The flow field inside a cylinder of four-valve Sl engine was investigated quantitatively using a three-dimensional Laser Doppler Velocimetry system, to determine how stroke changes affect the flow field. The purpose of this work was to develop quantitative methods which correlate in-cylinder flows to engine performance. For this study, the sane intake manifold, engine head, cylinder, and the piston were used to examine the flow characteristics in different strokes. Quantification of the flow field was done by calculating three major parameters which are believed to adequately characterize in cylinder motion. These quantities were TKE, tumble and swirl ratios. The LDV results reveal that flow patterns are similar, the flow velocities scale with piston speed but another parameters such as TKE, and tumble and swirl numbers are not the same for different stroke systems.
Simultaneous 3-D LDV measurements of the in-cylinder flows of three different engine setups were summarized for the quantification of the flow characteristics in each vertical or horizontal plane, and in entire cylinder volume. The ensemble averaged-velocity, tumble and swirl motions, and turbulent kinetic energy during the intake and compression strokes were examined from the measured velocity data (approximately 2,000 points for each engine setup). The better spatial resolution of the 3-D LDV allows measurements of the instantaneous flow structures, yielding more valuable information about the smaller flow structures and the cycle-to-cycle variation of these flow patterns. Tumble and swirl ratios, and turbulent kinetic energy were quantified as planar and volumetric quantities. The measurements and calculation results were animated for the visualization of the flow, and hence ease to analysis.
A PIV(Particle Image Velocimetry) was applied to measure in-cylinder velocity field according to inlet valve angle during intake stroke. Two engines, one is conventional DOHC 4 valve and the other is narrow valve angle, were used to compare real intake flow. The results show that the intake flow pattern of conventional engine is more complicated than that of narrow angle one in horizontal plane and the vertical component of in-cylinder flow is rapidly decayed at the end stage of intake. On the other hand, the flow pattern of narrow angle one is relatively well arranged in horizontal plane and the vertical velocity component remains so strongly that forms large-scale strong tumble. Two engines also form commonly three tumble; two are small and bellow the intake valve and one is large-scale. The center of large scale tumble moves to bottom of cylinder as the vertical velocity increases.
The effects of tumble and swirl flows on the flame propagation were investigated experimentally in a 4-valve optical gasoline engine. The tumble flow patterns, generated by various intake ports of different entry angle; $25^{\circ}$ , $20^{\circ}$ and $15^{\circ}$ , were characterized under motored conditions with laser Doppler velocirnetry. Inclined tumble(swirl) flows were induced by three different swirl control valves. The initial flame propagation was visualized by an ICCD camera and its image were analyzed to compare the enflamed area and displacement of initial flames. It was found that there is a correlation between the stronger tumble during induction and turbulence levels at the time of ignition resulting in faster flame development. Inclined tumble was proved to be more beneficial than the pure tumble for faster and stable combustion under lean mixture conditions, which was confirmed by faster propagating flame images.
In-cylinder flows in a motored 3.5L four-valve SI engine were investigated quantitatively using three-component LDV system, to determine how engine configuration affects the flow field. The purpose of this work was to develop quantitative methods which correlate in-cylinder flows to engine performance. For this study, two distinct intake/piston arrangements were used to examine the flow characteristics. Quantification of the flow field was done by calculating two major parameters which are believed to characterize adequately in-cylinder motion. These quantities were turbulent kinetic energy(TKE) and tumble ratio in each plane at each crank angle. The results showed that in-cylinder flow pattern is dominated by the intake effects and two counter rotating vortices, developed during the intake stroke, produced relatively low tumble ratio. Therefore, the applicability of these quantities should be carefully considered when evaluating characteristics resulting from the complex in-cylinder flow motions.
The object of this study is to find new evalution index for in-cylinder flow characteristics insteady of current swirl, tumble coefficient using steady flow test rig on intake port system. To this end, port flow rig test was conducted on DOHC head varying intake valve lift respectively. Finally combination angular coefficient and inclination angle were introduced as new evaluation index for in-cylinder angular flow characteristics.
To improve flow in-cylinder flow in a 2-valve gasoline engine, various geometries of combustion chambers are modified. Air flow rate, swirl and tumble flow are measured and analyzed by swirl impulse meter and LDV in a steady state flow measuring rig. The results of LDV experiment are compared with the data of swirl impulse meter.
A commercial DOHC four valve engine was modified to make a single-cylinder optical model engine with replaceable head. Three kinds of head were used to generate swirl, tumble, and combined swirl/tumble motion. Schlieren visualization technique was applied to characterize the in-cylinder flow qualitatively. Particle Image velocimetry has been developed and applied for the quantitative flow measurements. Axial and tangential flow motion inside the cylinder has been characterized. The swirl/tumble port shows beneficial results in terms of turbulence generation for the initial flame propagation and mean swirl motion for the overall flame propagation.
The tumble or swirl flow is used to promote mixing of air and fuel in the cylinder and to enlarge turbulent intensity in the end of the compression stroke. Since the in-cylinder flow is a kind of transient state with rapid flow variation, which is non-steady state flow, the tumble or swirl flow has not been analyzed sufficiently whether they are applicable to combustion theoretically. In the investigation of intake turbulent characteristics using PIV method, typical flow characteristics were figured out by SCV configurations. An engine installed SCV had higher vorticity and turbulent strength by fluctuation and turbulent kinetic energy than a baseline engine, especially near the cylinder wall and lower part of the cylinder. Above all, the engine with SCV 8 was superior to the others in aspect of vorticity and turbulent strength. For energy dissipation, a baseline engine had much higher energy loss than the engine installed SCV because flow impinged on the cylinder wall. Consequently, as swirl flow was added to existing tumble flow, it was found that fluctuation increased and flow energy was conserved effectively through the experiment.
A PIV(Particle Image Velocimetry) was applied to measure in-cylinder velocity field according to inlet valve angle during compression stroke. Two engines, one is conventional DOHC 4 valve and the other is narrow valve angle, were used to compare real compression flow. The results show that the flow patterns are well arranged compared with intake flow and the basic tumble flow structures are maintained until end compression stage regardless of valve angle. Also the results show that the tumble motion is intensified by momentum conservation during compression in normal engine. In the normal engine, the bulk shape of flow pattern is "Y" type at the top of cylinder and reverse "Y" type at the bottom of cylinder and weak reverse flow exists at the top of cylinder along cylinder center line. Otherwise, the other engine's flow pattern changes from "Y" type to "T" type at the top of cylinder during compression.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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