Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Knock and combustion rate interaction in a hydrogen fuelled combustion engine

Szwaja S.

Journal of KONES

|

2011

|

Vol. 18, No. 3

431-438

EN

The paper describes correlation between combustion knock intensity and combustion rate calculated as the heat release rate from combustion pressure traces of a hydrogen fuelled spark ignited engine. Unlike a gasoline spark ignited (SI) engine, the hydrogen fuelled engine can easily generate knock during combustion at working conditions similar to a gasoline engine. However, the hydrogen knock does not necessarily come from hydrogen auto-ignition at the end phase of spark-controlled combustion process as it is typical at the gasoline fuelled engine. The phenomenon of hydrogen knock significantly differs from the gasoline knock due to different combustion mechanisms and different fuel thermo-chemical properties. The knock can be generated during hydrogen combustion itself as result of combustion instabilities. Intensity of this knock, expressed here by intensity of combustion pressure fluctuations, is several times lower in comparison with the combustion knock by fuel self-ignition process. This "light knock" is a matter of this paper. The tests of hydrogen combustion in the IC engine has been conducted at air to hydrogen stoichiometric ratio at various compression ratios with spark timing sweep from -10 to 4 crank angle degrees referring to top dead centre of the engine piston. Obtained results show, that there is a positive correlation between the knock intensity and the combustion rate. This correlation is particularly observed at tests taken on the engine with compression ratio of 10. The conclusions should provide good premises for combustion knock modelling and its prediction.

2

Analiza spalania stukowego w silniku tłokowym za pomocą charakterystyk czasowo-częstotliwościowych

Szwaja S.

Silniki Spalinowe

|

2009

|

R. 48, SC2

306--315

PL

W artykule zaprezentowano analityczną metodę opisu intensywności stuku za pomocą charakterystyk czasowo-częstotliwościowych składowej zmiennej ciśnienia spalania w cylindrze silnika tłokowego pracującego ze stałą prędkością obrotową i zasilanego wodorem lub benzyną. Składową zmienną ciśnienia spalania uzyskano w wyniku odfiltrowania jej z przebiegu ciśnienia w cylindrze za pomocą filtra górno-przepustowego o częstotliwości granicznej nieco mniejszej od częstotliwości pierwszej składowej harmonicznej (ok. 3,5kHz). Następnie, tak uzyskaną składową zmienną ciśnienia poddano okienkowej (krótko-czasowej) transformacji Fouriera (STFT), w wyniku, czego uzyskano zbiór charakterystyk widma amplitudowego dla kolejno po sobie następujących chwil czasu. Następnie, za pomocą tak skonstruowanych charakterystyk czasowo-częstotliwościowych dokonano porównania przebiegu spalania stukowego w silniku zasilanym wodorem i benzyną.

EN

An analytical method based on time-frequency representations for examining combustion knock in an internal combustion engine is described in this paper. Combustion knock was examined by high frequency component of an in-cylinder pressure acquisitied during combustion of hydrogen and gasoline in the CFR engine working at constant rotational speed. The high frequency component of the in-cylinder pressure was obtained by filtering the in-cylinder pressure using for this purpose the digital high-pass Butterworth filter with cut-off frequency of 3.5kHz, which was a bit lower than the basic frequency mode of the high frequency pressure component. Next, this high frequency component of the in-cylinder pressure was used as input data for the short time Fourier transform. As result of computing set of frequency responses were determined. Further, timefrequency representation (TFR) was built on this set of frequency responses. Finally, comparisons between TFRs for hydrogen and gasoline combustion knock were done.

3

Analiza spalania stukowego w silniku spalinowym z zapłonem iskrowym

Szwaja S., Jamrozik A.

Silniki Spalinowe

|

2009

|

R. 48, SC2

128--135

PL

W artykule poddano analizie możliwość wystąpienia samozapłonu benzynowej mieszanki palnej podczas jej kontrolowanego spalania w silniku z zapłonem iskrowym. Badania przeprowadzono na numerycznym modelu komory spalania silnika badawczego, który został sporządzony w programie KIVA-3V. Kinetykę reakcji przedpłomieniowych i samozapłonu w obszarze niespalonej mieszanki palnej modelowano za pomocą programu Chemkin. W wyniku modelowania uzyskano przestrzenne rozkłady ciśnienia i temperatury oraz przebieg rozprzestrzeniania się płomienia w komorze spalania silnika. W strefie niespalonej mieszanki wyodrębniono kilka elementów kontrolnych, dla których przeprowadzono analizę obliczeniową możliwości wystąpienia spalania stukowego z uwzględnieniem zwłoki zapłonu.

