DARPA가 계획 중인 대형 극초음속 추진 기관 개발 프로그램 VULCAN 프로그램은 듀얼모드 램제트/스크램제트 엔진과 연계되어 TBCC엔진을 이룰 수 있도록, 기존의 터보제트(또는 터보팬) 엔진과 CVC과 엔진을 결합하여 마하수 4이상에서 작동 가능한 엔진을 개발하는 것을 목표로 하고 있다. CVC 엔진은 데토네이션 연소 현상을 기본으로 하여 고마하수에서 고효율을 얻을 수 있는 PDE 이나 CDE와 같은 신개념의 엔진이다. 본 논문에서는 부산대학교 항공우주공학과 연소 추진 연구실에서 지난 수년간 국제공동 연구의 형태로 수행한 데토네이션 현상의 추진기관 응용에 연구에 대하여 소개한다.
Synthetic gas is defined as reformed gas from hydrocarbon-based fuel and the major chemical species of the synthetic gas are $H_2$, CO and $N_2$. Among them, hydrogen from synthetic gas is very useful species in chemical process such as combustion. It is a main reason that many studies have been performed to develop an effective reforming device. Furthermore, other technologies have been studied for synthetic gas application, such as the ESGI(Exhaust Synthetic Gas Injection) technology. ESGI injects and burns synthetic gas in the exhaust pipe so that heat from hydrogen combustion helps fast warmup of the close-coupled catalyst and reduction of harmful emissions. However, it is very hard to understand combustion characteristic of hydrogen under low oxygen environment and complicated variation in chemical species in exhaust gas. This study focuses on the characteristics of hydrogen combustion under ESGI operating conditions using a CVC(Constant Volume Chamber). Measurements of pressure variation and flame speed have been performed for various oxygen and hydrogen concentrations. Results have been analyzed to understand ignition and combustion characteristics of hydrogen under lower oxygen conditions. The CVC experiments showed that under lower oxygen concentration, amount of active chemicals in the combustion chamber was a crucial factor to influence hydrogen combustion as well as hydrogen/oxygen ratio. It is also found that increase in volume fraction of oxygen is effective for the fast and stable burning of hydrogen by virtue of increase in flame speed.
An experimental study was carried out to obtain the fundamental data about the effects of radical ignition on premixture combustion. A CVC(constant volume combustor) divided into the sub-chamber and the main chamber was used. Numerous narrow passage holes are arranged between the main chamber and the sub-chamber. The products including radicals generated by spark ignition in tile sub-chamber derives the simultaneous multi-point ignition in the main chamber. We have examined the effects of the sub-chamber volume, the diameter and number of passage holes, and the equivalence $ratio({\Phi})$ on the combustion characteristics by means of burning pressure measurement and flame visualization. In a CVC, the overall burning time including the ignition delay became very short and the maximum burning pressure was slightly increased by the radical ignition(RI) method in comparison with those by the conventional spark ignition(SI) method. Combustible lean limit by RI method is extended by ${\Phi}=0.25$ compared with that by SI method. Also, In cases of charging the number and the diameter for the fixed total cross section of the passage holes, combustion period increased significantly at a sub-chamber with a single hole, but those of the other conditions had almost a similar tendency in the sub-chamber with 4 or more holes. regardless of equivalence ratio. Therefore, it was Proved that a critical cross section exists with the number of passage holes.
Circumstances require improving diesel engine, and many studies have been done in constant volume chamber(CVC). Because the combustion mechanism of a diesel engine has many difficulties with non-homogeneous nature, there has been a limitation to analyzing the combustion mechanism with CVC. Studies are often given in a real engine, but also it has difficulties in modifying configuration of combustion chamber etc. To get more easy way for mote engine-like test, a rapid compression mechanism has been introduced. This study addresses to designing a rapid compression expansion machine(RCEM) driven by compressed air, and to applying it on IDI diesel combustion chamber which has a glow plug. RCEM is introduced first and its characteristics are tested, then spray/combustion characteristics of diesel spray impinging on a glow plug in RCEM combustion chamber are investigated. The results show active combustion in the system employing spray impinging on a glow plug so as to improve combustion efficiency.
