A quasidimensional program is developed for a four stroke cycle homogeneous GDI (Gasoline Direct Injection) engine. It includes models for spray, burning rate and chemistry to predict knock and emissions. With early injection a homogeneous GDI engine goes through spark ignited, turbulent premixed combustion as in PFI (Port Fuel Injection) engines. The cylinder charge is divided into unburned and burned zone with the latter divided into multiple zones of equal mass to resolve temperature stratification. Validation is performed against measured pressure traces, NOx and CO emissions at different load and RPM conditions. Comparison is made between an empirical knock model and predictions by the chemistry model in this work.
Unburned hydrocarbon (UBHC) emissions from gasoline engines remain a primary engineering research and development concern due to stricter emission regulations. Gasoline engines produce more UBHC emissions during cold start and warm-up than during any other stage of operation, because of insufficient fuel-air mixing, particularly in view of the additional fuel enrichment used for early starting. Impingement of fuel droplets on the cylinder wall is a major source of UBHC and a concern for oil dilution. This paper describes an experimental study that was carried out to investigate the distribution and 'footprint' of fuel droplets impinging on the cylinder wall during the intake stroke under engine starting conditions. Injectors having different targeting and atomization characteristics were used in a 4-Valve engine with optical access to the intake port and combustion chamber. The spray and targeting performance were characterized using high-speed visualization and Phase Doppler Interferometry techniques. The fuel droplets impinging on the port, cylinder wall and piston top were characterized using a color imaging technique during simulated engine start-up from room temperature. Highly absorbent filter paper was placed around the circumference of the cylinder liner and on the piston top to collect fuel droplets during the intake strokes. A small amount of colored dye, which dissolves completely in gasoline, was used as the tracer. Color density on the paper, which is correlated with the amount of fuel deposited and its distribution on the cylinder wall, was measured using image analysis. The results show that by comparing the locations of the wetted footprints and their color intensities, the influence of fuel injection and engine conditions can be qualitatively and quantitatively examined. Fast FID measurements of UBHC were also performed on the engine for correlation to the mixture formation results.
To effectively meet current regulations on the exhaust emissions of diesel engine required to control the deterioration of air pollution in the whole world, this study is to investigate the effects of water induction through the air intake system on the characteristics of combustion and exhaust emissions in IDI diesel engine. A method fur supplying water through the air intake system to reduce the exhaust emissions has been considered with other methods such as water introduction in the form of water-in-fuel emulsion or water injection directly into the combustion chamber, but it has not been studied about the effects of water on the combustion concepts and the characteristics of exhaust emissions in detail until now. In this study, the formation of NOx was significantly suppressed by decreasing the gas peak temperature during the initial combustion process because the water play a role as a heat sink during evaporating in the combustion chamber, but the smoke was slightly increased by increasing water amount.
Our previous study showed that although the hybrid rocket engine with swirling gaseous oxygen had high performance, a direct injection of LOX with swirl into the combustion chamber of the hybrid rocket engine lowered the performance of the engine, compared to that with gaseous oxygen. In order to clarify this reason, combustion tests of a small PMMA combustor with an inner port diameter of 2 mm were conducted in liquid oxygen flow by comparison with gaseous oxygen flow. Although the oxygen mass fluxes of LOX were about two orders of magnitude larger than those of gaseous oxygen, the fuel regression rate of LOX were remarkably smaller than those of gaseous oxygen. For both liquid and gaseous oxygen, diffusion flames in the port of the grain controlled the combustion process of PMMA in oxygen flow. These results may be explained by the fact that only small amount of LOX vaporized and consumed in the combustion with PMMA while flowing through the port due to relatively larger latent heat of injected liquid oxygen compared to the heat of release by combustion which depended on the burning surface area of PMMA.
The knock characteristics in an engine were investigated under homogeneous charge compression ignition (HCCI) operation. Liquefied petroleum gas (LPG)and gasoline were used as fuels and injected at the intake port using port fuel injection equipment. Di-methyl ether (DME) was used as an ignition promoter and was injected directly into the cylinder near compression top dead center (TDC). A commercial variable valve timing device was used to control the volumetric efficiency and the amount of internal residual gas. Different intake valve timingsand fuel injection amounts were tested to verify the knock characteristics of the HCCI engine. The ringing intensity (RI) was used to define the intensity of knock according to the operating conditions. The RI of the LPG HCCI engine was lower than that of the gasoline HCCI engine at every experimental condition. The indicated mean effective pressure (IMEP) dropped when the RI was over 0.5 MW/m2and the maximum combustion pressure was over 6.5MPa. There was no significant relationship between RI and fuel type. The RI can be predicted by the crank angle degree (CAD) at 50 CA. Carbon monoxide (CO) and hydrocarbon (HC) emissions were minimized at high RI conditions. The shortest burn duration under low RI was effective in achieving low HC and CO emissions.
