Article

Effect of Pilot Injection Timings on the Combustion Temperature Distribution in a Single-Cylinder CI Engine Fueled with DME and ULSD

Effet des réglages à l’injection sur la répartition de la température de combustion dans un moteur monocylindre à allumage par compression et alimenté avec du DME et du Diesel à ultra basse teneur en soufre

¹ Department of Mechanical Convergence Engineering, Graduate School of Hanyang University, Seoul 133791 – Republic of Korea
² National Institute of Environmental Research, Incheon 404170 – Republic of Korea
³ School of Mechanical Engineering, Hanyang University, 17 Haengdang-dong, Seongdong-gu, Seoul 133791 – Republic of Korea
e-mail: parks@hanyang.ac.kr

^* Corresponding author

Abstract

Many studies of DiMethyl Ether (DME) as an alternative fuel in Compression-Ignition (CI) engines have been performed. Although diverse DME engine research has been conducted, the investigation of combustion behavior and temperature distribution in the combustion engine has not progressed due to the fact that there is no sooting flame in DME combustion. In order to investigate the combustion characteristics in this study, the KIVA-3 V code was implemented to research various pilot injection strategies on a single-cylinder CI engines with DME and Ultra-Low-Sulfur Diesel (ULSD) fuels. The combustion distribution results obtained from the numerical investigation were validated when compared with the measurement of flame temperature behaviors in the experimental approach.

This study showed that long intervals between two injection timings enhanced pilot combustion by increasing the ambient pressure and temperature before the start of the main combustion. Different atomization properties between DME and ULSD fuels contributed to the formation of a fuel-air mixture at the nozzle tip and piston lip regions, separately, which strongly affected the temperature distribution of the two fuels. In addition, the pilot injection timing played a vital role in regard to ignition delay and peak combustion temperatures. Exhaust emissions, such as NO_x and soot, are related to the local equivalence ratio and temperature in the combustion chamber, also illustrated by the contrary result on a Φ (equivalence ratio) – T (temperature) map.

Résumé

De nombreuses études concernant le diméthyléther (DME) en tant que carburant alternatif dans des moteurs à allumage par compression (CI) ont été effectuées. Bien que différentes recherches sur les moteurs DME aient été réalisées, l’étude du comportement à la combustion et des répartitions de température dans le moteur à combustion n’a pas progressé du fait qu’il n’existe aucune flamme d’encrassement lors de la combustion du DME. Afin d’étudier dans le présent travail les caractéristiques de combustion, le code KIVA-3 V a été appliqué pour rechercher différentes stratégies d’injection pour des moteurs CI monocylindres avec comme carburants du DME et du Diesel à teneur en soufre ultra basse (ULSD). Les résultats obtenus dans l’étude numérique de la distribution de la combustion, ont été validés par rapport aux mesures de la température de flamme de l’approche expérimentale.

Cette étude a montré que de longs intervalles entre deux réglages de l’injection amélioraient la combustion en augmentant la pression ambiante et la température avant le début de la combustion principale. Différentes propriétés d’atomisation entre les carburants DME et ULSD ont contribué à la formation séparée du mélange combustible-air à la pointe du gicleur et dans des zones du piston, ce qui affecte fortement la répartition des températures des deux carburants. En outre, le réglage à l’injection a joué un rôle essentiel quant aux retards à l’allumage et aux pics de températures de combustion. Les émissions à l’échappement, tels que les NO_x et les suies, sont liées au rapport d’équivalence local et à la température dans la chambre de combustion, comme cela est illustré par un résultat contradictoire sur une cartographie Φ (rapport d’équivalence) – T (température).