Optical Evaluation of Ducted Fuel Injection for a Medium Speed Maritime Engine Fuel Injector

Abstract

This thesis was conducted on behalf of Wärtsilä Finland Oy at their research laboratory. The objective was to evaluate whether the ducted fuel injection (DFI) concept could be applied to larger fuel injectors, such as those used in maritime engines, to reduce soot formation during combustion.

The DFI concept was tested in a constant volume precombustion hot cell (CVPHC), commonly referred to as a spray chamber. Multiple duct configurations, with inner diameters ranging from 2 mm to 8 mm, were designed and manufactured. These ducts were installed inside the chamber using a mount that was also designed and manufactured.

To measure relative changes in soot production, two high-speed cameras recorded the maximum light intensity emitted from the fuel spray combustions, as light intensity correlates with soot concentration. Additionally, a NOx analyzer was used to measure NO emissions in the exhaust gas.

The results showed that the best-performing duct reduced soot formation by approximately 30% compared to the reference tests without a duct. However, some duct geometries, such as the D2L14G3 duct, increased soot production by more than 50%. The standard duct with the best performance was the D4L22G7, while a specially designed Vented Venturi Duct achieved an even greater soot reduction.

Detta examensarbete utfördes på uppdrag av Wärtsilä Finland Ab vid företagets forskningslaboratorium. Syftet var att utvärdera om DFI-konceptet, ducted fuel injection, kunde appliceras på bränsleinjektorer i den storlek som används i maritima motorer, med målet att minska mängden sot som bildas vid förbränning.

DFI-konceptet testades i en förförbränningskammare med konstant volym, även kallad spraykammare. Flera rörkonfigurationer med innerdiametrar mellan 2 mm och 8 mm konstruerades och tillverkades. Dessa monterades i spraykammaren med hjälp av en särskilt designad och tillverkad hållare.

För att mäta relativa skillnader i sotbildning användes två höghastighetskameror för att mäta den maximala ljusintensiteten från bränsleförbränningarna, eftersom ljusintensitet korrelerar med sotmängd. En NOx-analysator installerades dessutom i avgasröret för att mäta utsläppen av kväveoxider.

Resultaten visade att den bäst presterande rörkonfigurationen minskade sotbildningen med cirka 30 % jämfört med en referensspray utan rör. Vissa konfigurationer, såsom D2L14G3, ökade däremot sotet med över 50 %. Den bäst presterande standardkonfigurationen var D4L22G7, medan ett specialdesignat ventilerat Venturi-rör reducerade sotbildningen ytterligare.

Tämä opinnäytetyö on tehty Wärtsilä Finland Oy:n toimeksiannosta heidän tutkimuslaboratoriossaan Vaasassa. Työn tavoitteena oli selvittää, voisiko suulakeohjattua polttoaineruiskutusmenetelmää (DFI) soveltaa suuremmissa ruiskusuuttimissa, kuten merimoottoreissa, vähentämään noen muodostumista palamisen aikana. DFI-konseptia testattiin vakiotilavuuskammiossa (CVPHC), toisin sanoen ruiskutuskammiossa. Tutkimuksessa suunniteltiin ja valmistettiin useampia suulakemalleja sisähalkaisijan vaihdellessa kahdesta kahdeksaan millimetriin. Suulakkeet asennettiin kammion sisään sitä varten suunnitellulla ja valmistetulla pitimellä.

Noen muodostuksen suhteellisen muutoksen mittaamiseksi käytettiin kahta suurnopeuskameraa, joilla seurattiin ruiskutetun polttoaineen palamisen valonvoimakkuutta. Valon voimakkuus nimittäin korreloi noen konsentraation kanssa. Lisäksi pakokanavaan asennettiin NOx-analysaattori typpioksidipäästöjen mittaamiseksi.

Tulokset osoittivat, että parhaiten toiminut suulake vähensi noen muodostusta noin 30 prosentilla verrattuna ruiskutukseen ilman suulaketta. Kuitenkin muutamat suulakemallit kuten D2L14G3 päinvastoin lisäsivät noen muodostusta yli 50 prosentilla. Parhaiten toiminut vakiosuulake oli mallia D4L22G7, kun taas erikoissuunniteltu, aukotettu Venturi-suulake saavutti vielä suuremman vähennyksen noen määrässä.