This study was performed to calculate the swirl ratio of a diesel engine intake port by a 1D computer simulation under actual engine operating conditions. The swirl ratio of the intake port was simulated according to the change of the engine speed during the operation of the motoring without fuel injection. The swirl ratio of the intake port was simulated according to changes in the crank angle during the four-cycle operation of intake, compression, expansion and exhaust. The swirl ratio represented by the three regions of the piston, center and squish was simulated. Among the three regions, the piston-region swirl ratio is important for effective air-fuel mixing in the engine cylinder. In particular, it was confirmed during the simulation that the piston swirl ratio before and after the compression top dead center (TDC) point when fuel is injected in the DI diesel engine can have a significant effect on the mixing of air and fuel. It was desirable to set the average piston swirl ratio over a crank angle section before and after compression TDC as the representative swirl ratio of the cylinder head intake port according to the change of the engine speed.
This paper is the first of 2 companion papers which investigate in-cylinder swirl generation characteristics in helical port engine with wide valve angle. Two wide valve-angle engines, which are same ones and have slightly different rig swirl number, were used to compare the characteristics of cylinder-flow. One intake port is deactivated to induce swirl flow. A PIV (Particle Image Velocimetry) was applied to measure in-cylinder velocity field during intake stroke. The results show that the intake flow component passing through valve area near the cylinder wall is not negligible in helical port engine with wide valve angle contrary to conventional one. The effect of this velocity component on in-cylinder increases as the swirl ratio rises and intake process progresses. Consequently, this component interferes the formation of in-cylinder swirl flow resulting in lower actual swirl.
An analytic strategy to control the variable valve actuation applied to two intake valves (flow port intake valve and swirl port intake valve) was performed in this study. we considered the variation in phasing of intake valve profiles by using the Cam-in-Cam technology. The analytic model was implemented in the GT-Power simulation program and analyzed the result of regulated emissions such as, NOx and Soot, especially with IMEP characteristics. Namely, we meticulously investigated the sources of having effect on the amount of NOx and soot formation under the test conditions with retard timing of both flow port and swirl port intake valves for decreasing the opening duration by 35CAD. Also, we analyzed the effect of incylinder pressure and temperature with NOx variations and in-cylinder pressure and temperature on NOx variations and normalized turbulent intensity. Through this analysis, some useful results on the combustion and flow characteristics of the swirl port and flow port control of the intake valve were obtained by this study.
Many researchers have developed the measurement technique of in-cylinder flow characteristics and found the effect of intake port geometries on engine performance. The flow characteristics of four-valve cylinder head were examined in a steady flow rig for different intake ports. Tumble intensity of intake configurations with different entry angles were quantified with a tumble meter. The velocity and angular momentum distributions in the tumble adaptor were measured under steady conditions with PIV(Particle Image Velocimetry). We have obtained the results that flow structure becomes complicated by valve interference at low valve lift. As the valve interferences were reducing and the flow pattern changed to large vortex structure with tumble direction, intake ports with different entry angles have different tumble centers. Tumble eccentricity of intake port with low entry angle was large, so that the port had relatively much angular momentum compared to others which was expected to improve combustion performance.
An Intake Port of SI engines plays a key role on improving engine performance by maximizing full load volumetric efficiency or by optimizing in-cylinder air motion. However, designing an intake port has been usually performed based on port experts' experience and know-how, which means that analytical analyses are relatively insufficient. In this paper, port design parameters which decide an overall port shape were defined in order to correlate them relevantly with flow test results accumulated so far. Test species were composed of all twenty eight SI engines which cover major engine displacements from 1,000cc to 4,000cc. First, they were tested on a steady state flow test rig to find out their flow coefficients. Secondly, those flow coefficients were analyzed based on the port design parameters measured from the engines. The most effective parameters were port height, valve head diameter, and the ratio of port size and cylinder bore diameter. The final correlation equation could predict flow coefficients within 2% deviation.
