hydrogen aspiration in a direct injection type diesel engine

8/3/2019 Hydrogen Aspiration in a Direct Injection Type Diesel Engine

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In t . I . Hydrogen Energy, Vol. 8, No. 7, pp. 549-555, 1983.Pr in ted in Great Br i ta in .0360-3199/83 $3.00 + 0.130P e r g a m o n P r es s L t d . 1983 In ternat ion al Associa t ion fo r Hydrog en Ene rgy .

H Y D R O G E N A S P I R A T I O N IN A D I R E C T IN J E C T I O N T Y P E D I E S E LE N G I N E - - I T S E F F E C T S O N S M O K E A N D O T H E R E N G I N E

P E R F O R M A N C E P A R A M E T E R SK . S . V A R D E a n d G . A . F R AM E

Department of Mechanical Engineering, Universi ty of Michigan-Dearborn, Dearborn, MI 48128, U.S.A.(Received for publ icat ion 23 November 1982)

A b s t r a c t - - A n experimental study was undertaken to investigate the possibili ty of reducing diesel particulates inthe exhaust by aspirating small quantit ies of gaseous hydrogen in the intake of a diesel engine. A single cylinder,di rect injection type diesel engine was used in the experiments. Hy drog en f low ra tes equivalent to about 10% o fthe tota l en ergy substant ial ly reduced smoke emissions a t part loads. A t the fu l l ra ted load, reduct ion in smokelevels was limited; this is believed to be due to the lower amounts of excess air available in the cylinder. It wasfound that the engine thermal eff ic iency was dependent on the po rt ion of hydrogen energy, ou t of the tota l inputenergy, suppl ied to the engine . There was no signif icant change in the hydrocarbon emissions but oxides ofnitrogen in the exhaust increased with an increase in hydrogen energy.

A /FE itOpeak

N O M E N C L A T U R Eair-fuel ratio (kg/kg)ra te o f hydrogen energy supply (KJ/s)rate to total energy supply (KJ/s)angle when peak pressure o ccurs (deg)fuel air eq uivalen ce ratio (q~ < 1 is lean)

I N T R O D U C T I O NH y d r o g e n h a s b e e n c o n s i d e r e d a s a f u e l f o r i n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e s s i n c e t h e e a r l y p a r t o f t h is c e n t u r yb u t o n l y i n r e c e n t y e a r s h a s t h e r e b e e n a s t r o n g , r e v i v e di n t e r e s t i n t h i s a r e a . H y d r o g e n h a s b e e n a d o p t e d t os p a r k i g n i t i o n e n g i n e s a s r e f l e c t e d i n l i t e r a t u r e i n d i c a t i n ga n u m b e r o f p r o j e c t s w h e r e h y d r o g e n h a s b e e n s u c -c e s s f u l l y u s e d i n e x p e r i m e n t a l v e h i c l e s p o w e r e d b ys p a r k i g n i t i o n e n g i n e s . B u t i n v e s t i g a t i o n s i n t o t h e u s eo f h y d r o g e n a s a p r i m a r y o r s u p p l e m e n t a r y f u e l f o rc o m p r e s s i o n i g n i t i o n e n g i n e s h a v e b e e n l i m i t e d d u e t ot h e h ig h a u t o i g n it i o n t e m p e r a t u r e o f h y d r o g e n , a ss h o w n i n T a b l e 1 . H e n c e , i g n it io n o f h y d r o g e n - a i rm i x t u r e b y c o m p r e s s i o n a l o n e i s g e n e r a l l y c o n s i d e r e dt o b e d i f f i c ul t [1 ] u n l e s s e n g i n e s w i t h v e r y h i g h c o m p r e s -s i o n r a t i o s a r e u s e d [ 2 ] . I n s o m e o f t h e r e c e n t s t u d i e s[ 3- -6 ] s e v e r a l r e s e a r c h e r s h a v e u s e d g l o w p l u g s , s p a r ka s s is t o r p i l o t i n j e c t i o n o f d i e s e l f u e l to a c h i e v e r e l i a b l ec o m b u s t i o n o f h y d r o g e n i n c o m p r e s s i o n i g n i t i o ne n g i n e s .M o s t o f th e s e s t u d i e s w e r e d i r e c t e d a t d e v e l o p i n g a n de v a l u a t i n g d i f f e r e n t m e t h o d s o f u s i n g h y d r o g e n i nc o m p r e s s i o n i g n i t i o n e n g i n e s . V e r y l it tl e w o r k h a s b e e nd o n e t o d e t e r m i n e i f t h e p r e s e n c e o f s m a l l q u a n t i t i e so f h y d r o g e n i n d i r e c t i n je c t i o n t y p e ( D I ) d i e s e l e n g i n e si n f l u e n c e p a r t i c u l a t e e m i s s i o n s i n t h e e x h a u s t .D u e t o h i g h e r c o m p r e s s i o n r a t i o , d i e s e l e n g i n e s h a v eh i g h e r t h e r m a l e f f i c i en c y t h a n s p a r k i g n i t i o n e n g i n e sa n d t h e r e a r e i n d i c a t io n s t h a t f u t u r e g e n e r a t i o n o f D I

