In order to confront the increasing air pollution and the tightening emission restrictions, this research developed a diesel engine using DME, the advanced smoke-free alternative fuel. By numerical analysis, flow field, spray, and combustion phenomenon of the DME engine was presented. Using an experimental method, the configuration of the fuel supply system and operation/power performance was tested with the current plunger pump. Most emission performance, especially smoke performance was significantly improved. The possibility of conversion from the current diesel engine into the DME engine was affirmed in this research. However, it was found that the increase of engine RPM and fuel amount need to be properly adjusted through matching the characteristics of fuel and injector for further improvement.
Dimethyl ether (DME) is a new clean fuel as an environmentally-benign energy resource. DME can be manufactured from various energy sources including natural gas, coal, and biomass. In addition to its environmentally friendly properties, DME has similar characteristics to those of LPG. The aim of this article is to represent the development of new DME process with KOGAS's own technologies. KOGAS has investigated and developed new innovative DME synthesis process from synthesis gas in gaseous phase fixed bed reactor. DME has been traditionally produced by the dehydration of methanol which is produced from syngas, a product of natural gas reforming. This traditional process is thus called the two-step method of preparing DME. However, DME can also be manufactured directly from syngas (single-step). The single-step method needs only one reactor for the synthesis of DME, instead of two for the two-step process. It can also alleviate the thermodynamic limitations associated with the synthesis of methanol, by converting the produced methanol into DME, thereby potentially enhancing the overall conversion of syngas into DME. KOGAS had launched the 10 ton/day DME demonstration plant project in 2004 at Incheon KOGAS LNG terminal. In the mid of 2008, KOGAS had finished the construction of this plant and has successively finished the demonstration plant operation. And since 2008, we have established the basic design of commercial plant which can produce 3,000 ton/day DME.
In this research, in order to study the spray, combustion, and emission characteristics of the common rail DME engine, the target engine was disassembled, and 3D CAD file was constructed using a 3D measurement machine and a rapid prototyping machine. Using the obtained 3D geometry, fine moving meshes are generated, and three dimensional non-steady turbulence flow field and combustion phenomenon including spray were numerically analyzed. As a result, IMEP of DME and diesel in medium and high speed revolution showed similar performance. As the DME fuel start to burn in spray area, the vaporized fuel rapidly spreads squish area in low speed revolution. In the case of DME engine, CO and NOx are relatively consistent with experiment results. It was found that the break-up, evaporation, collision model of DME fuel need to be properly adjusted through matching the characteristics of fuel and injector for further improvement.
An investigation on spray characteristics of fuels which diesel and di-methyl ether (DME) with change of injection pressure used the multi-injection in constant volume combustion chamber (CVCC). Diesel was already used famous fuel which we could use. DME showed similar features with diesel like as cetane number, auto-ignition temperature. High cetane number of diesel and DME could make possible to compression ignition. DME showed different atomization from diesel due to evaporating pressures and boiling points. Experiments were carried out in CVCC equipped with Delphi solenoid 6-hole type injector and the spray characteristics of diesel and DME were tested the various pre and pilot injection. Terms of injections and a number of injections in multi-injection has been controlled. Experiments were performed in 2 types that 1500 rpm, 2000 rpm and under the condition of injection ranging from 100 bar to 500 bar. From the results of this experiment diesel showed longer spray penetration than DME. That result showed different of atomization speed DME and diesel. Result of high injection pressure condition showed similar spray characteristics diesel and DME. After this investigation, new conditions and experiments using laser light to go forward and add the fuels like as the biodiesel and diesel and DME blend.
배기가스의 규제가 전 세계적으로 강화되고 있는 가운데, 경유사용 디젤기관은 가솔린기관 보다 열효율이 높고 온실가스인 $CO_2$ 배출량이 적은 장점이 있으나, PM(입자상 물질)과 NO$_{x}$가 다량 배출되는 단점이 있다. 이들의 저감책으로서, 엔진개량, 연료분사장치의 고압화와 전자제어화, 배기 후처리기술의 적용 등 디젤기관의 고효율성을 손상시키지 않으면서, 배기공해를 대폭 저감하려는 연구가 활발히 추진되고 있으며, 한편으로는 디젤기관의 대체연료에 대한 연구가 활발히 추진되고 있다.(중략)
This study is to investigate the spray behavior of DME-LPG blended fuels in common rail injection system for diesel engines. The visualization experiment was performed to analyze the macroscopic spray behavior of test fuels. In addition, the experiment using BOS(Background Oriented Schlieren) method is performed to compare liquid phase and gas phase. The test fuels are injected in high pressure chamber. The ambient pressure of high pressure chamber was formed by nitrogen gas. Spray tip penetration, spray cone angle and spray area were measured using high speed camera. SMD(Sauter Mean Diameter) and spray particle velocity were measured using the PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer) system to analyze the microscopic properties of test fuels. The results of this experiment showed that spray tip penetration, spray cone angle and spray area of DME-LPG fuels are similar to those of DME fuel. When compared to results of experiment using BOS, significant differences of spray tip penetrations, spray cone angle and spray area are showed because of gas phase. The results of experiment using BOS method showed higher values. SMD of DME-LPG blended fuels is smaller than that of DME fuel. Velocity of DME-LPG blended fuels is faster than that of DME fuel.
The present study is mainly motivated to investigate the vaporization, auto-ignition and combustion processes in high-pressure diesel engines. In order to realistically simulate the dimethyl ether (DME) fueled diesel engine, the high pressure vaporization model is utilized and the interaction between turbulence and chemistry is treated by employing the Representative Interactive Flamelet (RIF) model. The detailed chemisty consisted of 336 elementary reaction steps and 78 species is used for DME/air reaction. Numerical results indicate that the RIF model with high pressure vaporization model successfully predicts the essential feature of the combustion processes and pollutants formations in the DME fueled diesel engines.
This paper describes the atomization characteristics, as well as the velocity and size distribution, of DME spray based on common-rail injection system. To analyze the possibility of using DME fuel as an alternative fuel of diesel, spray atomization characteristics were investigated. For this investigation, two-dimensional phase Doppler analyzer system was used to obtain droplet size and velocity distribution simultaneously. Velocity and droplet size measurements were performed at various injection pressures. Results showed that increasing pressure from 25MPa to 50MPa leads to higher spray droplet velocities and smaller droplet diameter but injection pressure above 40MPa, no signifiant reduction was observed. With the droplet velocity and SMD comparison between diesel and DME fuel, it can be observed that DME has smaller SMD and droplet velocity due to its low surface tension.
The combustion and emission characteristics of a direct injection CI engine fuelled with DME(Dimethyl Ether) and diesel fuel were compared at idle engine speed(800 rpm) with various injection parameters. An optical single cylinder diesel engine equipped with a common-rail fuel injection system was constructed to investigate combustion processes of DME and diesel fuel. The combustion images were recorded with a high-speed video camera system. The results demonstrated that the DME-fuelled engine was superior to the conventional diesel engine in terms of engine performance and emissions. The optimal injection timing of DME was located around IDC(Top Dead Center), which was roughly same as that of diesel fuel. As the injection timing was advanced much earlier than TDC, NOx (Nitric Oxides) level increased considerably. NOx emission of DME was equal or a little higher than that for diesel fuel at the same injection pressure and timing because of higher evaporation characteristics of DME. Throughout all experimental conditions, DME did not produce any measurable smoke level.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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