EN

Auto-ignition of fresh charge in the combustion chamber of the gasoline spark ignited (SI) engine is undesired effect, which can lead to combustion knock onset and consequently can be harmful for the engine. Possibility of self-ignition of gasoline-air mixture in the unburned zone was analyzed in the paper. The investigation was performed on a theoretical model of the research engine combustion chamber prepared in the KIVA software. Thermo-chemistry of preignition reactions and auto-ignition process of gasoline-air mixture in the unburnt zone were simulated with aid of the Chemkin program. As result of modeling, 3D pressure and temperature distributions across the combustion chamber were determined. Additionally, spark initiated flame propagation inside the cylinder was also calculated. Next, several volume elements were defined in the unburnt zone of the in-cylinder combustion chamber. Finally, calculations of ignition delay and auto-ignition onset for these elements were conducted and compared with controlled front flame propagation.

4

Impact of leaning hydrogen-air mixtures on engine combustion knock

Szwaja S., Naber J. D

Journal of KONES

|

2008

|

Vol. 15, No. 2

483-491

EN

Combustion of lean hydrogen-air mixtures in an internal combustion (IC) spark ignited (SI) engine in respect of combustion knock effect is presented in this paper. It is known that making the combustible mixture leaner leads to both decreasing in-cylinder peak temperature of combustion and lengthening ignition lag. It also increases combustion duration. Having these issues on mind it could be concluded that combustion knock intensity decreases as well. It is reported that such a hypothesis is also correct when hydrogen based fuels are combusted in the IC engine, although hydrogen as an engine fuel, on the contrary to gasoline, is very susceptible to knock generation throughout the entire combustion duration. At the beginning the paper examines the combustion knock intensity on the basis of in-cylinder pressure traces. Next, a test-bed and obtained experimental results of hydrogen combustion in the IC single cylinder CFR engine are showed. Finally, analysis of knock intensity referring to lean hydrogen-air mixture ratio, expressed by the excess air number so-called lambda, is carried out. Significant conclusion from the analysis is that there is strong negative correlation between the hydrogen knock intensity and the excess air number lambda. In the end, comparison with exhaust gas recirculation as alternative way to reduce combustion knock, and constraints for leaning the hydrogen-air combustible mixture for the IC engine are discussed in the paper.

5

Hydrogen-diesel co-combustion anomalies in a CI engine

Grab-Rogaliński K., Szwaja S.

Journal of KONES

|

2008

|

Vol. 15, No. 2

109-116

PL

W artykule przedstawiono eksperymentalne wyniki z indykowania silnika wysokoprężnego z wtryskiem bezpośrednim oleju napędowego, w którym wodór współspalano z olejem napędowym. Wodór do silnika był doprowadzany przez urządzenie wtryskowe zamontowane na kolektorze dolotowym. Następnie poddano analizie przebiegi ciśnień podczas współspalania wodoru, którego udział energetyczny w całkowitej dawce paliwa wahał się od zera do kilkunastu procent. Pomiary przeprowadzono dla mieszanek ubogich. Analiza numeryczna danych eksperymentalnych pozwoliła uzyskać odpowiedzi na następujące zagadnienia: prędkość spalania, przebieg wydzielania ciepła i spalanie stukowe. Przy niesprzyjających warunkach wodór jako paliwo silnikowe ma skłonności do generowania tzw. „stuku" począwszy już od chwili jego zapłonu w komorze spalania silnika. Takim niesprzyjającym warunkiem w silniku wysokoprężnym jest wysoki stopień sprężania. Z drugiej strony efekt spalania stukowego można złagodzić spalając mieszankę palną przy dużym nadmiarze powietrza, co zostało zaobserwowane w silniku z zapłonem iskrowym zasilanym wodorem. Ponadto, współspalanie wodoru z olejem napędowym w silniku wysokoprężnym powinno przynieść korzyści w postaci zwiększenia sprawności indykowanej silnika, ze względu na przyśpieszenie procesu spalania oraz niższą emisję cząstek stałych PM ze względu na lepsze ujednorodnienie mieszanki palnej. Uzyskane przez autorów rezultaty skłaniają do kontynuacji badań w zakresie wykorzystania wodoru jako paliwa, nie tylko dla silnika z zapłonem iskrowym, ale również dla silnika z zapłonem samoczynnym, w którym zapłon inicjowany byłby pilotową dawką oleju napędowego.

EN

Hydrogen as an engine fuel has tendency to generate knock, which starts from ignition in a combustion chamber under unfavorable conditions. In the CI engine such the unfavorable condition is high compression ratio (CR). Anyway, knock effect should be reduced. Burning lean air-fuel mixture is the effective method to achieve combustion without knock. Furthermore, burning diesel with hydrogen should increase the engine indicated efficiency due to increase of a combustion speed, which can be expressed by the mass fraction burnt (MFB). Hydrogen addition should also reduce the PM emission in the exhaust. The experimental results of indicating a compression ignition (CI) direct injection engine, in which hydrogen with diesel was co-combusted, are presented in the paper. Hydrogen was delivered to the engine cylinder by an injector mounted on an intake manifold. Hydrogen was injected at amount in the range of 0 to few percent of its energy share in relation to the entire energy of both diesel and hydrogen doses. Investigation was performed for lean air-hydrogen-diesel combustible mixture. The experimental data analysis makes it possible to find several correlations as follows: mass fraction burnt (MFB), coefficient of variation of indicated mean effective pressure (COVpi) and combustion knock intensity with the hydrogen energy share. The results of investigation obtained by authors induce to continue research on hydrogen as fuel not only for the SI engine but also for the CI engine, where hydrogen would assist diesel or it would be considered as basic fuel ignited by a diesel pilot.

