Characteristics of methane direct-injection spark-ignition stratified combustion in lean hydrogen mixture were analyzed both in a single cylinder engine and in a constant volume combustion chamber. Combustion pressure and Instantaneous combustion chamber wall temperature during the combustion process were measured with a thin-film thermocouple and used in analyses of combustion and cooling loss. Results in this research show that the premixed hydrogen increases cooling loss to combustion chamber wall while achieving combustion promotion, and the combustion system is effective especially in lean mixture conditions. Analysis of flame propagation was also done with Schlieren photography in the constant volume combustion chamber.
The main purpose of this work is to test the validation of use of a four step reaction mechanism to simulate the laminar speed of hydrogen enriched methane flame. The laminar velocities of hydrogen-methane-air mixtures are very important in designing and predicting the progress of combustion and performance of combustion systems where hydrogen is used as fuel. In this work, laminar flame velocities of different composition of hydrogen-methane-air mixtures (from 0% to 40% hydrogen) have been calculated for variable equivalence ratios (from 0.5 to 1.5) using the flame propagation module (FSC) of the chemical kinetics software Chemkin 4.02. Our results were tested against an extended database of laminar flame speed measurements from the literature and good agreements were obtained especially for fuel lean and stoichiometric mixtures for the whole range of hydrogen blends. However, in the case of fuel rich mixtures, a slight overprediction (about 10%) is observed. Note that this overprediction decreases significantly with increasing hydrogen content. This research demonstrates that reduced chemical kinetics mechanisms can well reproduce the laminar burning velocity of methane-hydrogen-air mixtures at lean and stoichiometric mixture flame for hydrogen content in the fuel up to 40%. The use of such reduced mechanisms in complex combustion device can reduce the available computational resources and cost because the number of species is reduced.
본 연구에서는 정적연소실을 이용하여 차량용 대체연료로써 메탄 및 수소첨가 메탄의 연소특성을 수소첨가율, 점화위치 및 점화방법에 따라 고찰하였다. 그 결과 연소효율, 최고연소압력 등과 같은 연소특성을 악화시키지 않고 희박 혼합기 조건하에서도 MSCDI 장치 사용에 의해 전 연소시간과 NO 농도를 저감시킬 수 있었다. 또한, 수소를 천연가스의 주 성분인 메탄에 혼합함에 따라 전 연소시간은 순수 메탄만을 사용할 때에 비해 단축되었으며, 이와 동시에 연소촉진율도 순수 메탄만을 사용하였을 때에 비해 상당히 향상되었다.
본 연구에서는 정적연소실을 이용하여 차량용 대체연료로써 메란 및 수소첨가 메탄의 연소특성을 수소첨가율, 점화위치 및 점화방법에 따라 고찰하였다. 그 결과, 중심점화이고 수소를 첨가하지 많은 순수 메탄의 화염전파과정은 타원형으로 전파하나 수소첨가율이 증가함에 따라 화염면상에 매우 규칙적인 세포구조를 가진 불안정한 타원형화염으로 천이되었고 연소속도도 증가하였다. 또한, 벽면 및 0.5R 점화이고 수소를 첨가하지 않은 순수 메탄의 화염전파과정은 불안정한 타원형으로 전파하고 있었지만, 수소첨가율이 증가함에 따라 연소중기에 불안정한 타원형에서 평면형으로 천이 됐다가 연소말기에는 화염면 선단이 움푹 패인 매우 불규칙한 세포구조를 갖는 패기형으로 변화되었으며 연소속도도 증가하였다 한편, 세 가지 점화위치 모두에 있어서 MSCDI와 CDI사용에 따른 화염전파형태는 외견상 큰 차이는 없었지만, 동일시간에 MSCDI장치의 화염면적은 CDI의 화염면적보다 약간 더 크게 나타났다.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제23권1호
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pp.88-95
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1999
This study investigates the effects of different kind fuels on the flame structure by using the numerical simulation in triple flame made by a co-flowing fuels-air stream based on the elementary chemical reaction mechanism. Methane and Hydrogen were used as fuel for this study. In order to interpret the result of the study on numerical simulation Skeletal chemistry is employe as the elementary chemical reaction mechanism for methane Gutheil's as an offset ele-mentary chemical reaction mechanism for hydrogen. The result of this study is as follows. In com-parison between the apparent burning velocity change of triple flame and the one-dimensional pre-mixed flame hydrogen fuel flame is higher than methane fuel flame. The flame thrusts out for-ward in the down stream of the boundary between air-fuel mixture and air stream and a part of the flow is bent and forks out in this protruding flame so that a triple flame is originated.