Despite its benefit in engine thermal efficiency, gasoline-direct-injection (GDI) engines generate substantial particulate matter (PM) emissions compared to conventional port-fuel-injection (PFI) engines. One of the reasons for this is that the spray collapse caused by the spray-to-spray interaction forms the locally rich fuel-air mixture and increases the fuel wall film. Previous studies have investigated the spray collapse phenomenon through the macroscopic observation of spray behavior using laser optical techniques, but it is somewhat difficult to understand the interaction between sprays that is initiated in the near-nozzle region within 10 mm from the nozzle exit. In this study, the spray structure, droplet size and velocity data were obtained using an X-ray imaging technique from the near-nozzle to the downstream of the spray to investigate the spray-to-spray interaction and discuss the effects of spray collapse on local droplet size and velocity distribution. It was found that as the ambient density increases, the spray collapse was promoted due to the intensified spray-to-spray interaction, thereby increasing the local droplet size and velocity from the near-nozzle region as a result of droplet collision/coalescence.
This paper investigates the steady-state combustion characteristics of the Homogeneous charge compression ignition(HCCI) engine with variable valve timing(VVT) and dimethyl ether(DME) direct injection, to find out its benefits in exhaust gas emissions. HCCI combustion is an attractive way to lower carbon dioxide($CO_2$), nitrogen oxides(NOx) emission and to allow higher fuel conversion efficiency. However, HCCI engine has inherent problem of narrow operating range at high load due to high in-cylinder peak pressure and consequent noise. To overcome this problem, the control of combustion start and heat release rate is required. It is difficult to control the start of combustion because HCCI combustion phase is closely linked to chemical reaction during a compression stroke. The combination of VVT and DME direct injection was chosen as the most promising strategy to control the HCCI combustion phase in this study. Regular gasoline was injected at intake port as main fuel, while small amount of DME was also injected directly into the cylinder as an ignition promoter for the control of ignition timing. Different intake valve timings were tested for combustion phase control. Regular gasoline was tested for HCCI operation and emission characteristics with various engine conditions. With HCCI operation, ignition delay and rapid burning angle were successfully controlled by the amount of internal EGR that was determined with VVT. For best IMEP and low HC emission, DME should be injected during early compression stroke. IMEP was mainly affected by the DME injection timing, and quantities of fuel DME and gasoline. HC emission was mainly affected by both the amount of gasoline and the DME injection timing. NOx emission was lower than conventional SI engine at gasoline lean region. However, NOx emission was similar to that in the conventional SI engine at gasoline rich region. CO emission was affected by the amount of gasoline and DME.
end-burning 연소실의 주요 설계인자들을 구축하기 위해 기존에 수행되었던 인젝터 배열 및 포트 직경 변화, O/F비 변화 외에 산화제 분사각 변화에 따른 연소 특성을 해석하였다. 연료면과 평행한 분사각(Case 1), 연료면을 향해 기울여진 분사각(Case 2)과 노즐을 향해 기울여진 분사각(Case 3)을 설정하여 모델을 구성하였다. 연료면을 향한 분사각의 경우 상류에서 가장 효율적인 혼합특성을 보였으나 상당량의 미연가스가 노즐 밖으로 배출됨을 알 수 있었다. 반면 Case 1과 Case 3은 낮은 혼합특성을 보였으나 연소효율은 연료면을 향한 경우보다 월등한 것으로 판명되었다. Case 1, Case 3 모두 유사한 경향을 나타내었으나 노즐을 향한 Case 3은 짧은 체류시간으로 인해 연료면과 평행한 Case 1에 비해 낮은 연소성능을 갖는 것으로 평가되었다.
Recently GDI(Gasoline Direct Injection) engine is spotlighted to achieve higher thermal efficiency under partial loads and better performance at full loads. To realize this system, it is essential to make both stratified combustion and homogeneous combustion. When compared to PFI(Port Fuel Injection) engine, GDI engine needs more complicated control and optimal design with injection system. In addition, spray pattern must be optimized according to injection timing because ambient pressure in combustion chamber is also varied. Thus spray structure should be analyzed in details to meet various conditions. In this experimental study, two types of visualization system were developed to simulate compression stroke and intake stroke, respectively. With an increase of the ambient pressure, the penetration length tends to decrease due to rising resistance caused by the drag force of the ambient air. Spray characteristics impinged on the piston has a significant effect on mixture stratification around the spark plug. These results provide the information on macroscopic spray structure and design factors far developing GDI injector.
Three-way catalyst converter, cleaning up the exhaust gas contamination of SI engine, has the best efficiency when A/F ratio is near the stoichiometry . The feedback control using oxygen sensors in the exhaust manifold has limits caused by the system delays. So the accurate measurement of air flow rate to an engine is essential to control the fuel injection rate especially on transient condition like the rapid throttle opening and closing. To measure the rapid change of flow rates. the air flow meter for the engine requires quick response, flow reversal detection, and linearity . Tjhe proposed integration type air flow meter (IFM), composed of an ultrasonic flow meter with an integration circuit, has significantly improved the measurement accuracy of air mass inducted through the throttle body. The proposed control method estimated the air mass at the cylinder port using the measured air mass at the throttle . For the fuel dynamic model, the two constant fuel model is introduced . The control parameters from air and fuel dynamics are tuned to minimize the excursion of the air fuel ratio. As a result A/F ratio excursion can be reduced within 5% when throttle rapidly opens and closes at the various engine conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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