6

Hydrogen-diesel co-combustion anomalies in a CI engine

Grab-Rogaliński K., Szwaja S.

Journal of KONES

|

2008

|

Vol. 15, No. 3

163-170

PL

W artykule przedstawiono eksperymentalne wyniki z indykowania silnika wysokoprężnego z wtryskiem bezpośrednim oleju napędowego, w którym wodór współspalano z olejem napędowym. Wodór do silnika był doprowadzany przez urządzenie wtryskowe zamontowane na kolektorze dolotowym. Następnie poddano analizie przebiegi ciśnień podczas współspalania wodoru, którego udział energetyczny w całkowitej dawce paliwa wahał się od zera do kilkunastu procent. Pomiary przeprowadzono dla mieszanek ubogich. Analiza numeryczna danych eksperymentalnych pozwoliła uzyskać odpowiedzi na następujące zagadnienia: prędkość spalania, przebieg wydzielania ciepła i spalanie stukowe. Przy niesprzyjających warunkach wodór jako paliwo silnikowe ma skłonności do generowania tzw. "stuku" począwszy już od chwili jego zapłonu w komorze spalania silnika. Takim niesprzyjającym warunkiem w silniku wysokoprężnym jest wysoki stopień sprężania. Z drugiej strony efekt spalania stukowego można złagodzić spalając mieszankę palną przy dużym nadmiarze powietrza, co zostało zaobserwowane w silniku z zapłonem iskrowym zasilanym wodorem. Ponadto, współspalanie wodoru z olejem napędowym w silniku wysokoprężnym powinno przynieść korzyści w postaci zwiększenia sprawności indykowanej silnika, ze względu na przyśpieszenie procesu spalania oraz niższą emisję cząstek stałych PM ze względu na lepsze ujednorodnienie mieszanki palnej. Uzyskane przez autorów rezultaty skłaniają do kontynuacji badań w zakresie wykorzystania wodoru jako paliwa, nie tylko dla silnika z zapłonem iskrowym, ale również dla silnika z zapłonem samoczynnym, w którym zapłon inicjowany byłby pilotową dawką oleju napędowego.

EN

Hydrogen as an engine fuel has tendency to generate knock, which starts from ignition in a combustion chamber under unfavourable conditions. In the CI engine such the unfavourable condition is high compression ratio (CR). Anyway, knock effect should be reduced. Burning lean air-fuel mixture is the effective method to achieve combustion without knock. Furthermore, burning diesel with hydrogen should increase the engine indicated efficiency due to increase of a combustion speed, which can be expressed by the mass fraction burnt (MFB). Hydrogen addition should also reduce the PM emission in the exhaust. The experimental results of indicating a compression ignition (CI) direct injection engine, in which hydrogen with diesel was co-combusted, are presented in the paper. Hydrogen was delivered to the engine cylinder by an injector mounted on an intake manifold. Hydrogen was injected at amount in the range of 0 to few percent of its energy share in relation to the entire energy of both diesel and hydrogen doses. Investigation was performed for lean air-hydrogen-diesel combustible mixture. The experimental data analysis makes it possible to find several correlations as follows: mass fraction burnt (MFB), coefficient of variation of indicated mean effective pressure (COVpi) and combustion knock intensity with the hydrogen energy share. The results of investigation obtained by authors induce to continue research on hydrogen as fuel not only for the SI engine but also for the CI engine, where hydrogen would assist diesel or it would be considered as basic fuel ignited by a diesel pilot.

7

Statistical approach to characterize combustion knock in the hydrogen fuelled SI engine

Naber J. D, Szwaja S.

Journal of KONES

|

2007

|

Vol. 14, No. 3

443-450

EN

Combustion knock in a hydrogen fuelled engine has many different characteristic as compared to knock occurring in the gasoline engine. This is a result of differences in the gasoline and hydrogen combustion mechanisms which lead to knock. Hydrogen as the engine fuel is able to produce combustion knock of significant intensity. This intensity can be determined by measurements, which have been successfully applied for examining knock generated by the gasoline fuelled engine. This paper describes the engine test bed, in-cylinder pressure traces and methods for determining knock intensity. Further, the statistical approach for characterizing combustion knock is also presented. It concentrates on applications of several probability distributions for expressing individual knock intensity metrics of hydrogen port fuelled spark ignited engine. It is assumed that knock metrics for engine working cycles are considered as random variables. The knock metrics are based on the fluctuation component of the in-cylinder pressure traces sampled at 100 khz and are calculated for 300 consecutive engine working cycles. It was noticed that the knock metrics distribution profile changes as the knock intensity varies from light to heavy knock. In the paper, modelling of this knock distribution profile using several known stochastic distributions is also presented. Finally, usefulness of statistical distributions for characterizing combustion knock is shown.