This paper describes the air flow characteristics inside the throttle valve. Tow-dimensional steady incompressible Navier-Strokes equation are solved numerically with embedding the conceopt of the artificial compressibility and adopting the Baldwin-Lomax turbulence model. With varying the valve opening angles(the Reynolds number )such as 15$^{\circ}$(5000) , 45$^{\circ}$(3000) , 75$^{\circ}$(7000) and 90$^{\circ}$(10000), respectively. tow cases, with a valve shaft and without one, are analysed. The pressure loss between the entrance and exit is severe at 15$^{\circ}$, 100 times as larger as that of 90$^{\circ}$ case, which also depends much on the existece of the valve shaft. The counter rotating vortices are formed over the valve plate with the shaft at only 75$^{\circ}$. They are smally and very large scale in front and back of the valve shaft , respectively. The velocity profiles of 15$^{\circ}$ and 90$^{\circ}$ at the exit are almost symmetric to the horizontal center line, however, the symmetricity is no longer maintained at 45$^{\circ}$ and 75$^{\circ}$ , and in addition, the flow at 75$^{\circ}$ is enforced a lot below center line. The pressure distribution on the walls is largely changed near the valve shaft, and its magnitude becomes great as the valve angle decreases.
In recent years, modularization of engine parts has increased the application of plastic products in air intake systems. Plastic intake manifolds provide many advantages including reduced weight, contracted cost, and lower intake air temperatures. These manifolds, however, have some weakness when compared with customary aluminium intake manifolds, in that they have low sound transmission loss because of their lower material density. This low transmission loss of plastic intake manifolds causes several problems related to flow noise, especially when the throttle is opened quickly. The physical processes, responsible for this flow noise, include turbulent fluid motion and relative motion of the throttle to the airflow. The former is generated by high-speed airflow in the splits between the throttle valve and the inner-surface of the throttle body and surge-tank, which can be categorized into the quadrupole source. The latter induces the unsteady force on the flow, which can be classified into the dipole source. In this paper, the mechanism of noise generation from the turbulence is only investigated as a preliminary study. Stochastic noise source synthesis method is adopted for the analysis of turbulence-induced, i.e. quadrupole noise by throttle at quick opening state. The method consists of three procedures. The first step corresponds to the preliminary time-averaged Navier-Stokes computation with a $k-\varepsilon$ turbulence model providing mean flow field characteristics. The second step is the synthesis of time-dependent turbulent velocity field associated with quadrupole noise sources. The final step is devoted to the determination of acoustic source terms associated with turbulent velocity. For the first step, we used market available analysis tools such as STAR-CD, the trade names of fluid analysis tools available on the market. The steady state flows at three open angle of throttle valve, i.e. 20, 35 and 60 degree, are numerically analyzed. Then, time-dependent turbulent velocity fields are produced by using the stochastic model and the flow analysis results. Using this turbulent velocity field, the turbulence-originated noise sources, i.e. the self-noise and shear-noise sources are synthesized. Based on these numerical results, it is found that the origin of the turbulent flow and noise might be attributed to the process of formulation and the interaction of two vortex lines formed in the downstream of the throttle valve. These vortex lines are produced by the non-uniform splits between the throttle valve and inner cylinder surface. Based on the analysis, we present the low-noise design of the inner geometry of throttle body.
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.
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.
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.
Recently, the 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 HSDI diesel engine with a 4-valve type cylinder head. The four kinds of cylinder head were manufactured to elucidate the effect of intake port geometry on the in-cylinder flow characteristics. The steady flow characteristics such as coefficient of flow rate $(C_{f})$, swirl ratio (Rs), and mass flow rate (m,) were measured by the steady flow test rig and the unsteady flow velocity within a cylinder was measured by PIV. In addition, the in-cylinder flow patterns were visualized by the visualization experiment and these results were compared with simulation results calculated by the commercial CFD code. The steady flow test results indicated that the mass flow rate of the cylinder head with a short distance between the two intake ports is $13\%$ more than that of the other head. However, the non-dimensional swirl ratio is decreased by approximately $15\%$. As a result of in-cylinder flow characteristics obtained by PIV and CFD calculation, we found that the swirl center was eccentric from the cylinder center and the position of swirl center was changed with crank angle. As the piston moves to near the TDC, the swirl center corresponded to the cylinder center and the velocity distribution became uniform. In addition, the results of the calculation are in good agreement with the experimental results.
The low-emission and high-performance diesel combustion is an important issue in the combustion research community, In order to understand the detailed diesel flame involving the complex physical processes, it is quite desirable to diesel spray dynamics, auto-ignition and spray flame propagation. Dynamics of fuel spray is a crucial element for air-fuel mixture formation, flame stabilization and pollutant formation, In the present study, the diesel RCM (Rapid Compression Machine) and the Electric Control injection system have been designed and developed to investigate the effects of injection pressure, injection timing, and intake air temperature on spray dynamics and diesel combustion processes, In terms of the macroscopic spray combustion characteristics, it is observed that the fuel jet atomization and the droplet breakup processes become much faster by increasing the injection pressure and the spray angle, With increasing the cylinder pressure, there is a tendency that the of spray pattern in the downstream region tends to be spherical due to the increase of air density and the corresponding drag force, Effects of intake temperature and injection pressure on auto-ignition is experimently analysed and discussed in detail.
The low-emission and high-performance diesel combustion is an important issue in the combustion research community. In order to understand the detailed diesel flame field involving the complex Physical Processes, It Is quite desirable to study diesel spray dynamics, auto-ignition and spray flame propagation. Dynamics of fuel spray is a crucial element for air-fuel mixture formation flame stabilization and pollutant formation. In the present study, the diesel RCM (Rapid Compression Machine) and the Electric Control injection system have been designed and developed to investigate the effects of injection Pressure, injection timing, and intake air temperature on spray dynamics and diesel combustion processes. In terms of the macroscopic spray combustion characteristics it is observed that the fuel jet atomization and the droplet breakup processes become much faster by increasing the injection pressure and the spray angle. With increasing the cylinder pressure there is a tendency that the shape of spray pattern in the downstream region tends to be spherical due to the increase of air density and the corresponding drag force. Effects of intake temperature and injection pressure on auto-ignition is experimently analysed and discussed in detail.
Mixture formation is one of the important factors to improve combustion performance of MPI gasoline engines. This is affected by spray and atomization characteristics of injector. Especially, in the case of EGI system, air-fuel mixing period is too short and formed a lot of fuel-film in the intake manifold and cylinder wall. This fuel-film is not burnt in cylinder, it is exhausted in the form of HC emission. In this paper, spray characteristics such as size distributions, SMD, and spray angle are measured by PMAS, and the fuel-film measuring device is developed specially. Using this device, the amount and distribution of fuel-film which flows into through valve can be measured Quantitatively. As the result of these experiments, the information of optimal spray characteristics and injection condition that minimize the fuel-film can be built up.
A model engine having a flat cylinder head and a piston face and an off-center intake valve is investigated in this analysis. Calculation domain is confined to the half of the cylinder with swirl free inlet velocity condition. Due to the absence of measured inlet conditions, the inlet flowrates during induction period are calculated from overall mass and energy conservation requirements. Finite difference equation for velocity and pressure were solved by modified SIMPLER algorithm, standard k-$\varepsilon$turbulence model and hybrid scheme. From the result of prediction, dimensionless velocity distribution and turbulence intensities are investigated at each crank angle.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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