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.
This study proposes a new stratified charge system for low emission and ultra lean burn. In order to examine combustion characteristics of the new system, sparkplug with a hole at positive pole and a common CNG injector for injecting fuel were used in this study as injector-type spark plug. The new stratified charge system injects fuel of extremely small quantities and ignites mixture around sparkplug gap. Also, the system was fitted in a visualized constant volume chamber. Then, for analysis of the combustion characteristics, we examined combustion pressure, lean inflammable limit, and visualized combustion flame according to equivalence ratio by comparison with homogeneous charge (HC) method and the new stratified charge (SC) method. As results of this study, in the case of using this system, the propagation speed of initial flame was increased and total combustion period was reduced in the ultra lean burn in the same equivalence ratio. These phenomena occurred clearly under the conditions of lean equivalence ratio. Furthermore, the lean inflammable limit of mixture was extended by using the injector-type spark plug.
The present study was investigated combustion characteristics of methane-air mixtures at stratified charge in a constant volume combustion chamber. The results indicated that even the vety lean mixture, which is normally not flammable in single chamber type, could be burned within. a comparatively short time by using sub-chamber with stratified charge method. And the lean inflammability limit of mixture in a main chamber was about ($\phi_m$cr=O.46, when the equivalence ratio of a sub-chamber was $\phi_s$= 1.0. Initial time of pressure increase and total burning times were decreased and maximum combustion pressure. was increased as the equivalence ratio of both sub and main chamber approached unity. Specifically, initial time of pressure increase and total burning times were greatly affected rather by. the equivalence ratio of sub-chamber than that of main chamber. The maximum combustion pressure was little affected if the total equivalence ratio lies in the same range.
In the present study, the IDI-type constant volume chamber, which utilizes the indirect injection stratified charge method, is used to solve several problems including misfires and cycle-variations caused by unstable initial ignitions. A subchamber has been used to make an ignitable mixture under the low mean equivalence ratio. After burned in the subchamber, the flame jet getting through the passage hode enters the main chamber and burns the lean charge. There are many factors which affect the combustion characteristics of the indirect injection stratified engine. The passage hole angle is the most important since it determines the direction of flame flows into the main chamber. In the present study, we measured the combustion pressure, and the wall temperature, and computed the heat flux through the cylinder wall in order to understand the combustion characteristics depending on passage hole angle and the equivalence ratio.
It is well known that a lean burn engine caused by stratified mixture formation has many kinds of advantages to combustion characteristics, such as higher thermal efficiency and lower CO, NOx levels than conventional homogeneous mixture combustion. Although this combustion can achieve low fuel consumption technology, it produces much unburned hydrocarbon and soot because of heterogeneous equivalence ratio in the combustion chamber. Therefore, the stratified mixture formation technology is very important to obtain the stable lean combustion. In this paper, fundamental studies for stratified combustion were carried out using a constant volume combustion chamber. The local effect of mixture formation according to control air-fuel distribution in the chamber was examined experimentally. In addition, the effect of turbulence on stratified charge combustion process was observed by schlieren photography. From this study, we found that the flame propagation speed increase with swirl flow and the swirl promotes the formation of fuel and air mixture.
Laminar burning velocities of propane- and iso-octane-air mixtures have been numerically modelled over a wide range of equivalence ratio, pressure and temperature. These correlations are applicable to the modelling of stratified charged combustion like that of lean bum and GDI engine combustion. The numerical models are based on the results calculated by PREMIX code with Sloane's detailed chemical reaction mechanism for propane and FlameMaster code with Peters' for iso-octane. Laminar burning velocity for two fuels showed a pressure and temperature dependence in the following form, in the range of $0.1{\sim}4MPa$, and $300{\sim}1000K$, respectively. $S_L={\alpha}\;{\exp}[-\xi({\phi}-{\phi}_m)^2-{\exp}\{-{\xi}({\phi}-{\phi}_m)\}-{\xi}({\phi}-{\phi}_m)]$ where ${\phi}_m=1.07$, and both of ${\alpha}$ and ${\xi}$ are functions of pressure and temperature. Compared with the results of the existing models, those of the present one showed the good agreement of the recent experiment data, especially in the range of lean and rich sides. Judging from the calculated results of the stratified charged combustion by using STAR-CD, the above modelling prove to be more suitable than the other ones.
The Blow-off characteristics of LPG/air lean pre-mixed flames were experimentally investigated using a double and a multiple concentric coflow burners. Experiments were conducted to understand the effects of recirculation motion, thermal interaction between flames, and stratified flame configuration. Here, the stratified premixed flame is a "new concept" of a flame that sequentially contains fuel rich, stoichiometric, and fuel lean reaction zones in a flame. The blow-off from a lean premixed flame was significantly suppressed with recirculation motion. The recirculation motion by itself, however, was not sufficient to prevent the blow-off when the equivalence ratio became low. The existence of a inner premixed flame could also help to prevent the blow-off of lean premixed flame; however, the blow-off suppression effect was rather diminished by weakened recirculation motion with the presence of inner flame. The inner flame could be separated from an outer flame on a multiple concentric coflow burner, causing recirculation motion as well as thermal interaction between flames to become effective; therefore, the blow-off was further suppressed. The lean premixed flame could be stabilized with a fuel rich premixed flames that was produced with the supply of fuel through an inner nozzle. The penetration of lean premixed gas from outside into the fuel stream produced a lifted rich premixed flame. Chemiluminescence images of OH, CH, and $C_2$ radicals confirmed the structure of a stratified premixed flame. The stable premixed flames could be obtained at the very fuel lean condition by applying the stratified premixed flame concept.
In this research, we use IDI type constant volume combustion chamber which may make up stratified combustion to construct the design back data of lean-burn engine. Some experiments are conducted by the passagehole angle in the adapter of main chamber and sub-chamber. The effects on the combustion characteristics according to the ignition timing are investigated. The used fuel is methanol prospective for alternative fuel. Fuel is injected under 10.78MPa using solenoid and accumulator. As the results of the experiment, combustion characteristics reveals that ignition timing, passagehole angle and shape greatly effects on. Lean inflammability limit is extended to 0.45 in equivalence ratio.
The combustion and emission characteristics of propane and n-butane which are the main components of LPG were compared with gasoline. The experiment was performed in a stratified DISI engine under lean combustion conditions. Mixtures of propane and n-butane wre more homogeneous because propane and n-butane have better evaporation characteristics. As a result, combustion speeds of n-butane and propane were slower, and emission levels of NOx and PM were lower. However, in spite of better evaporation, PM from propane was higher.
The present study was investigated combustion characteristics of methane-air mixtures at stratified charge in a constant volume combustion chamber. The main results obtained from this study can be summarized as follows. In case of ${\phi}_s=1.0$, total burning times greatly affected rather than initial time of pressure increase and maximum combustion pressure. In case of ${\phi}_t=1.0$, initial time of pressure increase and total burning times were affected considerably in comparison with the case of ${\phi}_s=1.0$. Also, even the very lean mixture which total equivalence ratio is ${\phi}_t=0.69$(${\phi}_s=1.0$, ${\phi}_m=0.65$), by changing configuration of the critical passage-hole and using a stratified mixture, it is possible to decrease substantially the initial time of pressure increase. total burning times and NOx concentration without deteriorating combustion characteristics such as maximum combustion pressure, rate of heat release etc. in comparison with the use of single chamber(in case of ${\phi}=1.0$) only. Specifically, our trends were revealed remarkably in the case of Type D which is reduced a flame contact area of sub-chamber side of the passage-hole.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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