This experimental study was carried out to obtain both low emissions and high thermal efficiency by rapid bulk combustion. Two kinds of experiments were conducted to obtain fundamental data on the operation of a RI engine by a radical ignition method. First, the basic experiments were conducted to confirm rapid bulk combustion by using a radical ignition method in a constant volume chamber (CVC). In this experiment, the combustion velocity was much higher than that of a conventional method. Next, to investigate the desirable condition of engine operation using radical ignition, an applied experiment was conducted in an actual engine based on the basic experiment results obtained from CVC condition. A sub-chamber-type diesel engine was reconstructed using a SPI type engine with controlled injection duration and spark timing, and finally, converted to a RI engine. In this study, the operation characteristics of the RI engine were examined according to the sub-chamber's specifications such as the sub-chamber volume and the diameter and number of passage holes. These experimental results showed that the RI engine operated successfully and was affected by the ratio of the passage hole area to the sub-chamber volume.
Park, J.S.;Ha, J.Y.;Yeom, J.K.;Lee, J.S.;Lee, C.J.;Chung, S.S.
International Journal of Automotive Technology
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제8권3호
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pp.269-274
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2007
A prior fundamental study was executed using a constant volume chamber (CVC) to improve the burning characteristics of lean pre-mixture by the injection of active radicals generated in the sub-chamber of the CVC. The Radical ignition (RI) technique shows remarkable progress in the burning velocity and combustible lean limit compared with the results of the spark ignition (SI) technique. The optimum design value of the sub-chamber geometry is near $0.11cm^{-1}$ for the ratio of the total area of the holes to the sub-chamber volume $(A_h/V_s)$. In this study, based on the former experimental results, the additional works have been performed to examine the effects of the geometry change in the number $(N_h)$, the total section area $(A_h)$, and diameter $(D_h)$ of the passage holes on the combustion characteristics in the CVC. Also ambient conditions such as the initial temperature and the initial pressure of the mixture were selected as experimental parameters and the effects of residual gas at the chamber on the combustion characteristics were investigated. As a result, the correlation between the passage hole number and overall passage hole area was grasped. The effects of the initial temperature were significant, but on the other hand, those of the initial pressure were weak. A more detailed analysis on the residual gas is required in the future.
Ethanol has properties of a lower setting point, higher oxygen contents, lower cetane numbers, and also higher volatility compared to biodiesel. Thus, biodiesel fuel can be improved in the fluidity of blending fuel and exhaust emissions by blended ethanol fuel. This research aims to understand combustion characteristics of biodiesel-ethanol blending fuel inside a constant volume chamber. High speed camera was applied to visualize the physics of development of combustion processes, and combustion pressure and exhaust emissions were measured at several blending ratios of ethanol and biodiesel fuel. This information may contribute to improve the performance of biodiesel engine and reduce emissions in future.
대부분의 항공우주 추진은 정압 Brayton 사이클에 기초하고 있으나 성능 향상을 위한 압력비 증가는 기계적 한계에 직면하고 있다. 지난 십여 년간 고속 추진에 적합한 연소방식으로 기대 받은 데토네이션 추진이, 최근에는 추진기관과 동력 장치의 열효율을 획기적으로 증대시켜 줄 수 있는 "game-changer"로 연구되고 있다. 즉, 데토네이션 파에 수반하는 강한 충격파의 압축 효과는 기존의 압축 방식에서 얻기 힘든 열효율을 증가시키는 것으로 여겨진다. 본 논문에서는 펄스데토네이션엔진의 최신 기술 동향과 더불어 정적연소에 기초한 압력증가연소 체계의 연구 동향에 대하여 소개할 것이다.
Finding an alternative fuel and reducing environmental pollution are the main goals for future internal combustion engines. The purpose of this study is to obtain low-emission and high-efficiency by hydrogen enriched LPG fuel in constant volume chamber. An experimental study was carried out to obtain fundamental data for the combustion and emission characteristics of pre-mixed hydrogen and LPG in a constant volume chamber (CVC) with various fractions of hydrogen-LPG blends. To maintain equal heating value of fuel blend, the amount of LPG was decreased as hydrogen was gradually added. Exhaust emissions were measured using a HORIBA exhaust gas analyzer for various fractions of hydrogen-LPG blends. The results showed that the rapid combustion duration was shortened, and the rate of heat release elevated as the hydrogen fraction in the fuel blend was increased. Moreover, the maximum rate of pressure rise also increased. These phenomena were attributed to the burning velocity which increased exponentially with the increased hydrogen fraction in the $H_2$-LPG fuel blend. Exhaust HC and $CO_2$ concentrations decreased, while NOX emission increased with an increase in the hydrogen fraction in the fuel blend. Our results could facilitate the application of hydrogen and LPG as a fuel in the current fossil hydrocarbon-based economy and the strict emission regulations in internal combustion engines.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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