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

Itani, Lama

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 representative for gasoline fuels. Evaporation studies have shown that one tracer (p-difluorobenzene) co-evaporates with the high-to-medium-volatility end of the multicomponent 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 hightemperature vessel capable of simulating in-cylinder conditions. An ECN Spray-G and a piezo-electric outward opening injector were used in this study. Initial measurements 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 calculated 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 temperatures, the effect is less pronounced, which is consistent with the fact that evaporation 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

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-tracerLIF mit Anregung mit einem Laser. Es wurde ein Tracer-Paar mit geeigneten Verdampfungs- und spektralen Eigenschaften auf Basis von Dampf-FlüssigkeitsGleichgewichtsrechnungen 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 Komponenten folgt. 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-FlüssigkeitsGleichgewichtsrechnungen 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 Komponenten folgt. 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.

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Itani, Lama: Development and application of optical diagnostic techniques for assessing the effects of preferential evaporation of multi-component fuels under engine-relevant conditions. 2018.

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