Since the characteristics of combustion and pollutant in Diesel engines were mainly effected by the characteristics of in-cylinder gas flow and fuel spray, an understanding of those was essential to the design of the D.I. Diesel engines. The improvement of volumetric efficiency of air charging into combustion chamber is a primary requirement to obtain better mean effective pressure of an engine. Since parameters such as the air resistances in intake and exhaust flow passages, valve lift and valve shape influence greatly to the volumetric efficiency, it is very important to investigate the flow characteristics of intake and exhaust port which develops air motion in the combustion chamber. In this study, two approach methods were used for design intake and exhaust port; experiment and computation which were made by using steady flow test rig and commercial CFD code. This paper presents the results of an experimental and analytical investigation of steady flow through the prototype cylinder head ports and valves of the HHI's H21/32 HIMSEN Engine.
This paper presents characteristics of steady flow by variation of a combustion chamber and an intake port. Gas flow field inside a combustion chamber is the important factor in improving combustion stability and reduction of emission level. The flow characteristics such as flow coefficient, tumble ratio and swirl ratio are measured by the steady flow rig test with an impulse meter in this study. In the measuring, the valve lifts are varied between 1mm to 10mm. The three combustion chambers and two intake ports were applied to the steady flow apparatus in order to investigate the effect of swirl and tumble on the in-cylinder flow. As a result, tumble ratio were found to be different by variation of the combustion chambers and the intake ports. The data from the present study can be applied to design of a similar engine as basic data.
In an SI engine, the characteristics of the air flow is important not only for the design of the intake system geometry but also for the accurate measurement of the induction air mass. In this study, an air flow rate measurement using the ultrasonic flow meter and hot wire flow meter was conducted at the upstream of the intake port and the throttle. At the upstream of the intake port, the pulsating flow into the cylinder affected by the pressure wave was detected directly with the flow meters instead of pressure sensors. At the upstream of the throttle, the reverse flow phenomena were showed by comparing the flow pattern measured by the hot wire air flow meter and the ultrasonic air flow meter. The results of this study can be used for the analysis of the tuning effect in the intake manifold and estimation of the error in real time measurement for the air flow rate.
Steady flow bench test is a practical, powerful and widely used in most engine manufacturers to give a design concept of a new engine. In order to use steady data as a performance index, it is necessary to build some database, which can correlate the port characteristics with engine data. However, it is very difficult to investigate all port shapes with experimental tools. The steady flow scheme is relatively simple and its results are bulk ones such as flow rate and momentum of flow. Therefore a CFD code can be easily applied to the port evaluation. In this study, the steady flow test was simulated through three-dimensional analysis on intake port design for comparing with experimental data and confirming the feasibility of applying analytic method . for this purpose, the effect of valve curvature on flow rate was estimated by a CFD code. Numerical results were compared with those of real steady flow tests. As a result, the results of 3-D analysis were almost consistent with experimental data.
This paper is the second of 2 companion papers which investigate in-cylinder swirl generation characteristics according to inlet valve angle. Two DOHC 4 valve engines, one has wide intake valve angle and the other has narrow valve angle, were used to compare the characteristics of swirl motion generation in the cylinder. One intake port was deactivated to induce swirl flow. A PIV (Particle Image Velocimetry) was applied to measure in-cylinder velocity field according to inlet valve angle during intake stroke. The results show that the flow patterns of narrow valve engine are much more stable and well arranged compared with the normal engine over the entire intake and compression stroke except early intake stage, and very strong swirl motion is generated at the end of compression stage in this engine nevertheless using straight port which is unfavorable for swirl generating. In the wide valve angle one, however, strong swirl motion induced during intake stroke is destroyed as the compression progresses.