d i e se l e n g i n e s w o u l d s h o w a t l e as t 1 0 % g a i n i n e f fi c ie n c yo v e r t h e i n d i r e c t i n j e c t i o n t y p e d i e s e l e n g i n e s [ 7 ] . T h ep e r f o r m a n c e o f a D I d i e s e l e n g i n e i s s t r o n g l y d e t e r -m i n e d b y t h e f u e l p r o p e r t i e s a n d b y t h e m a n n e r i nw h i c h f u e l i s i n t r o d u c e d i n t h e c o m b u s t i o n c h a m b e r ,w h i c h , i n tu r n , d e p e n d s o n t h e s p r a y c h a r ac t e r is t ic s a n dh o w w e l l t h e y a r e m a t c h e d w i t h t h e a i r m o t i o n i n t h ec y l in d e r . M a t c h i n g o f s p r a y w i t h t h e a i r m o v e m e n t o v e ra w i d e r a n g e o f e n g i n e o p e r a t i n g c o n d i t i o n s i s d i ff ic u lta n d h e n c e n a t u r a l l y a s p i r a t e d D I d i e s e l e n g i n e s e m i th i g h e r s m o k e l e v e l s t h a n a n i n d i r e c t i n j e c t i o n t y p e a tt h e c o r r e s p o n d i n g o p e r a t i n g c o n d i t i o n s [ 7 ] .T h e c h e m i c a l k i n e t i c s o f t h e f o r m a t i o n a n d b u r n i n go f s o o t i n a d i e se l c o m b u s t i o n p r o c e s s i s h i g h l y c o m p l e xa n d t h e r e i s l im i t e d u n d e r s t a n d i n g o f t h e b a s ic p r o c e s s e si n v o l v e d i n i t s c h e m i s t r y . A t p r e s e n t , i t i s c o n s i d e r e dt h a t a i r - f u e l r a t i o s , t e m p e r a t u r e a n d r e s i d e n c e t i m em a y b e o n l y s o m e o f t h e f a c t o r s t h a t i n f l u e n c e t h ea m o u n t o f s m o k e i n a d i e s e l e x h a u s t [8 , 9 ]. E x p e r i -m e n t a l e v i d e n c e i n d i c a t e s t h a t o x y g e n , i n s u f f i c i e n tq u a n t i t y , s u p p r e s s e s s o o t f o r m a t i o n . S u c h r e d u c t i o n o fs m o k e e m i s s i o n m a y o c c u r e i t h e r b y i n t e r f e r i n g w i t ht h e p o l y m e r i z a t i o n p r o c e s s o r b y d i r e c t l y b u r n i n g s o o tp a r t ic l e s i n t h e p r e s e n c e o f s u f fi c ie n t ly h i g h t e m p e r a t u r e

Table 1. Comparison of fuel propertiesHydrogen Diese l

Density at ambient (kg/m 3) 0.081 824Flammabi l i ty in a i r (% by vol .) 4-75 - -Stoichiometric A /F (mass) 34.3 14.9H eat of combust ion ( lower, MJ~kg) 119.98 42.36Auto-ignition temperature (k) 845.1 524.5Maximum flame speed (m/s) 2 .92 0.3854 9


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55 0[ 1 0 , 1 1 ]. I t is a l s o c o n s i d e r e d t h a t O H r a d i c a l s m a y h e l pt o r e m o v e s o o t o n o n e h a n d b u t t h e y a l s o p l a y a ni m p o r t a n t r o l e i n t h e d e h y d r o g e n a t i o n p r o c e s s w h i c hl e a d s t o s o o t f o r m a t i o n . I t w o u l d a p p e a r t h a t t h e p r e s -e n c e o f s m a l l q u a n ti t ie s o f g a s e o u s h y d r o g e n , w h i c h h a sh i g h e r f l a m e te m p e r a t u r e a n d w i d e r f la m m a b i li t y l im i t s,m a y h e lp t o b u r n p a r t o f th e s o o t f o r m e d e a r l y in t h ec o m b u s t i o n p r o c e s s . A t h i g h l o a d s w h e r e f u e l s p r a ym a y p e n e t r a t e n e a r t h e p e r i p h e r y o f t h e c y l in d e r w a ll s ,p r e s e n c e o f g a s e o u s h y d r o g e n m a y h e lp t o b u r n c a r b o nf o r m e d i n t h a t r e g i o n . S a m p l i n g o f c o m b u s t i o n g a s e si n t h e c y l i n d e r o f a D I d i e s e l e n g i n e h a s s h o w n s o o tl e v e l s n e a r t h e w a l l s t o b e h i g h e r t h a n e x p e c t e d [ 1 1 ] .S o m e o f t h e e a r l i e r w o r k d o n e o n f u m i g a t i n g s m a l la m o u n t s o f v o l a t i l e f u e l s t o t h e i n t a k e a i r o f d i e s e le n g i n e i n d i c a t e d t h a t e x h a u s t s m o k e l e v e l s c a n b er e d u c e d b y s u c h a n a p p r o a c h [ 1 2 ] .T h e m a i n a i m o f t h i s i n v e s t i g a t i o n w a s t o d e t e r m i n ei f s m a l l q u a n t i t ie s o f g a s e o u s h y d r o g e n s u p p l i e d d u r i n gt h e i n t a k e p r o c e s s c a n h e l p t o r e d u c e s m o k e g e n e r a t e db y a D I d i e s e l e n g i n e . T h e s t u d y a l s o c o n s i d e r e d t h ee f f e c t s o f s u c h h y d r o g e n f u m i g a t i o n o n t h e e m i s s i o n so f o xi d es o f n i t r o g e n ( N O x ) , u n b u r n e d h y d r o c a r b o n s( H C ) a n d o t h e r c o m b u s t i o n r e l a t e d p r o b l e m s .