The effect of helical intake port geometry on in-cylinder swirl flow characteristics was studied. Two helical intake ports were selected to change swirl ratio, mean flow coefficient with the variation of valve lifts, valve eccentricity ratios and axial distance. The measurements were made by using an impulse swirl meter. The port B modified to increase the swirl ratio( $R_{s}$) had the tendency of the increased non-dimensional rig swirl ( $N_{r}$) distribution in comparison with that of the port A. And the $N_{r}$ distribution was remarkably improved at low valve lifts. The modification of the geometry to increase the swirl ratio ( $R_{s}$) in helical intake port resulted in the decrease of the mean flow coefficient ( $C_{f(mean)}$) regardless of valve eccentricity ratio ( $N_{y}$). And also non-dimensional rig swirl ( $N_{r}$) in the high valve lift affected the calculation of swirl ratio considerably.onsiderably.
This study investigates the characteristics of spray, such as evaporation rate and spray trajectory, for a 4-hole injector which is applied to a 4-valve motorcycle gasoline engine. Three dimensional, unsteady, compressible flow and spray within the intake-port and cylinder have been simulated using the VECTIS code. Spray characteristics were investigated at 6000 rpm engine speed. Furthermore, we visualized fuel behavior in the intake-port using a CCD camera synchronized with a stroboscope in order to compare with the analytical results. Boundary and intial conditions were employed by complete 1-D simulation of the engine using the WAVE code. Fuel was injected into the intake-port at two time intervals relative to the position of the intake valves so that the spray arrived when the valves were closed and fully open. The results showed that the trajectory of the spray was directed towards the lower wall of the port with injection against the closed valves. With open valve injection, a large portion of the fuel was lifted by the co-flowing air towards the upper half of the port and this was confirmed by simulation and visualization.
To secure basic data for intake port design, effects of a port masking on the part load performance were investigated in a 4 valve SI engine. For this purpose, 9 kinds of masking, which have different shapes and masking ratio, are applied to the engine intake system. The characteristics of the performance were estimated through mixture response test at various engine load and speed. The results show that NOx emission, one of indexes for stratification, increases considerably in spite of retarded spark timing due to the stratification which is caused by unequal flow distribution between the two intake ports. The mechanism of stratification by masking is different from axial stratification and the fuel entering through masked port plays a very important role in this stratification process. In conclusion, the port masking method could be easily applied to engine intake system and be very effective for inducing the stratified charging without the change of port design.
This paper studies the effects of intake port configuration on the swirl that is key parameter in the flow field of direct injection diesel engines. In-cylinder flow characteristics is known to have significant effects on fuel air mixing, combustion and emissions. To investigate the swirl flow generated by various intake ports, steady state flow tests were conducted to evaluate the swirl. Helical port geometry, SCV shape and bypass were selected as the design parameters to increase the swirl flow and parametric study was performed to choose the optimal port shape that would generate a high swirl ratio efficiently. The results revealed that a key factor in generating a high swirl ratio was to suitably control the direction of the intake air flow passing through the valve seat. For these purposes, we changed the distance of helical and tangential port as well as installed bypass near the valve seat and the effects of intake port geometry on in-cylinder flow field were visualized by a laser sheet visualization method. From the experimental results, we found that the swirl ratio and mass flow rate had a trade off relation. In addition, the result indicates that the bypass is a effective method to increase the swirl ratio without sacrificing mass flow rate.
The configuration of intake port and piston is a dominant factor of inlet air flow and mixture formation in an engine cylinder, resepectively. This study has analyzed intake port and piston characteristics for swirl flow of a heavy-duty LPG engine. As an available technology to optimize intake port, the steady flow rig test has been applied for measuring swirl ratio and mean flow coefficient. And we measured the mean velocity and turbulence intensity of swirl flow under motoring condition in transparent engine cylinder by backward scattering LDV system. From these results, the piston and cylinder head with a good evaluated swirl flow characteristics were developed and adapted fur a 11L heavy-duty engine using the liquid phase LPG injection (LPLI) system. The obtained results are expected to be a fundamental data for developing intake port and piston.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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