Experimental Investigation of Dynamic Pressure Drop in a Marine Gas Injector

Abstract

Som en konsekvens av strengere regulering av utslipp og utvidede utslippskontroll områder, har flytende naturgass vist å være et gunstig alternativt drivstoff for sjøfartsnæringen. Dette skyldes en betydelig reduksjonen av skadelig og regulerte utslipp, men også i noen situsjoner bedre termisk virkningsgrad.

Nåværende tilgjengelige gassmotorer faller generelt under en av to kategorier, nemlig lav- eller høytrykksinnsprøytning. Med lavtrykksinnsprøytning blir gassen ofte introdusert i innsugsmanifolden ved relativt lave trykk (< 10 bar). På grunn av magert blandingsforhold blir forbrenningstemperaturen forholdsvis lav, som fører til ukomplett forbrenning av metan, også kjent som metan slip. Metan har et betdylig høyere globalt oppvarmingspotensial sammenlignet med CO2 og er derfor uønsket. Med høytrykksinnsprøynting, blir gassen direkte innsprøytet inn i sylinderen, når stempelet nærmer seg øvre dødpunkt. På den måten kan temperaturen i sylinderen holdes høyere, fordi det ikke er noen risiko for banking, slik at metan slippet blir redusert til et minimum. Gassen blir typisk sprøytet inn ved et trykk på 300-350 bar. Likevel må andre utfordringer bli tatt høyde for med et slikt system.

En utfordring med høytrykks- gassinnsprøytning er at injeksjonstrykket vil falle når innsprøytningen starter, på grunn av kompressibiliteten av gasser. Dette betyr at trykket ved start- og sluttidspuktet av injeksjonen er forskjellig som kan føre til at egenskapene til gassen endrer seg under innsprøytnignen.

Målet med dette studiet er å observere og kvantifisere påvirkningen av det dynamiske trykkfallet over dysen har på utviklingen av en gass som blir innsprlytet ved høye trykk. Dette ble utført ved å injisere nitrogen inn i et trykksatt kammer, kalt et konstant-volum-forbrennings-kammer, og kontinuerlig måle trykket over dysen og optisk fotografere gassen ved hjelp av et høyhastighets schlieren oppsett. Bildene ble brukt til å beregne vinkelen og penetreringslengden av den utstedte strålen, hastigheten til strålen ble også regnet ut. Videre ble det dynamiske trykkfallet sammenlignet med de beregnede verdiene for å avgjøre i hvilken grad det påvirket strålen.

For dette eksperimentet viste deg seg at selv om det totale innsprøytningstrykket i stor grad påvirket strålen, så hadde det dynamiske trykkfallet nesten ingen påvirkning på utviklingen av den.

Gjennom utviklingsfasen av strålen var det tilhørende relative trykkfallet på under 1% av innsprøytningstrykket. Hvilket betyr at initialbetingelsene til strålen forble mer eller mindre konstant i denne tidsperioden. Når strålen hadde blitt fult utviklet, var det relative trykkfallet på 5%, likevel var det ingen tydelig endreing i nærfeltsområdet med tanke på sjokkstrukturer og bredden for den delen av den.

As a consequence of stricter regulations regarding emissions and expanding emissions control areas liquefied natural gas has proven to be a viable option as an alternative fuel for the maritime shipping industry. This is due to its significant decrease in harmful and regulated emissions but also in some cases increased thermal efficiency compered with marine diesel oil engines.

Available gas engines typically fall under one of two categories, that is low or high pressure gas injection. Low pressure gas engines generally injects fuel into the intake manifold at relatively low pressures ($\leq$10 bar). However, due to very lean combustion they suffer from quenching leading to unburned methane, known as methane slip, which has a much higher global warming potential than CO2. High pressure gas engines direct injects the gas fuel into the cylinder close to top dead center at relative high pressures of 300-350 bar. With direct injection the temperature in the cylinder can be kept higher resulting in a more complete combustion and reducing the methane slip to a minimum. However it poses it own set of challenges. . One challenge with high pressure gas injection is to maintain the pressure during the entirety of the injection. Due to the compressible nature of gasses the pressure will begin to drop as the injection starts. Meaning that the injection pressure at end of injection will be lower than the initial injection pressure. This might cause the issued jet to have different characteristics at different stages in the injection, other than the transient jet development.

This study aims to observe and quantify the influence the dynamic pressure drop has on a gas fuel injection jet. This was accomplished by injecting nitrogen into a pressurized chamber, called a constant volume combustion chamber, where the injection pressure was continuously measured and optically image the jet by applying a high speed schlieren method. The images was used to determine the cone angle and penetration length, in addition to calculate the jet tip velocity of the jet during the injection. Then the dynamic pressure drop was compered the measured characteristics from the images to determine the influence it had on the gas jet.

It turned out, in this study, that even though different injection pressures had a significant influence on the appearance of the jet, the dynamic pressure drop did not have any obvious influence.

During the development phase of the jet the associated pressure drop was less than 1% of the injection pressure, meaning that the initial conditions for the jet remained more or less constant during this time period. When the jet had become fully developed the relative pressure drop was 5%, still there was no visible influence on the near field region of the jet related to shocks structures and the initial jet width.