E X P E R I M E N T A LApparatus

A s i n g le c y l i n d e r , n a t u r a ll y a s p i r a t e d , f o u r s t r o k e D Ie n g i n e w a s u s e d i n t h i s s t u d y . T h e e n g i n e h a d a b o r eo f 8 4 m m , a s t r o k e o f 7 8 m m a n d a c o m p r e s s i o n r a t ioo f 1 7 . 4 . T h e f u e l i n j e c t i o n s y s t e m o f t h e e n g i n e c o m -p r i s e d o f a p l u n g e r t y p e p u m p w i t h a n i n j e c t o r h a v i n gt h r e e s p r a y h o l e s , e a c h 0 . 2 5 m m i n d i a m e t e r . T h e i n j e c -t i o n n e e d l e l if t p r e s s u r e w a s s e t a t 2 0 M P a .D i e s e l f u e l N o . 2 ( c e t a n e N o . 4 4 - 4 6 ) w a s s u p p l i e dt o t h e i n j e c t i o n s y s t e m w h i l e h y d r o g e n g a s o f 9 9 . 9 5 %p u r i t y w a s f e d to t h e i n t a k e m a n i f o l d , a b o u t 1 0 c m f r o mt h e i n l e t v a l v e . H y d r o g e n f l o w r a t e w a s c o n t r o l l e d b ya f i n e m e t e r i n g v a l v e a n d t h e f l o w r a t e w a s m e a s u r e db y a c a l i b r a t e d f l o w m e t e r m a i n t a i n e d a t a c o n s t a n tt e m p e r a t u r e o f 2 5 C . A n a i r - c o o l e d p r e s s u r e t r a n s -d u c e r w a s i n s t a l l e d i n t h e c y l i n d e r h e a d ; t h e o u t p u t o ft h e t r a n s d u c e r - a m p l i f i e r s y s t e m w a s d i s p l a y e d o n as t o r a g e o s c i l l o s c o p e a l o n g w i t h t h e t i m i n g m a r k s g e n -e r a t e d b y t h e f l y w h e e l . T h e f u e l i n j e c t i o n t i m i n g w a sk e p t c o n s t a n t , a t 2 2 B T D C , i n a ll t h e s e e x p e r i m e n t s .S a m p l e s o f e x h a u s t g a s w e r e w i t h d r a w n a t b o u t 1 5 c md o w n s t r e a m f r o m t h e e x h a u s t v a l v e a n d w e r e s u p p li e dt o a c h e m i l u m i n e s c e n t N O - N O x a n a l y s e r a n d a f l a m ei o n i z a t i o n H C d e t e c t o r . I n a d d i t i o n , a B o s c h s m o k em e t e r w a s u s e d t o m e a s u r e s m o k e l e v e ls in t h e e x h a u st T h e p r e s s u r e o f t h e e x h a u s t g a s f r o m t h e e n g i n e w a sr e d u c e d t o n e a r a t m o s p h e r i c b e f o r e s u p p l y i n g t o t h es m o k e m e t e r . T h e p r o b e f r o m t h e s m o k e m e t e r w a sl o c a te d a b o u t 3 0 c m d o w n s t r e a m f r o m t h e e x h a u s tv a l v e .

K . S. V A R D E A N D O . A . F R A M EMethods

T w o d i f f e r e n t t y p e s o f t e s t s w e r e c o n d u c t e d d u r i n gt h is i n v e s t i g a t i o n . I n t h e f ir s t s e t h y d r o g e n f l o w r a t e w a sm a i n t a i n e d c o n s t a n t w h i l e t h e d i e s e l fu e l f l o w r a t e w a si n c r e a s e d t o i n c r e a s e t h e e n g i n e o u t p u t a t c o n s t a n te n g i n e s p e e d .I n t h e s e c o n d s e t t h e e n g i n e w a s a g a i n r u n a t ac o n s t a n t s p e e d o f 4 0 r e v /s b u t t h e h y d r o g e n f l o w r a t ew a s v a r ie d . I n t h e s e t e s ts t w o i n it ia l l o a d s , c o r r e s p o n d -i n g t o z e r o h y d r o g e n f l o w r a t e , w e r e s e l e c t e d : f u ll r a t e dl o a d o f t h e e n g i n e a n d 8 2 % o f th e f u ll r a t e d l o a d . T h e r ew e r e s o m e v a r i a t i o n i n t h e e n g i n e o u t p u t a s d i f f e r e n th y d r o g e n r a t e s w e r e s u p p l i e d t o t h e e n g i n e . A t t h e f u llr a t e d l o a d t h e a i r - f u e l r a t i o i n t h e e n g i n e w i t h d i e s e lf u e l o p e r a t i o n a l o n e , w a s t y p i c a l l y 1 6 . 5 . A s h y d r o g e nf l o w r a t e w a s i n c r e a s e d , t h e r e w a s s o m e r e d u c t i o n i na i r f lo w r a te . T h i s w o u l d h a v e l o w e r e d t h e a i r - f u e l r a t i of o r t h e d i e s e l f u e l a l o n e h a d t h e l a t t e r f l o w r a t e b e e nk e p t c o n s t a n t . I n o r d e r t o m a k e c o m p a r i s o n o f p a r t i -

c u l a t e e m i s s i o n m e a n i n g f u l , d i e s e l f u e l f l o w r a t e w a sa d j u s te d s o th a t t h e e n g i n e p r o d u c e d m a x i m u m t o r q u ea t t h e c o n s t a n t s p e e d . T h u s , a t f u l l r a t e d l o a d , t h e r ew a s a s m a l l i n c r e a s e i n t h e r a t i o o f t o t a l m a s s o f a i r t ot h e t o t a l m a s s o f d i e se l f u e l. B u t t h e e q u i v a l e n t a i r - f u e lr a t io , b a s e d o n t h e t o t a l e n e r g y e q u i v a l e n t t o t h e d i e s e lf u e l e n e r g y , e i t h e r r e m a i n e d c o n s t a n t o r d e c r e a s e d a st h e h y d r o g e n f l o w r a t e w a s i n c r e a s e d . T h e m a x i m u mh y d r o g e n f l o w r a te s u s e d i n t hi s s e t o f te s t s c o m p r i s e da b o u t 1 4 % o f th e t o t a l e n e r g y a t f u ll ra t e d l o a d a n da b o u t 1 7 % a t 8 2 % f u l l r a t e d l o a d .R E S U L T S A N D D I S C U S S IO N S

G e n e r a l l y t h e e n g i n e p e r f o r m a n c e a n d c o m b u s t i o nr e l a te d p h e n o m e n a s h o w e d s i m i la r p a t te r n s a t b o t h t hee n g i n e s p e e d s , 4 0 a n d 3 5 r e v /s . H e n c e , m o s t o f t h er e s u lt s s h o w n i n t hi s p a p e r a r e f o r 4 0 r e v /s e n g i n e s p e e d ;3 5 F

~ , . . o ( I ) j ~ . , , ( 2 1._~

E E n g i n e s p e e d : 4 0 r e v / s' - I n j . T i m i n g : 2 2 B T D C= =-,-, e ~ e I 0 0 % r o t e d t o o d

m= ' -~ 8 2 % r a t e d t o a d

25 ~ I ~ II0 20

P e r c e n t o f h y d r o g e n e n e r g y to t o t o t e n e r g y ,

Fi g . 1 . E ng i ne speed 40 r ev / s , i n j ec t i on t i mi ng 22B TD C . (1 )1 0 0 % r a t e d l o a d , ( 2 ) 8 2 % r a t e d l o a d .


