Hydrogen engine with homogeneous charged compression ignition can achieve high efficiency by high compression ratio and rapid chemical reaction rates spatially. However, it needs to expansion of the operation range with over-all load conditions which is very narrow due to extremely high pressure rise rate. The adoption of the lean boosting in a HCCI $H_2$ engine is expected to be effective in expansion of operation range since minimum compression ratio for spontaneous ignition is decreased by low temperature combustion and increased surround in-cylinder pressure. In order to grasp its possibility by using lean boosting in the HCCI $H_2$ engine, compression ratio required for spontaneous ignition, expansion degree of the operation range and over-all engine performance are experimentally analyzed with the boosting pressure and supply energy. As the results, it is found that minimum compression ratio for spontaneous ignition is down to the compression ratio(${\varepsilon}$=19) of conventional diesel engine due to decreased self-ignition temperature, and operation range is extended to 170% in term of the equivalence ratio and 12 times in term of the supply energy than that of naturally aspirated type. Though indicated thermal efficiency is decreased by reduced compression ratio, it is over at least 46%.
This paper presents the development status of a subscale precooled turbojet engine "S-engine" for the hypersonic cruiser and space place. S-engine employs the precooled-cycle using liquid hydrogen as fuel and coolant. It has $23cm{\times}23cm$ of rectangular cross section, 2.6 m of the overall length and about 100 kg of the target weight employing composite materials for a variable-geometry rectangular air-intake and nozzle. The design thrust and specific impulse at sea-level-static(SLS) are 1.2 kN and 2,000 sec respectively. After the system design and component tests, a prototype engine made of metal was manufactured and provided for the system firing test using gaseous hydrogen in March 2007. The core engine performance could be verified in this test. The second firing test using liquid hydrogen was conducted in October 2007. The engine, fuel supplying system and control system for the next flight test were used in this test. We verified the engine start-up sequence, compressor-turbine matching and performance of system and components. A flight test of S-engine is to be conducted by the Balloon-based Operation Vehicle(BOV) at Taiki town in Hokkaido in October 2008. The vehicle is about 5 m in length, 0.55 m in diameter and 500 kg in weight. The vehicle is dropped from an altitude of 40 km by a high-altitude observation balloon. After 40 second free-fall, the vehicle pulls up and S-engine operates for 60 seconds up to Mach 2. High altitude tests of the engine components corresponding to the BOV flight condition are also conducted.
A free piston linear engine could be operated under HCCI combustion due to its variable compression ratios. To obtain HCCI combustion, the free piston linear engine needs a high compression ratio to achieve auto-ignition of the fuel/air mixture. In this study, an idea for obtaining a high compression ratio using the transition from SI combustion to HCCI combustion was proposed. The fuel used in this study is hydrogen, which is considered to be an environmentally friendly fuel. Besides, the effects of key parameters such as equivalence ratio (${\phi}$), load resistance ($R_L$) and intake temperature ($T_{in}$) on the SI-HCCI transition were numerically investigated. The simulation results show that the SI-HCCI transition is successful without any significant reduction of in-cylinder pressure as the intake temperature is increased from $T_{in}$=300K (SI mode) to $T_{in}$=450K (HCCI mode), while the load resistance and equivalence ratio are retained respectively at $R_L=120{\Omega}$ and ${\phi}$=0.6 in both SI mode and HCCI mode.
Trends in the automotive market require the application of new engine technologies, which allows for the use of different types of fuel. Since ethanol is a renewable source of energy and has lower $CO_2$ emissions than gasoline, ethanol produced from biomass is expected to be used more frequently as an alternative fuel. It is recognized that for spark ignition (SI) engines, ethanol has the advantages of high octane number and high combustion speed. Due to the disadvantages of ethanol, it may cause extra wear and corrosion of electric fuel pumps. On-board hydrogen production out of ethanol is an alternative plan. This paper investigates the influence of ethanol fuel on SI engine performance, thermal efficiency and emissions. The combustion characteristics with hydrogen-enriched gaseous fuel from ethanol are also examined. As a result, thermal efficiency increase compared to gasoline. Also, reductions in $CO_2$, NOx, and THC combustion products for ethanol vs. gasoline are described.
Trends of the automotive market require the application of new engine technologies, which allows for the use of different types of fuel. Since ethanol is a renewable source of energy and it contributes to lower $CO_2$ emissions, ethanol produced from biomass is expected to increase in use as an alternative fuel. It is recognized that for spark ignition (SI) engines ethanol has advantages of high octane number and high combustion speed. In spite of the advantages of ethanol, fuel supply system might be affected by fuel blends with ethanol like a wear and corrosion of electric fuel pumps. So the on-board hydrogen production out of ethanol reforming can be considered as an alternative plan. This paper investigates the influence of ethanol fuel on SI engine performance, thermal efficiency and emissions. The combustion characteristics with hydrogen-enriched gaseous fuel from ethanol reforming are also examined.
