Homogeneous charge compression ignition (HCCI) engine combines the combustion characteristics of a compression ignition engine and a spark ignition engine. HCCI engines take advantage of the high compression ratio and heat release rate and thus exhibit high efficiency found in compression ignition engines. In modern research, simulation has be come a powerful tool as it saves time and also economical when compared to experimental study. Engine simulation has been developed to predict the performance of a homogeneous charge compression ignition engine. The effects of compression ratio, cylinder pressure, rate of pressure rise, flame temperature, rate of heat release, and mass fraction burned were simulated. The simulation and analysis show several meaningful results. The objective of the present study is to develop a combustion characteristics model for a homogeneous charge compression ignition engine running with isooctane as a fuel and effect of compression ratio.
A multi-zone model was used to predict the operating range of homogeneous charge compression ignition (HCCI) engine, the boundaries of the operating range were determined by knock (presented by ring intensity), misfire (presented by sensitivity of indicated mean effective pressure to the initial temperature). A HCCI engine fueled with Di-Methyl Ether (DME) was simulated under different initial temperature and equivalence ratios, and the operating range was well produced by the model. Furthermore, the model was applied to develop the operating range for thermal stratification in the preceding condition of initial temperature and equivalence ratios. The computations were conducted using Senkin application of the CHEMKINII kinetics rate code.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.15
no.2
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pp.15-21
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2007
The aim of this paper is controlling ignition timing and load in homogeneous charge compression ignition (HCCI) combustion with low cetane number fuel, hydrogen. Homogeneous charge compression ignition (HCCI) combustion is an advanced combustion technology that achieves higher thermal efficiency and lower $NO_x$ emissions than that of conventional combustion system. Dimethyl ether (DME), which has been researched widely as the most attractive alternative fuel of diesel, is attractive for HCCI combustion because of the easy evaporation. In this study, the single cylinder DME engine operated with a direct injection system has been used to investigate combustion processes and emissions of DME HCCI with a premixed hydrogen supply. The experiment was carried out under various engine speed and fraction rates of hydrogen. As a result, the increase of fraction rates of hydrogen retard the DME ignition timing and eliminated the knocking during high engine speed condition. IMEP was increased with increase of fraction rates of hydrogen by 30%. 40% of the fraction rates of hydrogen resulted in misfiring. The $NO_x$ emission was reduced by increasing the fraction rates of hydrogen, but HC emission was increased.
HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) combustion is an advanced combustion process explained as a homogeneously premixed charge of a fuel where air is admitted into the cylinder and compression ignited. It has possibility to reduce NOx by spontaneous auto-ignition at multiple points that allows very lean combustion resulting in low combustion temperatures. Particulate matters (PM) could be also reduced by the homogeneous combustion and no fuel-rich zones. Injection timing is extremely advanced to achieve homogeneous charge where a diesel fuel could not be vaporized sufficiently due to low pressure and low temperature condition. Also the over-penetration could be a severe problem. The small injection angle and multi-hole injectors were applied to solve these problems. Dimethyl ether (DME) as an altenative fuel was also applied to relive the bad vaporization problem associated with early injection of diesel fuel. Neat DME has a very high cetane rating and high vapor pressure. Contained oxygen reduces soot during the combustion. Experimental result shows DME can be easily operated in an HCCI engine. PM shows almost zero value and NOx is reduced more than 90% compared to direct-injection diesel engine operating mode but problem of early ignition needs more investigation.