3/7

,532

E

m

H Y D R O G E N A S P I R A T I O N IN D I R E C T - IN J E C T I O N D I E S E L E N G I N E4 0 - - ( I )

2 0 _ ~ / ' ~ H y d r o g e n f l o w r a t e s~ e ~ , , 0~ ' o------o 1.65 KJ Is~ ' ~ ~'---~ 0.65 KJ/sEnginespeed: 40 rev/s

I 0

I n j . T im i n g : 2 2 * B T D C1 I I I I0 ~ 2 3 4 5

B r a k e p o w e r , K WFig. 2. Engine speed 40 rev/s, injection timing 22BTD C.Hy drog en energy f low ra tes ( I) 0 , (2) 1.65 KJ/s, (3) 0.65IO/st h e a n a l y s i s p e r t a i n i n g t o t h e r e s u l t s a t 4 0 r e v / s c a n b ee a s il y e x t e n d e d t o t h e e n g i n e p e r f o r m a n c e a t 3 5 r e v/ s .T h e e f f e c t s o f h y d r o g e n a s p i r a t i o n o n t h e e n g i n eb r a k e t h e r m a l e f f i c ie n c y a re s h o w n i n F i g . 1 . I n g e n e r a l ,t h e e f f i c ie n c y s te a d i ly i n c r e a s e d a s t h e p o r t i o n o f h y d r o -g e n e n e r g y i n c r e a s e d a t b o t h t h e p o w e r l e v e l s . A t t h el o w e s t h y d r o g e n f u e l l i n g r a t e , t h e e n g i n e e f f i c i e n c ye i t h e r d e c r e a s e d o r r e m a i n e d a l m o s t c o n s t a n t r e l a t i v et o th e b a s e l in e o p e r a t i o n , i . e . w h e n n o h y d r o g e n w a ss u p p l i e d t o e n g i n e . T h e p r e m i x e d h y d r o g e n f u e l t o a i re q u i v a l e n c e r a t i o s ( q~ ) a t t h e s e f u e l l in g r a t e s w e r ee x t r e m e l y l o w , t y p ic a ll y 0 - 0 . 0 3 , w h i c h m a y h a v ec a u s e d t h e f u e l t o b u r n i n a v e r y e r r a t ic m a n n e r . C o m -b u s t i o n o f h y d r o g e n a i r m i x t u r e s a t s u c h l o w h y d r o g e nf u e l c o n c e n t r a t i o n s i s d e p e n d e n t o n t h e l o c a l t e m p e r a -t u r e a r o u n d p a r c e l s o f f u e l m i x t u r e s ; h i g h e r t e m p e r a -t u r e i n t h e c o m b u s t i o n c h a m b e r c a n t h u s a i d in b u r n i n gv e r y l e a n m i x t u r e s o f h y d r o g e n . A t 8 2 % f u l l l o a d , t h eo v e r al l te m p e r a t u r e i n t h e c o m b u s t i o n c h a m b e r i s l o w e r

o)

o. 8

/ / \ - : /\ ,

E n g i n e s p e e d : 4 0 r e v / s 2T n j . T i m i n g : 2 2 B T D CF u l l r a t e d l o a d

l I iI0 2 0P e r c e n t o f h y d r o g e n e n e r g y to t o t a l e n e r g y ,

E H / E t

6

t ~

4 ~ ( j

F--

Fig. 3. Engine speed 40 rev/s, injection timing 22BTDC, fullra ted load.