Analysis and control of intake charge motion such as swirl and tumble are very important factors in improving the gasoline engine performance. In this paper, single-frame PTV (particle tracking velocimetry) is used to investigate intake tumble patterns in a steady flow test rig of gasoline engine with dual-intake-valve and pent-roof combustion chamber. Intake tumble pattern is quantified in accordance with blockage ratio of TIV (tumble intensifying valve) with single- frame PTv.The view of the instantaneous 2-D velocity field gives a realistic understanding of in-cylinder flow field. Thus it is confirmed that PTV is a effective tool in engine design. In conventional port, two tumble structures appear clearly, and the larger one is observed under the exhaust valve side and the smaller is right below the intake valve side. The larger vorticity is observed in TIV port, thus it is concluded that TIV have an effect on intensified tumble motion in cylinder flow.
The characteristics of intake port flow and engine performance with swirl ratio variance in a turbocharged D.I. diesel engine were studied in this paper. The intake port flow is important factor which have influence on the engine performance and exhaust emission because the properties in the injected fuel depend on the combustion characteristics. Through these experiments it can be expected to satisfy performance and emission by optimizing the main parameters; the swirl ratio of intake port, injection timing and compression ratio. The swirl ratio for ports was modified by hand-working and measured by impulse swirl meter. For the effects on performance and emission, the brake torque and brake specific fuel consumption were measured by engine dynamometer, NOx and smoke were measured by gas analyzer and smoke meter. The results of steady flow test are as follows; as the valve eccentricity ratio are closed to cylinder wall, the flow coefficient and swirl intensity are increased. Also we realized that there is a trade-off that the increase of swirl ratio decreases mean flow coefficient and increases the Gulf factor. And the optimum parameters to meet performance and emission through engine test are as follows; the swirl ratio 2.43, injection timing BTDC 13oCA and compression ratio 15.5.
Steady flow bench test is a practical, powerful and widely used test in most engine manufacturers to give a design concept of a new engine. In order to use steady data as a performance index, it is necessary to build some database, which can correlate the port characteristics with engine data. However, it is very hard to investigate all port and valve shapes with experimental tools. The steady flow scheme is relatively simple and its results are bulk ones such as flow rate and momentum of flow. Therefore a CFD code can be easily applied to the port evaluation. In this study, the steady flow test was simulated through two and three-dimensional analysis on intake port design for comparing with experimental data and confirming the feasibility of applying analytic method. For this purpose, the effect of valve curvature on flow rate was estimated by a CFD code. There results were compared with those of real steady flow tests. As a result, the 2-D analysis described the phenomena qualitatively well, and also the results of 3-D analysis were almost consistent with experimental data.
The performance improvement and emission reduction in a turbocharged D.I. diesel engine was studied experimentally in this paper. The system of intake port, fuel injection and turbochager are very important factors which have influence on the engine performance and exhaust emission because the properties in the injected fuel depend on the combustion characteristics. Through these experiments it can be expected to meet performance and emission by optimizing the main parameters; the swirl ratio of intake port, fuel injection system and turbocharger. The swirl ratio of intake port was modified by hand-working and measured by impulse swirl meter. Through this steady flow test, we knew that the increase of swirl ratio is decreasing the mean flow coefficient, whereas the gulf factor is increasing. And the optimum results of engine performance and emission are as follows; the swirl ratio is 2.43, injection timing is BTDC 13。 CA, compression ratio is 16, combustion bowl is re-entrant 5$^{\circ}$, nozzle hole diameter is $\Phi$0.28*6, turbocharger is GT40 model which are compressor A/R 0.58 AND turbine A/R 1.19.
A swirl ratio of a charge in the cylinder could be calculated by measuring both the rotary speed of paddle and the intake air flow rate in the swirl measurement apparatus fur several positions of valve lift. The automation of the swirl ratio measurement for a cylinder head is achieved by controlling both the valve lift of cylinder head and a suction pressure of the surge tank, instead of controlling them manually. PID control of the surge tank pressure and positioning a valve lift of the cylinder head are also achieved by using two step motors, respectively. Rotating speed of a paddle are measured using an optical sensor and a counter. Flow rate are measured from ISA 1932 flow nozzle by reading a differential pressure gauge position using IEEE-1394 camera. Time to measure the swirl ratio for a port in the cylinder head is drastically reduced from an hour to 3 minutes by automation control of the apparatus.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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