Combustion and emission characteristics in a direct injection diesel engine is closely related to the intake port system. It is therefore important to understand the swirl flow characteristics formed by a helical intake port. However there are still many uncertainties. The purpose of this experimental study is to investigate the effects of the valve eccentricity ratio and the inlet flow conditions of a helical intake port on the characteristics of an in-cylinder swirl flow. A steady state flow test rig consisted of ISM(impulse swirl meter), LFM(laminar flow meter) and cylinder head with a helical intake port was used. The swirl ratio(Rs) and mean flow coefficient(Cf(mean)) with inlet flow conditions were measured. The results of these experiment can be summarized as follows. Swirl flow characteristics of a helical intake port are affected by the inlet flow conditions, and especially they are much affected by the length of a manifold runner and the rotational angle of a curved manifold runner.
This experimental study was carried out to investigate the characteristics of the in-cylinder eccentricity swirl flow generated by a 4 valve cylinder head with a tangential and a helical intake port. the measurements of the in-cylinder velocity field have been made by a two-channel LDA system. The mean flow coefficient(Cf(meam)), swirl ratio(Rs) and mass flowrate with valve eccentricity ratios and an intake port partition between the two intake ports were measured in the steady flow test fig using the ISM(impulse swirl meter). The experimental results indicated that the mass flowrate through the tangential intake port was 19% and 7.7% more than that of the helical intake port in case of with and without intake port partition respectively. There was a tendency to be a single rotation flow in swirl flow fields formed by a 4 valve cylinder head because of the interaction between the two intake ports. As the intake port partition was not set between flow coefficient(Cf(mean)) was 7.35%.
This paper is the fifth investigation on the methods of evaluating flow characteristics in a steady flow bench. In previous studies, several assumptions used in the steady flow bench were examined and it was concluded that the assumption of the solid rotation may lead to serious problems. In addition, though the velocity profiles were improved as the measuring position went downstream, the distributions were far from ideal regardless of the valve angle and evaluation position. The eccentricities were also not sufficiently small to disregard the effect on impulse swirl meter (ISM) measurement. Therefore, the effect of these distribution and eccentricity changes according to the positions needs to be analyzed to discuss the method of flow characteristics estimation. In this context, the effects of evaluation position on the steady flow characteristics were studied. For this purpose, the swirl coefficient and swirl ratio were assessed and compared via measurement of the conventional ISM and calculation based on the velocity by particle image velocimetry(PIV) from 1.75B, 1.75 times bore position apart from the cylinder head, to the 6.00B position. The results show that the swirl coefficients by ISM strictly decrease and the curves as a function of the valve lift become smooth and linear as the measuring position goes downstream. However, the values through the calculation based on the PIV are higher at the farther position due to the approach of the tangential velocity profile to ideal. In addition, there exists an offset effect between the velocity distribution and eccentricity in the low valve lift range when the coefficients are estimated based on the swirl center. Finally, the curve of the swirl ratio by ISM and by PIV evaluation as a function the measuring position intersect around 5.00B plane except at $26^{\circ}$ valve angle.
This paper is the second investigation on the evaluation methods of flow characteristics in a steady flow bench. In the previous work, several assumptions used in the steady flow bench were examined and it was concluded that the assumption of the solid rotation might cause serious problems. In this study, intake valve angle is selected as a main parameter for the assessment because the main flow direction to cylinder governed by this angle has the strongest influence on the in-cylinder flow pattern. For this purpose, four heads, which have the different angle, are prepared and the flow characteristics are estimated both by the conventional impulse swirl meter and a particle image velocimetry at 1.75 times bore position apart from the cylinder head, which is widely used plane in the steady flow measurement. The results show that both of the eccentricity and the velocity profile distort the flow characteristics when using the ISM at 1.75 plane, however, the effects of two factors act in the opposite direction. In addition, the profile's influence is much greater than that of the eccentricity.
The effect of helical intake port geometry on in-cylinder swirl flow characteristics was studied. Two helical intake ports were selected to change swirl ratio, mean flow coefficient with the variation of valve lifts, valve eccentricity ratios and axial distance. The measurements were made by using an impulse swirl meter. The port B modified to increase the swirl ratio( $R_{s}$) had the tendency of the increased non-dimensional rig swirl ( $N_{r}$) distribution in comparison with that of the port A. And the $N_{r}$ distribution was remarkably improved at low valve lifts. The modification of the geometry to increase the swirl ratio ( $R_{s}$) in helical intake port resulted in the decrease of the mean flow coefficient ( $C_{f(mean)}$) regardless of valve eccentricity ratio ( $N_{y}$). And also non-dimensional rig swirl ( $N_{r}$) in the high valve lift affected the calculation of swirl ratio considerably.onsiderably.
The effects of intake port eccentricity and a partition between the two intake ports on the incylinder swirl characteristics in a 4 valve diesel engine having the two intake ports, one is a helical intake port and the other is a tangential intake port, were investigated by using the impulse swirl meter(ISM) in a steady flow test rig. Mean flow coefficient ( $C_{f(mean)}$, swirl ratio ( $R_{s}$) and the mass flowrate through the two intake ports with and without intake port partition were measured. The results showed that the characteristics of in-cylinder swirl ratio formed by a 4-valve cylinder head were largely affected by valve eccentricity ratio ( $N_{y}$) and the existence of an intake port partition between the two intake ports. Mean flow coefficient ( $C_{f(mean)}$) increases and swirl ratio ( $R_{s}$) decreases in case of being the partition between the two intake ports. And also the mass flowrate through the tangential intake port is 19.0% and 7.7% more than that of the helical intake port in case of the two intake ports with and without partition respectively.ively.