The Kyoto Protocol, that had been in force from February 16, 2005, requires significant reduction in $CO_2$ emissions for all anthropogenic sources containing transportation, industrial, commercial, and residential fields, etc, and automotive emission standards for air pollutants such as particulate matter (PM) and nitrogen oxides $(NO_x)$ become more and more tight for improving ambient air quality. This paper has briefly reviewed homogeneous charge compression ignition (HCCI) combustion technology offering dramatic reduction in $CO_2,\;NO_x$ and PM emissions, compared to conventional gasoline and diesel engine vehicles, in an effort of automotive industries and their related academic activities to comply with future fuel economy legislation, e.g., $CO_2$ emission standards and corporate average fuel economy (CAFE) in the respective European Union (EU) and United States of America (USA), and to meet very stringent future automotive emission standards, e.g., Tier 2 program in USA and EURO V in EU. In addition, major challenges to the widespread use of HCCI engines in road applications are discussed in aspects of new catalytic emissions controls to remove high CO and unburned hydrocarbons from such engine-equipped vehicles.
The purpose of this study is to gain a better understanding of the effects of thermal stratification and partial fuel stratification on reducing the pressure-rise rate and emission in HCCI combustion. The engine is fueled with Di-Methyl Ether(DME) which has unique 2-stage heat release. Computational work is conducted with multi-zones model and detailed chemical reaction scheme. Calculation result shows that wider thermal stratification and partial fuel stratification prolong combustion duration and reduce pressure rise rate. But too wide partial fuel stratification increases CO and NOx concentration in exhaust gas, and decreases combustion efficiency.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.15
no.2
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pp.1-7
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2007
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.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.14
no.5
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pp.32-38
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2006
Currently, due to the serious world-wide air pollution by substances emitted from vehicles, emission control is enforced more firmly and it is expected that the regulation requirements for emission will become more severe. A new concept combustion technology that can reduce the NOx and PM in relation to combustion is urgently required. Due to such social requirement, technologically advanced countries are making efforts to develop an environment-friendly vehicle engine at the nation-wide level in order to respond to the reinforced emission control. As a core combustion technology among new combustion technologies for the next generation engine, the homogenous charge compression ignition(HCCI) is expanding its application range by adopting multiple combustion mode, catalyst, direct fuel injection and partially premixed combustion. This study used a 2-staged injection method in order to apply the HCCI combustion method without significantly altering engine specifications in the aspect of multiple combustion mode and practicality by referring to the results of studies on the HCCI engine. In addition, this study confirmed the possibility of securing optimum fuel economy emission reduction in the IMEP 8bar range(which could not be achieved with existing partially premixed combustion) through forced charging, exhaust gas recirculation(EGR), compression ratio change and application of DOC catalyst.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.12
no.1
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pp.17-24
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2004
As the environmental pollution becomes serious global problem, the regulation of emission exhausted from automobiles is strengthened. Therefore, it is very important to know how to reduce the NOx and PM simultaneously in diesel engines, which has lot of merits such as high thermal efficiency, low fuel consumption and durability. By this reason, the new concept called as Homogeneous Charge Compression Ignition(HCCI) engines are spotlighted because this concept reduced NOx and P.M. simultaneously. However, it is well known that HCCI engines increased HC and CO. Thus, the investigation of combustion characteristics which consists cool and hot flames for HCCI engines were needed to obtain the optimal combustion condition. In this study, combustion characteristics for direct injection type HCCI engine such as quantity of cool flame and hot flame, ignition timing and ignition delay were investigated to clarify the effects of these parameters on performance. The results revealed that diesel combustion showed the two-stage ignition of cool flame and hot flame, the rate of cool flame increase and hot flame decrease with increasing intake air temperature. On the other hand, the gasoline combustion is the single-stage ignition and ignition timing is near the TDC. In addition mixed fuel combustion showed different phenomenon, which depends on the ratio of gasoline component. Ignition timing of mixed fuel is retarded near the TDC and the ignition delay is increased according to ratio of gasoline.
Homogeneous charge compression ignition combustion with multiple-injection strategy using dimethyl-ether was investigated in a single cylinder direct-injection compression-ignition engine. The combustion performance and exhaust emissions were tested by varying the post injection conditions. The experiments were carried out under low load and low speed conditions. By the late post injection near the top dead center, the combustion phase was retarded and lengthened, and the fuel conversion efficiencies improved without the drawbacks of exhaust emissions increment.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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