551t h a n f u l l r a t e d l o a d o p e r a t i o n . A s a r e s u l t , m i x t u r e sc o n t a in i n g v e r y lo w h y d r o g e n c o n t e n t w o u l d b u r n b e t te ra s f u ll ra t e d l o a d t h a n a t p a r t l o a d o p e r a t i o n . T h i s m a yb e t h e r e a s o n w h y t h e b r a k e t h e r m a l e f f c i e n c yd e c r e a s e d , r e l a t i v e t o t h e b a s e l i n e o p e r a t i o n , w h e nh y d r o g e n f u m i g a t io n r a t e w a s l ow .T h a t t h e r a t e o f h y d r o g e n e n e r g y s u p p l y c a n a l te r t h ee n g i n e t h e r m a l e f f i c i e n c y c a n b e s e e n i n F i g . 2 . W h e nt h e r a t e w a s 0 . 6 5 K J / s t h e r e s u l t i n g e f f i c i e n c y w a s c o n -s i s t e n t l y l o w e r t h a n t h e b a s e l i n e v a l u e . O n t h e o t h e rh a n d i n c r e a s i n g t h e r a t e t o 1 . 6 5 K J / s r e s u l t e d i n h i g h e rt h e r m a l e f f i c i e n c y o v e r a l l t h e l o a d r a n g e . S i m i l a r r e s u lt sw e r e o b s e r v e d a t 3 5 re v / s e n g i n e s p e e d . T h e d e p e n d e n c eo f t h e rm a l e f fi c ie n c y o n t h e p o r t i o n o f h y d r o g e n e n e r g ys u p p l i e d t o t h e e n g i n e h a s a l s o b e e n o b s e r v e d i n a n o t h e ri n v e s t i g a t i o n u s i n g d i e s e l e n g i n e [ 6 ] . I t m a y a p p e a r t h a tt h e e n g i n e e f f ic i e n c y c a n b e i m p r o v e d b y i n c r e a s in g t h ep e r c e n t a g e o f h y d r o g e n e n e r g y . B u t t h e r e s u l t s a t f u l lr a t e d l o a d i n d i c a t e t h e p o s s i b i l i t y o f e i t h e r l e v e l l i n g o f fo r a d e c r e a s e i n t h e e f f i c ie n c y cu r v e f o r f u r t h e r i n c r e a s ei n h y d r o g e n f l o w . A p r o b l e m o f p r a c t i c a l i m p o r t a n c ei n a h y d r o g e n f u m i g a t e d d i e s el e n g i n e i s t h e m a g n i t u d eo f p e a k c y l i n d e r p r e s s u r e a n d t h e k n o c k i n g a s s o c i a t e dw i t h t h e h i g h r a t e s o f p r e s s u r e r i s e . F i g u r e 3 s h o w s h o wp e a k c y l i n d e r p r e s s u r e a n d t h e c r a n k a n g l e w h e n p e a kp r e s s u r e o c c u r s a r e i n f l u e n c e d b y t h e p o r t i o n o f t h e .h y d r o g e n e n e r g y i n t h e m i x t u re . P e a k p r e s s ur ei n c r ea s e d s h a r p ly b e y o n d a b o u t 1 1 % o f h y d r o g e n i n th em i x t u r e a t f u l l r a t e d l o a d . A t t h e s a m e t i m e , t h e t i m ef o r th e o c c u r a n c e o f p e a k p r e s s u re d e c r e a s e d f r o m t h eb a s e l i n e v a l u e , r e s u l t i n g i n h i g h r a t e o f p r e s s u r e r i s ea n d d e t e c t a b l e k n o c k i n g .A c o u s t i c n o i s e l e v e l s w e r e m e a s u r e d i n t h e t e s t c e l la t t w o d i f f e r e n t l o c a t i o n s , a b o u t t w o m e t e r s , f r o m t h ee n g i n e . T h e s e m e a s u r e m e n t s s h o w e d a s h a r p i n c r e a s ei n t h e l e v e l w h e n t h e f u e l m i x t u r e c o n t a i n e d m o r e t h a n1 1 % o f h y d r o g e n e n e r g y , a s s h o w n i n F i g . 4 . I t i si n t e re s t i n g t h a t t h e p e a k c y l i n d e r p r e ss u r e s f o r m i x t u re sc o n t a i n i n g l e s s t h a n 6 % h y d r o g e n e n e r g y w a s h i g h e rt h a n t h e b a s e l i n e v a l u e b u t i t o c c u r e d l a t e s o t h a t t h ea v e r a g e r a t e o f p r e s s u r e r i s e w a s a l m o s t t h e s a m e a s f o rt h e b a s e l i n e o p e r a t i o n .L a t e o c c u r e n c e o f p e a k c y l i n d e r p r e s s u r e a t l o w r a t e so f h y d r o g e n e n e r g y s u p p l y i s b e l i e v e d t o b e d u e t od e l a y e d b u r n i n g o f h y d r o g e n i n t h e c o m b u s t i o n

I 1 0 - - E n g in e s p ee d : 4 0 r e v / sT n j . T i m i n g : 2 2 B T D Cm F U l l r a t e d l o a d -o I o 5 / . /.~ , o o o ~ ' J

I0 2 0P e r c e n t o f h y d r o g e n e n e r g y to t o t a l e n e r g y ,

Fig. 4. Engine speed 40 rev/s, injection timing 22BTDC, fullra ted load.


4/7

55 2

TOx..@o

E(D

bJ

1.0

0 6

0.2

K . S . V A R D E A N D G . A . F R A M E( I )/ : 7 ;

1 0 0 % r a t e d t o a d& 8 2 % r a t e d t o a dE n g i n e s p e e d : 4 0 r e v / sI n j . T i m i n g : 2 2 B T D CI I I

I 0

6 0 0

50 0

~ . 0 020

Percent of hydrogen energy to total energy,

t_)

5 --

EoLn3t~a~>

IM

Fig. 5. Engine sp eed 40 rev/s, injection timing 22BTD C. (1)100% rated load, (2) 82% rated load.

. ' - ~ . o / ( ) )

oJ..,o )EU )) - e - - e 1 0 0 % r a t e d t o a d: 8 2 % r a te d L oa d

E n g i n e s p e e d : 4 0 r e v / sT n j . T i m i n g : 2 2 + B T D CI I I I0 I 0 20

P e r c e n t o f h y d r o g e n e n e r g y t o t o t a l e n e r g y ,~ ' H / E tFig. 6. Engine speed 40 rev/s, injection timinig 22BTDC. (1)100% rated load, (2) 82% rated load.