Hydrogen-dimethy ether (DME) and hydrogen-diesel compression ignition engine combustion were investigated and compared each other in a single cylinder compression ignition engine. Hydrogen and DME were used as low carbon alternative fuels to reduce green house gases and pollutant. Hydrogen was injected at the intake manifold with an injection pressure of 0.5 MPa at fixed injection timing, $-210^{\circ}CA$ aTDC. DME and diesel were injected directly into the cylinder through the common-rail injection system at injection pressure of 30 MPa. DME and diesel inejction timing was varied to find the optimum CI combustion to reduce CO, HC and NOx emissions. When DME was injected early, CO and HC emissions were high while NOx emission was low. Fuel consumption, heat release rate, and exhaust emissions were measured to analyze each combustion characteristics of each ignition promoter. Fuel consumption was decreased when diesel was used as an ignition promoter. This is due to the lower volatility of diesel which created more stratified charge than DME.
최근 무인기에 대한 관심과 수요가 높아지고 있는 가운데, 가동범위가 넓고 전략적으로 활용이 많은 고고도장기체공 무인기의 동력원개발이 연구 목표로 검토되었다. 기존 왕복동 엔진에 수소 연료를 적용하는 기술은 현행으로써 적용성이 용이하고 경제적이다. 수소는 중량당 에너지 밀도가 높아서 한 번 충전으로 장시간 운항을 지속할 수 있고 환경적인 측면에서도 무공해 연료라는 긍정적인 부분이 존재하기 때문에 적합하다고 평가된다. 하지만 현재 수소연료를 왕복동 엔진에 적용한 개발사례가 적은 편이라 향후 기술적으로 많은 연구가 필요한 것으로 판단된다. 항공기는 운항고도에 따라 공기밀도 저감으로 인한 냉각성능 저하 또는 복사열 감소에 의한 주변온도 강하로 과냉각이 될 수 있는 요인들이 존재한다. 따라서 본 실험은 냉각수온을 변화시켜서 이러한 주변온도 변화가 수소연료 엔진에 미치는 연소특성에 대해 살펴보았다. 역화에 의한 안정적인 운전 영역의 제한은 냉각수 온도변화에 의한 영향보다 공기과잉률에 의한 영향이 지배적으로 나타났으며, 냉각수 온도가 증가할 경우 충진효율이 감소하여 토크가 감소하고 냉각수 온도가 감소할 경우 열손실이 증가하여 열효율이 감소하였다.
The present work was conducted to achieve the better understanding of the performance analysis technique for the expander type air turbo ramjet engine. For this purpose, the performance analysis was carried out using a small engine(8.0kN thrust) with two types of fuels. From this analysis, at the same input condition, the thrust of methane-fueled engine was 25% lower than that of hydrogen. In addition, the case of methane shows the inapplicable engine performance cycle.(i.e., The compressor work exceeds the turbine output power) These results come mainly from the different heating value of each fuel and specific heat. This analysis also shows that, to build a same performance cycle as the hydrogen case, the methane-fueled engine requires increased air and fuel flow rates, increased turbine expansion ratio, and decreased compressor pressure ratio.
Natural gas is one of the most promising alternatives to gasoline and diesel fuels because of its high thermal efficiency and lower harmful emissions, including $CO_2$. Although the high octane value of natural gas increases engine output and efficiency due to the high compression ratio, this fuel is prone to such difficulties as a narrow limit of inflammability and a slow combustion speed in the lean burn operation domain, leading to unstable combustion and higher emissions of harmful exhaust gases. Hydrogen blended with natural gas can extend the lean burn limit while maintaining stable, efficient combustion and achieving lower NOx, hydrocarbon and green house gas emissions. In this study, the effect of hydrogen addition on an engine performance and NOx emission characteristics was investigated in a heavy duty natural gas engine. The results showed that thermal efficiency was increased and NOx emissions were reduced due to the expansion of lean operation range under stable operation. NOx emission can be significantly reduced with the retard of spark advance timing.
For developing a two-stroke free-piston hydrogen engine with high efficiency and low emission, determination of the scavenging type is one of the most important factor. In this research, backfire characteristics for loop scavenging were analyzed with the number of piston crevice volume and piston expansion speed. Rapid Compression Expansion Machine, RCEM was used for combustion research of the free piston $H_2$ engine in the experiment. As the results, it was shown that although backfire occurring in a loop scavenging type can be partially controled by a complete exhaust of burned gas, possibility of backfire basically exist due to the structure which piston crevice volumes contact with fresh mixture in a scavenging port. However, a loop scavenging may be considered as combustion chamber of a free piston $H_2$ engine from the point of view that backfire does not occur nearby lean equivalence ratio obtained high thermal efficiency. It was also analyzed that an advances of backfire occurrence timing with increase of the fuel-air equivalence ratio were due to promotion of flame propagation into piston crevice volumes by decrease of the quenching distance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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