تحقیقات موتور

تحقیقات موتور

خصوصیات فواره هیدروژن فشار بالا برای موتور احتراق داخلی از نظر مورفولوژی و نرخ جریان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
موسسه علوم و فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر، شورای تحقیقات ملی، ایتالیا
چکیده
سوختن سوخت‌های سنگواره‏‌ای در موتورهای احتراق داخلی که منجر به حجم عظیمی از گازهای گلخانه‌ای (GHG) و افزایش شدید دمای جهانی می‌شود، دلایل سختگیرانه‌تر شدن قوانین آلایندگی برای حفاظت از سلامت هستند که تحقیقات بیشتر در مورد سوخت‌های جایگزین را تشویق می‌کنند. در این راستا، هیدروژن به دلیل ماهیت کربن صفر آن، به عنوان یکی از سوخت‌های بالقوه پاک در نظر گرفته شده است. توسعة فعلی موتورهای احتراق داخلی مبتنی بر هیدروژن بر راهبرد تزریق مستقیم (DI) متمرکز است زیرا باعث می‌شود بازده موتور بهتری نسبت به تزریق سوخت در راهگاه داشته باشد. رفتار فواره سوخت یک جنبه اساسی از نسبت اختلاط هوا به سوخت درون استوانه است که بر فرآیند احتراق، عملکرد موتور و انتشار آلاینده‌ها تأثیر می‌گذارد. در مطالعه حاضر، بررسی‌های جامعی در مورد رفتار فواره هیدروژن تولید شده توسط یک افشانه گاز هیدروژن فشرده شده (CHG) تحت شرایط مختلف عملیاتی، انجام شد. یک سامانه اندازه‌گیری مناسب برای سوخت‌های گازی برای اندازه‌گیری نرخ جریان استفاده شد. ریخت‏‌شناسی فواره سوخت در یک مخزن با حجم ثابت پر از ازت به عنوان تابعی از فشار تزریق (تا 4.0 مگاپاسکال) و فشار برگشتی متفاوت در ظرف، از طریق اندازه‌گیری نفوذ فواره، کل مساحت و زوایای مخروط که وابستگی شدید به متغیرهای تنظیم شده را نشان می دهد مطالعه شد. روش تصویربرداری شلیرن حل شده با چرخه توسط دوربینی با سرعت تند برای پیگیری گسترش فواره استفاده شد، در حالی که تصاویر توسط یک روش ساخت خانگی پردازش ‌شدند، اجازه شناسایی خطوط فواره هیدروژن در گاز ازت و در نتیجه اندازه‌گیری متغیرهای اصلی مشخص کننده ساختار فواره فراهم شد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Characterization of High-pressure Hydrogen Jet for ICE in terms of Morphology and Flow-‎rates

نویسندگان English

Alessandro Montanaro
Luigi Allocca
Giovanni Meccariello
Institute of STEMS–CNR, Italy
چکیده English

The combustion of fossil-based fuels in ICEs, resulting in a huge amount of greenhouse gases (GHG) and leading to an immense global temperature rise, are the root causes of the more stringent emission legislations to safeguard health and that encourage further investigations on alternative carbon-neutral fuels. In this respect, the hydrogen has been considered as one of the potential clean fuels because of its zero-carbon nature. The current development of hydrogen-based ICEs focuses on the direct injection (DI) strategy as it allows better engine efficiency than the port fuel injection one. The behavior of the fuel jet is a fundamental aspect of the in-cylinder air-fuel mixing ratio, affecting the combustion process, the engine performances, and the pollutants emissions.In the present study, comprehensive investigations on the hydrogen jet behavior, generated by a Compressed Hydrogen Gas (CHG) injector under different operative conditions, were performed. A measuring system, suitable for the gaseous fuels, was used for measuring the flow rate. The fuel jet morphology was studied in a constant volume vessel filled with nitrogen as function of the injection pressure (up to 4.0 MPa) and different backpressure in the vessel, through the measurements of the jet penetrations, total areas, and cone angles showing a strong dependence from the set parameters. The cycle-resolved schlieren imaging technique by a high-speed camera was used to follow the jet spreads while the images were processed by a home-made procedure allowed to identify the contours of the hydrogen jet in the nitrogen gas and hence to measure the main parameters characterizing the jet structure.