c h a m b e r . A s s t a t e d e a r l i e r , t h e e q u i v a l e n c e r a t i o s f o rt h e p r e m i x e d h y d r o g e n - a i r m i x t u r e s u s e d i n t h i s s t u d yw e r e l e a n e r t h a n t h e l e a n f l a m m a b i l i ty l im i t f o r h y d r o -g e n a t a m b i e n t c o n d i t i o n s . T h u s , a l l t h e h y d r o g e ni n d u c t ed i n t o t h e c y l i n d e r m a y n o t b u r n c o m p l e t e ly o rm a y b u r n l a te d u r i n g t h e e x p a n s i o n p r o c e s s . T h i se x p l ai n s p a r t l y w h y t h e t h e r m a l e f f ic i e n c y a t p a r t l o a d sw a s l o w e r t h a n t h e b a s e l i n e v a l u e w h e n t h e h y d r o g e nf u el li n g r a t e w a s lo w . N o m e a s u r e m e n t o f h y d r o g e nc o n c e n t r a t i o n i n t h e e x h a u s t w a s m a d e b u t t h e e x h a u s tg a s t e m p e r a t u r e , m e a s u r e d w i t h a c a l i b r a te d t h e r m o -c o u p l e p r o b e , i n d i c a t e d t h e p o s s i b i li t y o f l a te b u r n i n gw h e n t h e h y d r o g e n e n e r g y s u p p l y w a s l o w , a s s h o w ni n F i g . 5 . C o m p a r i s o n o f F i g s . 3 a n d 5 s h o w s t h a t t h em i n i m u m e x h a u s t t e m p e r a t u r e s w e r e o b t a i n e d w h e nt h e t i m e f o r t h e o c c u r e n c e o f t h e p e a k c y l i n d e r p r e s s u r ew i t h h y d r o g e n w e r e a l m o s t i d e n t i c a l t o t h e b a s e l i n ev a l u e . I n c r e a s in g t h e p o r t i o n o f h y d r o g e n in c r e a s e d t h ee x h a u s t t e m p e r a t u r e d u e t o r a p i d c o m b u s t i o n a n dh i g h e r f l a m e t e m p e r a t u r e f o r h y d r o g e n f o r a g i v e ne q u i v a l e n c e r a t i o . F i g u r e 5 a l s o s h o w s t h e v a r i a t i o n o f@ f o r t h e p r e m i x e d h y d r o g e n - a i r m i x t u re s . T h e e q u iv -a l e n c e r a t i o s f o r l o w h y d r o g e n f l o w r a t e s w e r e l o w e rt h a n t h e c o r r e s p o n d i n g v a l u e f o r t h e l e a n f l a m m a b i l i t yl i m i t s o f h y d r o g e n a t t h e a m b i e n t c o n d i t i o n s .T h e e f f e c t s o f h y d r o g e n f u m i g a t i o n o n t h e e x h a u s ts m o k e l e v e l s a t 4 0 r e v /s a r e s h o w n i n F ig . 6 . F o r b o t ht h e l o a d s t h e s m o k e l e v e ls s t a rt t o d e c r e a s e a s h y d r o g e nc o n t e n t i s i n c r e a s e d u p t o a p o i n t ; f u r t h e r i n c r e a s e i nh y d r o g e n w a s f o u n d t o a d v e r s e l y a f f e c t t h e s m o k ed e n s i t y . A t p a r t l o a d , r e d u c t i o n i n s m o k e l e v e l s w a sm u c h h i g h e r t h a n a t fu ll lo a d o p e r a t i o n . A s t h e h y d r o -g e n f l o w r a te w a s i n c r e a s e d , t h e f l o w ra t e o f a ir i n d u c t e di n t o t h e c y l i n d e r d e c r e a s e d s l i g h t l y a t t h e f u l l r a t e dl o a d . A s m a l l r e d u c t i o n i n a i r - f l o w r a t e w o u l d n o t b et o o s e v e r e a t p a r t l o a d s b u t a t f u l l l o a d , w h e r e a i r

u t i l iz a t i o n i s a c r i t ic a l f a c t o r i n a D I d i e s e l e n g i n e , i t isc e r t a i n l y u n d e s i r a b l e . T h i s m a y b e t h e r e a s o n w h ys m o k e d e n s i t y d e c r e a s e d s u b s t a n t i a ll y a t p a r t l o a d s t h a na t f u l l r a t e d l o a d [ 1 0 ] .T h e k i n e t i c s i n v o l v e d i n t h e f o r m a t i o n a n d b u r n i n go f s o o t i n a d i e se l c o m b u s t i o n p r o c e s s i s hi g h ly c o m p l e xa n d t h e r e is li m i t e d u n d e r s t a n d i n g o f t h e c h e m i s t r yi n v o l v e d in th e s e p r o c e s s e s . H o w e v e r , i t h a s b e e n s h o w nt h a t s m o k e l e v e l s o f l i q u i d h y d r o c a r b o n s d e c r e a s e a sH / C r a t i o o f t h e f u e l is i n c r e a s e d [ 1 3, 1 4 ]. A l t h o u g hg a s e o u s h y d r o g e n s u p p l i e d t o t h e e n g i n e w i l l n o t s h o wt h e s a m e c h e m i c a l b e h a v i o r a s t h a t c o n t a i n e d i n a l iq u i dh y d r o c a r b o n m o l e c u le , h y d r o g e n f u m i g a t io n i n c r e a s e dt h e o v e r a l l H / C r a t i o i n t h e c y l i n d e r . S u c h a n i n c r e a s ea p p e a r s t o r e s u l t i n s o o t r e d u c t i o n . I t i s a l s o p o s s i b l et h a t p r e s e n c e o f h y d r o g e n i n h ib it s d e h y d r o g e n a t i o n a n dp o l y m e r i z a t i o n s t e p s e s s e n t i a l i n s o o t f o r m a t i o n m e c h -a n i s m . B u t t h is d o e s n o t e x p l a in w h y s m o k e l e ve l s w e r ea d v e r s e l y a f f e c t e d w h e n t h e h y d r o g e n e n e r g y s u p p l yw a s i n c r e a s e d u n l e s s t h e d i e s e l f u e l w a s d e p r i v e d o fs u f f i c i e n t o x y g e n b y t h e c o m b u s t i o n o f h y d r o g e n f u e l .T o i n v e s t i g a t e t h i s , a i r - f u e l r a t i o s f o r t h e d i e s e l f u e la l o n e w e r e e s t im a t e d o n t h e a s s u m p t i o n t h a t h y d r o g e nf u e l b u r n e d i m m e d i a t e l y a f t e r i g n i ti o n d e l a y a t t h e r i c ho r t h e l e a n f l a m m a b i l i t y li m i ts , s h o w n i n T a b l e 1 . T h ev a l u es o f t h e a i r - f u e l r a t io s t h u s c a l c u l a t e d a r e s h o w ni n F i g . 7 f o r t h e t w o e n g i n e o u t p u t s . I t is a p p a r e n t t h a ti f a l l t h e h y d r o g e n w e r e t o b u r n a t t h e l e a n l i m i t , t h ed i e s e l a i r - f u e l r a t i o w o u l d d e c r e a s e s h a r p l y w i t h a ni n c r e as e i n h y d r o g e n f l o w ra t e . T h i s s h o u l d r e s u l t in as h a r p i n c r ea s e i n s m o k e d e n s i t y w i t h s o m e d e g r a d a t i o ni n t h e e n g i n e e f f i c i e n c y . O n t h e o t h e r h a n d , i f a l l t h eh y d r o g e n w e r e t o b u r n a t t h e r i c h l i m i t , f u l l l o a d a i r -f u e l ra t i o s f o r t h e d i e s e l f u e l w o u l d b e a l m o s t c o n s t a n td u e t o s m a l l v a r i a t i o n s i n d i e s e l f u e l f l o w r a t e . A t p a r tl o a d o p e r a t i o n w h e r e t h e e x c e s s a i r ra t i o w a s r e l a ti v e ly