This paper is the third investigation on the evaluation methods of flow characteristics in a steady flow bench. In the previous works, several assumptions used in the steady flow bench were examined and the flow characteristics were estimated both by the conventional impulse swirl meter and a particle image velocimetry at 1.75B position. From these works, it was concluded that the assumption of the solid rotation might cause serious problems and both of the eccentricity and the velocity profile distort the flow characteristics when using the ISM at 1.75B plane. Therefore, the understanding of the detail velocity profiles is very important to keep discussing the issues about the steady flow evaluation method. For this purpose, the planar velocity profiles were measure at 1.75B position by particle image velocimetry and the characteristics were examined according to the valve angles and lifts. The results show that the planar velocity profiles of 11, 16, $21^{\circ}$ valve angle heads according to the lift are similar to each other, however, that of $26^{\circ}$ angle is an exceptional case in the all aspects. In addition, the swirl behaviors are not apparent up to 6~8 mm lift under the $21^{\circ}$ angle and somewhat arranged motions are observed over the whole plane near the highest lift. At this point, the narrower the angle, the lower the lift at which the swirl motions become clear. On the other hands, when the angle is $26^{\circ}$, the center of swirl is always farthest from the cylinder center and only the indistinct swirl is observed even if at the highest lift. Also, all the swirl centers are quite apart from the cylinder center so that the effect of eccentricity may not be negligible at 1.75B regardless the valve angle. Related to the tangential velocity along with the radial direction, the bands of the velocity distribution are very wide and the mean velocities of cylinder center basis are lower than the velocity which is assumed in the ISM evaluation. Lastly, the mean tangential velocity profiles of swirl center basis are sometimes higher than that of ISM-assumed up to 0.6 non-dimensional distance less than 6mm lift, however, as the lift increases the profiles are different according to the angles and profile $11^{\circ}$ is the most closed to the ideal profile. Consequently, the real velocity profile is far from the assumption of ISM evaluation.
The effects of intake port eccentricity on the characteristics of in-cylinder swirl ratio in a 4-valve diesel engine having the two intake ports; one is a helical intake port and the other is a tangential intake port were investigated by using the ISM(impulse swirl meter) in steady flow test rig. Swirl ratio($R_s$) and mean flow coefficient($C_{f(mean)}$) with valve eccentricity ratio($N_y$) and axial distance(Z/B) were measured. As the results from this experiment, the characteristics of in-cylinder swirl ratio formed by a 4-valve cylinder head were largely affected by intake port eccentricity. There is a difference in the mass flowrate through the two intake ports, and the mass flowrate through the tangential intake port is 19% more than that of the helical intake port. Therefore, we could know that the effects of the mass flowrate ratio through each intake port besides intake port shape should be conidered.
Recently, HSDI (High Speed Direct Injection) diesel engine has been spotlighted as a next generation engine because it has a good potential for high thermal efficiency and fuel economy. This study was carried out to investigate the in-cylinder flow characteristics generated in a 4-valve small diesel cylinder head with a tangential and helical intake port. The flow characteristics such as coefficient of flow rate(Cf), swirl ratio (Rs), and mass flow rate (ms) were measured in the steady flow test rig using the impulse swirl meter and the analysis of in-cylinder flow field was conducted by experiment using the PIV and calculation using the commercial CFD code. As the results from steady flow test indicate, the mass flow rate of the cylinder head with a short distance between the two intake ports is increased over 13% than that of the other head. However, the non-dimensional swirl ratio is decreased approximately 15%. From in-cylinder flow characteristics obtained by PIV and CFD calculation, we found that the swirl center was eccentric from the cylinder center and the velocity distribution became uniform near the TDC. In addition, the results of the calculation are good agreement with the experimental results.
본 논문은 반 쐐기형 연소실에서 포트형상에 따른 정상유동 특성을 비교한 연구의 두 번째로 유동 평가위치의 영향을 고찰한 것이다. 입자영상유속계로 반 쐐기형 연소실에 직선형 포트와 나선형 포트를 적용하여 측정위치를 헤드 밑면부터 하류로 보어의 1,75배 위치 즉 1.75B부터 6배 위치 즉, 6.00B까지 변경하면서 평면유속을 측정하였다. 속도분포 분석 결과 반 쐐기형 연소실을 채택하면 지붕형과 달리 동일 리프트에서 거시적 유속분포와 유선은 스월 거동 중심은 측정위치가 관계없이 거의 일정하다. 직선형 포트에서는 모든 측정위치에서 편심도는 충격식 스월 측정기에서 측정값 왜곡이 발생하는 범위에 들어오고, 나선형 포트에서도 리프트 4mm 이하에서는 모든 측정위치에서 편심의 영향을 무시할 수 없지만, 측정위치가 3.00B 이상이 되면 리프트 5mm 이상에서 편심도가 급격히 감소한다. ISM가정과의 속도분포 차이에 의해 직선형 포트의 리프트 4mm 이하 스월 중심 평가를 제외하고 모든 PIV 평가방법에서 ISM 평가 대비 상대적인 상쇄효과가 있다. 마지막으로 중심 설정과 축 방향 속도분포 가정은 스월 평가에 정성적 영향을 주지 않고, 구체적인 접선속도 분포형태에 따라 절댓값에만 영향을 준다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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