmessungen haben gezeigt, dass ein Tracer (p-Difluorbenzol) gleichzeitig mit dem mittel- und höherflüchtigen Siedeklassen verdampft, während der andere (1-Methylnaphthalin) den schwerflüchtigen Komponentenfolgt. Für quantitative Messungen wurden die photophysikalischen Eigenschaften beider Tracer (einzeln und als Kombination) in einem weiten Bereich von Druck, Temperatur und Gaszusammensetzung bestimmt. 1-Methylnaphthalin-LIF zeigt eine starke Rotverschiebung mit der Temperatur, die Messungen der Temperaturverteilung ermöglicht. Es wurde ein Tracer-Paar mit geeigneten Verdampfungs- und spektralen Eigenschaften auf Basis von Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtsrechnungen für Otto-Kraftstoffe ausgewählt. Verdampfungsmessungen haben gezeigt, dass ein Tracer (p-Difluorbenzol) gleichzeitig mit dem mittel- und höherflüchtigen Siedeklassen verdampft, während der andere (1-Methylnaphthalin) den schwerflüchtigen Komponentenfolgt. Für quantitative Messungen wurden die photophysikalischen Eigenschaften beider Tracer (einzeln und als Kombination) in einem weiten Bereich von Druck, Temperatur und Gaszusammensetzung bestimmt. 1-Methylnaphthalin-LIF zeigt eine starke Rotverschiebungmit der Temperatur, die Messungen der Temperaturverteilung ermöglicht.


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