5/7

H Y D R O G E N A S P I R A T I O N IN D I R E C T -I N J E C T IO N D I E SE L E N G I N E

3 I ~ . - - - ~ " ~ " ~ ( 2 )

2 o i - ~ ( I )

bo ~ % ~ ( 2 1 ~ 1001, ra ted t o a d l ' N ,8 2 % r a t e d L o a d - - E n g in e sp e e d : 4 0 r e v / sE n j , T i m i ng : 22 B TD C % ( I ]I I

I 0 2 0P erc en t o f hy d rogen ene rg y to t o t a l ene rgy ,

- - 3 0

20

I0

E

go

. oBo=LL

F ig . 7 . En g in e sp e ed 4 0 r ev / s , i n jec t i o n t im in g 22 BTDC. ( 1)1 0 0 % ra t ed l o ad , ( 2 ) 8 2% ra t ed l o ad .

2 5 - - ( )55 3

45

( I ] /

-, i!2o-g ~ m~ 15 - 35 Ec n \ E ng i ne s peed : 40 re v / s m\ T Ini . Tming: 22 BTDC~ / e ~ I 0 0 % ra te d Load", 82 % ra ted Load

= o I l l I 3 04 2 0 4 6 0 5 0 0 5 4 0 5 8 0 6 0 0

E x h a u s t t e m p e r a t u r e , * CF ig. 8 . En g in e sp eed 4 0 r ev / s , i n jec t i o n t im in g 22 BTDC. ( 1 )1 0 0 % ra t ed l o ad , ( 2 ) 8 2% ra t ed l o ad .

h i g h e r t h a n a t f u l l l o a d , c a l c u l a t e d a i r - f u e l r a t i o si n c r e a s e d p a r t i c u l a r l y a t h i g h h y d r o g e n f l o w r a t e s ; y e tt h e s m o k e l e v e l s s h o w e d a r e v e r s e d t r e n d .T h e c o m b u s t i o n o f h y d r o g e n i n t h e e n g i n e c a n ta k ep l a c e e v e n b e y o n d t h e f l a m m a b i l i t y l i m i t s s h o w n i nT a b l e 1 d u e t o h i g h t e m p e r a t u r e s i n t h e c o m b u s t i o nc h a m b e r . S t u d i e s i n E g e r t o n [ 1 5 ] h a v e s h o w n t h a t t h el e a n l i m i t f o r h y d r o g e n - a i r c a n c h a n g e d e p e n d i n g o nt h e m i x t u r e t e m p e r a t u r e ; i t w a s i n d i c a t e d t h a t t h e f in a lf l a m e t e m p e r a t u r e s h o u l d b e a t l e as t 1 0 0 0 K f o r t h em i x t u r e t o s u s t a i n c o m b u s t i o n . A s t h e m i x t u r e t e m -p e r a t u r e p r i o r t o i t s c o m b u s t i o n i n c r e a s e s t h e f l a m m -a b i l i t y l i m i t s w i l l b e e x t e n d e d a c c o r d i n g l y . T h u s t h eo v e r a l l a i r - f u e l r a t i o s f o r t h e d i e s e l f u e l m a y b e q u i t ed i f f e r e n t t h a n t h o s e s h o w n i n F i g . 7 .T h e r e a r e i n d i c a t io n s t h a t t h e t e m p e r a t u r e o f g a s e si n s i d e t h e c o m b u s t i o n c h a m b e r h a s s o m e i n f l u e n c e o nt h e a m o u n t o f s o o t g e n e r a t e d [9 ]. G e n e r a l l y , h i g ha v e r a g e c y l i n d e r g a s t e m p e r a t u r e c a n b e e x p e c t e d w h e nt h e e x h a u s t g a s t e m p e r a t u r e i s l o w . F i g u r e 8 c o r re l a t e st h e e x h a u s t g a s t e m p e r a t u r e a n d t h e s m o k e d e n s i ty f o rt h e t w o l o a d s . I t i s i n t r i g u i n g t h a t m i n i m u m s m o k ed e n s i t y w a s a c h i e v e d w h e n t h e e x h a u s t t e m p e r a t u r ew a s a r o u n d t h e m i n i m u m v a l u e . I t i s a l s o i n t e r e s t i n gt h a t t h is c o n d i t i o n a l s o c o r r e s p o n d s t o t h e r e g i o n w h e r et h e t i m e f o r t h e o c c u r e n c e o f p e a k c y l i n d e r p r e s s u r ew i t h a n d w i t h o u t h y d r o g e n w a s a l m o s t i d e n t i c a l .B a s e d o n t h e r e s u lt s s h o w n i n F i g s . 6 - 8 , i t s e e m s t h a tt h e a s p i r a t i o n o f s m a l l q u a n t i t i e s o f h y d r o g e n i n a D Id i e s e l e n g i n e c a n h e l p t o r e d u c e s m o k e d e n s i t y . T h eo p t i m u m r a ti o o f h y d r o g e n t o t h e t o t a l e n e r g y d e l iv e r edt o t h e e n g i n e s h o u l d b e s u c h t h a t t h e t i m e f o r t h eo c c u r e n c e o f p e a k c y l i n d e r p r e s s u r e r e m a i n s u n a l t e r e di n r e l a t i o n t o t h e b a s e l i n e c o n d i t i o n s .

