This numerical study was carried out to optimize dual fuel combustion on natural gas-diesel in static chamber. Spray experiments conducted under conditions of premixed methan 0%, 5% and 10%. In the results, penetration decreases when premixed methane is increasing. Constants of numerical models were acquired from results of spray experiments to enhance accuracy of numerical study. And dual fuel engine simulation was implemented by using AVL-FIRE with acquired constants.
Characteristics of a diesel spray impingement with the variation of ambient temperature, wall temperature and ambient pressure were investigated through shadowgraphy method by using high speed camera. The radial penetration of spray was increased with ambient temperature and wall temperature. It is resulted from the decrease of ambient gas density caused by the increase of temperature. The height of spray was also increased with ambient temperature and wall temperature, because the height of stagnate region is noticeably increased, although height of wall jet vortex is decreased. At the same ambient pressure, the area ratio of impinging spray of room temperature environment to high temperature environment was increased, as the temperature difference between room temperature and high temperature increases. And the increment of area ratio was higher at low ambient pressure than high ambient pressure.
Behaviour of ultra-high pressure diesel spray in a constant-volume pressure chamber was studied with injection pressure ranging from 20 to 160㎫. Sprays were observed by the right angle scattering method. As a result, the spray tip penetration is first proportional to a time, and after that, it is proportional to 0.52 of the time during at the time of injection pressure and back pressure increase. An empirical correlation was made for the parameters of injection pressure, air-fuel density ratio, spray tip distance, spray angle, jet angle of spray and max. spray width.
To clarify the structure of a diesel spray, a transient non-evaporating diesel spray injected under different ambient pressure and different injection pressure was studied. Spray tip penet- ration and spray angle were measured by taking the high speed shadowgraph of spray and Sauter mean Diameter(SMD) was also measured by light scattering technique at different positions along the spray axis and at different time from the start of injection. The effects of the operating parameters on the spray shape and SMD were investigated. By increasing the injection pressure, the spray tip penetration and the spray angle increased and the change of the ambient pressure also resulted in the considerable change in the shape of the spray. The analysis of SMD measurement showed that the atomization is a process that continues in sp- ace and time. As the injection pressure increases SMD decreases rapidly and with the increa- se of the ambient pressure the atomization process ends faster than the lower ambient press- ure and at lower pressure the atomization process continues to much farther downstream and far afterward.
The effect of injector geometries including the injection angle and number of nozzle holes on homogeneous charge compression ignition (HCCI) engine combustion has been investigated in an automotive-size single-cylinder diesel engine. The HCCI engine has advantages of simultaneous reduction of PM and NOx emissions by achieving the spatially homogenous distribution of diesel fuel and air mixture, which results in no fuel-rich zones and low combustion temperature. To make homogeneous mixture in a direct-injection diesel engine, the fuel is injected at early timing. The early injection guarantees long ignition delay period resulting in long mixing period to form a homogeneous mixture. The wall-impingement of the diesel spray is a serious problem in this type of application. The impingement occurs due to the low in-cylinder density and temperature as the spray penetrates too deep into the combustion chamber. A hole-type injector (5 holes) with smaller angle ($100^{\circ}$) than the conventional one ($150^{\circ}$) was applied to resolve this problem. The multi-hole injector (14 holes) was also tested to maximize the atomization of diesel fuel. The macroscopic spray structure was visualized in a spray chamber, and the spray penetration was analyzed. Moreover, the effect of injector geometries on the power output and exhaust gases was tested in a single-cylinder diesel engine. Results showed that the small injection angle minimizes the wall-impingement of diesel fuel that results in high power output and low PM emission. The multi-hole injector could not decrease the spray penetration at low in-cylinder pressure and temperature, but still showed the advantages in atomization and premixing.
Experiments have been conducted to investigate the effects of emulsified fuels on the spray characteristics and exhaust emissions in a diesel engine. Four different fuels were examined : diesel, emulsified fuels with water contents which were varied with 13, 15, and l7wt%. Characteristics of fuel spray were measured by an optical method, PLLIF(planar liquid laser induced fluorescence). Compared to diesel fuel, emulsified fuels which had relatively high kinematic viscosity showed smaller spray angle and longer spray tip penetration. The qualitative droplet distributions of emulsified fuels showed worse atomization process than that of diesel fuel. As the water contents were increased, PM and NOx could be reduced simultaneously. It was specially noted that the emulsified fuel with l7wt% water content was found to be the best in reducing rates, NOx 30% and PM 40%.
Spray impingement and fuel film formation models with cavitation have been developed and incorporated into the computational fluid dynamics code, STAR-CD. The spray/wall interaction process was modeled by considering the effects of surface temperature conditions and fuel film formation. The behavior of fuel droplets after impingement was divided into rebound, spread and splash using the Weber number and parameter K(equation omitted). The spray impingement model accounts for mass conservation, energy conservation, and heat transfer to the impinging droplets. The fuel film formation model was developed by integrating the continuity, momentum, and energy equations along the direction of fuel film thickness. Zero dimensional cavitation model was adopted in order to consider the cavitation phenomena and to give reasonable initial conditions for spray injection. Numerical simulations of spray tip penetration, spray impingement patterns, and the mass of film-state fuel matched well with the experimental data. The spray impingement and fuel film formation models have been applied to study spray/wall impingement in high-speed direct injection diesel engines.
The objective of this study is to predict numerically the effect of intake humidification on the injected diesel fuel spray characteristics in a compression ignition engine. In this work, Wave model and Ducowicz model were applied as the break-up model and evaporation model, respectively. The amount of water vapor for the humidification was changed from 0% to 30% of injected fuel mass. The number of applied meshes was generated from 49,000 to 110,000. At the same time, the results of this work were compared in terms of spray tip penetration, SMD and equivalence ratio distributions. It was found that the cylinder temperature and cylinder pressure were decreased with increasing water vapor mass by vaporization latent heat and specific heat, however, the difference was very small. So, the spray tip penetration was not different by water vapor mass. Also, higher equivalence ratio distributions were observed with increasing water vapor mass by the improvement of fuel atomization.
Diesel engine is most suitable one for biodiesel fuel because the compression-ignition diesel engine has desirable fuel consumption due to higher thermal efficiency and in addition, the improvement of the fuel consumption also leads to a reduction of $CO_2$ emission and then it does not need to have spark-ignition system, which means that there is less charge on the technic and complexity. In this study, the spray behavior characteristics of the vegetable palm oil were analyzed by using a common-rail injection system of commercial diesel engine and the results were compared with those obtained for the diesel fuel. The injection pressures and blend ratios of palm oil and diesel(BD3, BD5, BD20, BD30, BD50, and BD100) were the main parameters. The experiments were conducted for different injection pressures: 500bar, 1000bar, 1500bar, and 1600bar by setting injection duration to $500{\mu}s$. Consequently, it was found that there is no significant difference in the macro characteristics of the spray behavior(spray penetration and spray angle) in response to change in the blend ratio of palm oil and diesel at a fixed injection pressure. In particular, all experiments showed the spray angle about $12^{\circ}{\sim}13^{\circ}$.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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