The present work is a continuation of our previous study to investigate the effects of parameters such as equivalence ratio, hydrogen supplement rate and initial pressure on combustion characteristics in a disk-shaped constant volume combustion chamber. The main results obtained from the study can be summarized as follows. The flames in near stoichiometric mixture of methane-air are propagated with a spherical shape, but in excess rich or lean mixtures are propagated with a elliptical shape. And, they are changed to an unstable elliptical shape flame with very regular cells by increasing the hydrogen supplement rate. Also, flame is sluggishly propagated at increased initial pressure in combustion chamber. Volume fraction of burned gas and flame radius as the combustion characteristics are increased by increasing the hydrogen supplement rate, especially at the combustion middle period, but then are slowly increased by increasing the initial pressure.
Kido, Hiroyuki;Nakashima, Kenshiro;Nakahara, Masaya;Hashimoto, Jun
한국연소학회지
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제6권2호
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pp.1-7
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2001
In order to elucidate the turbulent burning velocity of the two-component fuel mixtures, the lean and rich two-component fuel mixtures, where methane, propane and hydrogen were used as fuels, were prepared keeping the laminar burning velocity nearly the same value. Clear difference in the measured turbulent burning velocity at the same turbulence intensity can be seen among the two-component fuel mixtures with different addition rate of fuel, even under nearly the same laminar burning velocity. The burning velocities of lean mixtures change almost monotonously as changing addition rate, those of rich mixtures, however, do not show such a monotony. These phenomena can be explained qualitatively from the local burning velocities, estimated by considering the preferential diffusion effect for each fuel component. In addition, a prediction expression of turbulent burning velocity proposed for the one-component fuel mixtures can be applied to the two-component fuel mixtures by using the estimated local burning velocity of each fuel mixture.
In the present study, investigations were carried out to obtain data on combustion characteristics of methane gas and hydrogen supplemented methane gas in a constant volume combustion chamber. The main results obtained from the study can be summarized as follows. The maximum combustion pressure increases as the initial pressure and hydrogen supplement rate increase, the total burning time is shorten by lowering the initial pressure and by increasing the hydrogen supplement rate. The maximum flame temperature and NO concentration increase by the initial pressure and hydrogen supplement rate increase. The flame propagation processes in near stoichiometric mixture are propagated with a spherical shape, but in excess rich or lean mixtures are propagated with a elliptical shape. And, they are changed an unstable elliptical shape flame with very regular cells by increasing the hydrogen supplement rate.
The combustion instability was experimentally investigated in model gas turbine combustor with dual swirl burner. When such instability occurs, a strong coupling between pressure oscillation and unsteady heat release excites a self-sustained acoustic wave which results in a loud sound, and can even cause fatal damage to the combustor and entire system. In present study, to understand the combustion instability with a premixed mixture, the detailed periods of pressure and heat release data in unstable flame mode were investigated by various measurement methods at relatively rich condition and lean condition near flammable limits. Also, to prepare the utilization of synthetic natural gas (SNG) fuel in gas turbine system, an investigation was conducted using a simulated SNG including methane as a reference fuel to examine the effects of $H_2$ content on flame stability. These results provide that the instability due to flash-back behaviour like CIVB phenomenon occurred at rich condition, while the repetition of relighting and extinction caused the oscillation of lean condition near flammable limit. From the analysis of $H_2$ content effects, it is also confirmed that the instability frequency is proportional to the laminar burning velocity at both rich and lean condition.
Using a counterflow burner, downstream interactions between $CH_4$-air and $H_2/N_2$-Air premixed flames with various equivalence ratios has been experimentally investigated. Flame stability maps on triple and twin flames are provided in terms of global strain rate and equivalence ratio. Lean and rich flammable limits are examined for methane/air and hydrogen/nitrogen/air mixtures over the entire range of mixture concentrations in the interacting flames. Results show that these flammable limits can be significantly modified in the presence of interaction such that mixture conditions beyond the flammability limit can be still burn if it is supported by stronger flame. The experiment also discusses various oscillatory instabilities in a stability map.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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