کلیدواژه‌ها English

Hydrogen Injection
Direct Injection
Gaseous Fuel
[1] Bouckaert S, Pales AF, McGlade C, Remme U, Wanner B, Varro L, D'Ambrosio D, Spencer T. Net zero by 2050: A roadmap for the global energy sector. 2021.
[2] Dilara P. The future of clean cars in Europe: EU Green Deal and EURO 7. InSino-EU Workshop on New Emissions Standards and Regulations for Motor Vehicles 2021 Jan 25.
[3] Stępień Z. A comprehensive overview of hydrogen-fueled internal combustion engines: Achievements and future challenges. Energies. 2021 Oct 11;14(20):6504. doi: 10.3390/en14206504
[4] Manoharan Y, Hosseini SE, Butler B, Alzhahrani H, Senior BT, Ashuri T, Krohn J. Hydrogen fuel cell vehicles; current status and future prospect. Applied Sciences. 2019 Jun 4;9(11):2296. doi: 10.3390/app9112296
[5] Hosseini SE, Butler B. An overview of development and challenges in hydrogen powered vehicles. International journal of green energy. 2020 Jan 2;17(1):13-37. doi: 10.1080/15435075.2019.1685999
[6] Dougherty W, Kartha S, Rajan C, Lazarus M, Bailie A, Runkle B, Fencl A. Greenhouse gas reduction benefits and costs of a large-scale transition to hydrogen in the USA. Energy policy. 2009 Jan 1;37(1):56-67.
[7] Yip HL, Srna A, Chun Yin Yuen A, Kook S, Taylor RA, Heng Yeoh G, Medwell PR, Chan QN. A review of hydrogen direct injection for internal combustion engines: Towards carbon-free combustion. Appl. Sci. 2019, 9, 4842. doi: 10.3390/app9224842
[8] Verhelst S, Wallner T. Hydrogen-fueled internal combustion engines. Progress in energy and combustion science. 2009 Dec 1;35(6):490-527.
[9] Teoh YH, How HG, Le TD, Nguyen HT, Loo DL, Rashid T, Sher F. A review on production and implementation of hydrogen as a green fuel in internal combustion engines. Fuel. 2023 Feb 1;333:126525. doi: 10.1016/j.fuel.2022.126525
[10] Dash SK, Chakraborty S, Roccotelli M, Sahu UK. Hydrogen fuel for future mobility: Challenges and future aspects. Sustainability. 2022 Jul 6;14(14):8285. doi: 10.3390/su14148285
[11] Bekdemir C, Doosje E, Seykens X. H2-ICE Technology Options of the Present and the Near Future. SAE Technical Paper; 2022 Mar 29. doi: 10.4271/2022-01-0472
[12] Matthias NS, Wallner T, Scarcelli R. A hydrogen direct injection engine concept that exceeds US DOE light-duty efficiency targets. SAE International Journal of Engines. 2012 Aug 1;5(3):838-49.
[13] Mohammadi A, Shioji M, Nakai Y, Ishikura W, Tabo E. Performance and combustion characteristics of a direct injection SI hydrogen engine. International Journal of Hydrogen Energy. 2007 Feb 1;32(2):296-304. doi: 10.1016/j.ijhydene.2006.06.005
[14] Oikawa M, Ogasawara Y, Kondo Y, Sekine K, Takagi Y, Sato Y. Optimization of hydrogen jet configuration by single hole nozzle and high speed laser shadowgraphy in high pressure direct injection hydrogen engines. International Journal of Automotive Engineering. 2012;3(1):1-8.
[15] Yip HL, Srna A, Yuen AC, Kook S, Taylor RA, Yeoh GH, Medwell PR, Chan QN. A review of hydrogen direct injection for internal combustion engines: towards carbon-free combustion. applied sciences. 2019 Nov 12;9(22):4842. doi: 10.3390/app9224842
[16] Takagi Y., Mori H., Mihara Y., Kawahara N., Tomita E., “Improvement of thermal efficiency and reduction of NOx emissions by burning a controlled jet plume in high-pressure direct-injection hydrogen engines”, Int J Hydrogen Energy 2017; 42(41); 26114-26122, doi: 10.1016/j.ijhydene.2017.08.015
[17] Faizal M, Chuah LS, Lee C, Hameed A, Lee J, Shankar M. Review of hydrogen fuel for internal combustion engines. J. Mech. Eng. Res. Dev. 2019 Apr;42(3):36-46. doi: 10.26480/jmerd.03.2019.35.46
[18] Dober G, Hoffmann G, Piock WF, Doradoux L, Meissonnier G, Ouali E. An Efficient Path to Zero CO2 Powertrains–BorgWarner’s Hydrogen Injection Systems, in Internationales Wiener Motorensymposium, Vienna, Austria, 2022.
[19] Duronio F, De Vita A, Allocca L, Montanaro A, Ranieri S, Villante C. CFD numerical reconstruction of the flash boiling gasoline spray morphology. SAE Technical Paper; 2020 Sep 27. doi: 10.4271/2020-24-0010
[20] Montanaro A, Allocca L, De Vita A, Ranieri S, Duronio F, Meccariello G. Experimental and numerical characterization of high-pressure methane jets for direct injection in internal combustion engines. SAE Technical Paper; 2020 Sep 15. doi: 10.4271/2020-01-2124
[21] Allocca L, Montanaro A, Meccariello G, Duronio F. et al., “Under-Expanded Gaseous Jets Characterization for Application in Direct Injection Engines: Experimental and Numerical Approach, SAE Technical Paper 2020-01-0325, 2020 Apr 14. doi: 10.4271/2020-01-0325
[22] Pham Q, Chang M, Kalwar A, Agarwal AK, Park S, Choi B, Park S. Macroscopic spray characteristics and internal structure studies of natural gas injection. Energy. 2023 Jan 15;263:126055. doi: 10.1016/j.energy.2022.126055
دوره 70، شماره 4 - شماره پیاپی 73
مقالات انگلیسی
زمستان 1402
صفحه 27-39

  • تاریخ دریافت 29 اردیبهشت 1403
  • تاریخ بازنگری 19 خرداد 1403
  • تاریخ پذیرش 04 خرداد 1403