F i g u r e s 9 a n d 1 0 s h o w t h e e f f e c t s o f c o n s t a n t r a t eh y d r o g e n e n e r g y f lo w o n t h e e x h a u s t s m o k e a t e n g in es p e e d s o f 4 0 a n d 3 5 r e v /s , r e s p e c t i v e ly . T h e r e d u c t i o ni n s m o k e l e v e l s a t l o w h y d r o g e n f u e l l i n g r a t e s w a sa l m o s t n e g l i g i b l e a n d p a r t o f t h i s c a m e a b o u t b y s o m er e d u c t i o n i n d i e se l f u e l fl o w r a t e . B u t a s h y d r o g e n f lo wr a t e w a s i n c r e a s e d s u b s t a n t i a l r e d u c t i o n s i n s m o k ed e n s i t y w e r e a c h i e v e d . I n f a c t , a t p a r t l o a d s , s m o k el e v e l s d e c r e a s e d b y o v e r 5 0 % ; o n l y a t t h e f u l l r a t e dl o a d w a s t h e g a i n l i m i t e d d u e t o s o m e o f t h e p r o b a b l er e a s o n s d e s c r i b e d e a r l i e r.T h e e f fe c ts o f a d d i n g d i f fe r e n t a m o u n t s o f h y d r o g e n

5 -

Engine speed : 4 0 r e v / s ( I )4 - T n j. T i m i n g : 2 2 B T D C / , ( 2 )H y d rogen f l ow ro t es / L0 % / I 3 1. . . . o . 6 s K J /s / / !

s 3 - . - I . 6 5 K J/s / / .! / / /

i Io 2o 40 60 ao looP e r c e n t f u l l r a t e d t o a d

F i g . 9 . E n g i n e s p e e d 4 0 r e v / s , i n j e c t i o n t i m i n g 2 2 B T D C .Hy drog en e nerg y f low rates (1) 0 , (2) 0 .65 KJ/s , (3) 1 .65KJ/s.


6/7

55 4 K . S . V A R D E A N D G . A . F R A M E

4 ( I )d / / ( 2 )z

E n g i ne s p e e d : 3 5 r e v / s / / I 3 )re I n j . T i m i n g : 2 2 * B T D C / / i. H y d r o g e n f l o w r o t e s / /

~ - - - o / / /o . . . . 0 . 7 K J / s / / /E --. -- '. 78 KJ/s / / /

I i - - . . , ~ " J l I0 20 40 60 80 I00P e r c e n t f u l l t o t e d t o a d

Fig. 10. Engine speed 35 rev/s, inject ion t iming 22BTDC .Hy drog en energ y f low ra tes (1) 0, (2) 0.7 KJ/s, (3) 1.78 KJ/s.

3 0 0 - E n g i n e s p e e d : 4 0 r e v / sI n j . T i m i n g : 2 2 * B T D CH y d r o g e n f l o w r a t e so. . . . 0 .6 5 K J / s . / ( 3 )

O.2 0 0 -- /'

{ . / . - 7o . /~ , s ~""8-r 10O -

I I L I I0 2o 40 6o 80 fooP e r c e n t o f f u l l r a t e d L o a d

Fig . 12. Engine speed 40 rev/s, injection timing 22BTDC .Hy drog en energy f low ra tes (1) 0, (2) 0.65 KJ/s, (3) 1.65IO/s.

o n t h e e x h a u s t N O x a n d H C e m i s s i o n s a r e s h o w n i nF i g . 1 1 f o r t h e t w o l o a d s . A d d i t i o n o f h y d r o g e n l e d t os o m e i n c r e a s e i n H C e m i s s i o n s a t b o t h t h e l o a d s . T h i sa r i s e s d u e t o f a s t e r b u r n i n g o f h y d r o g e n l e a v i n g t h el iq u i d f u e l i n j e c t e d t o w a r d s t h e e n d o f in j e c t i o n p e r i o dd e f i c i e n t i n o x y g e n . F i g u r e 1 2 s h o w s h o w h y d r o c a r b o ne m i s s i o n s w e r e i n f l u e n c e d w h e n t h e e n g i n e w a s r u n o nf i x e d r a t e o f h y d r o g e n e n e r g y . A t l i g h t l o a d s t h e r e i sh a r d l y a n y d i f f e r e n c e i n H C e m i s s i o n s w i t h o r w i t h o u th y d r o g e n b u t a t h i g h l o a d s t h e e f f e c t s o f h y d r o g e na d d i t i o n a r e q u i t e c l e a r . T h i s i s c e r t a i n l y t r u e a s t h eh y d r o g e n f l o w w a s i n c r e a s e d . A t l o w f l o w r a t e s , s u c ha s 0 .6 5 K J / s , t h e d e f i c i e n c y i n o x y g e n d u e t o h y d r o g e nc o m b u s t i o n is m i n i m u m . M o r e o v e r , h y d r o g e n d o e s n o tb u r n a s f as t w h e n i t s c o n t e n t i n t h e m i x t u r e is lo w . E v e na t 1 . 65 K J /s o f h y d r o g e n e n e r g y f lo w r a t e t h e a b s o l u t e

1 2o o E n g i n e s p e e d : 4 0 r e v / s 4 0 0I n j . T i m i n g : 2 2 * B T D Ce ~ e 1 0 0 % r a t e d l o a d / e ( I )

~ 8 2 % r a te d e / eE Load

= " ~ ooo e / 300 ./ 1 % / e

~, (2)800 - - 200

L I I0 I0 20P e r c e n t o f h y d r o g en e n er g y t o t o t e r e n e r g y ,%

Fig. 11. Engine speed 40 rev/s, injection timing 22BTDC. (1)100% rated load, (2) 82% rated load.

i n c r e a s e in h y d r o c a r b o n e m i s s io n s a t f ul l l o a d w a s a b o u t5 0 p p m .O x i d e s o f n i tr o g e n i n c r e a s e d f a s t e r t h a n h y d r o -c a r b o n s a s h y d r o g e n c o n t e n t w a s i n c r ea s e d , a s sh o w ni n F i g . 1 1 . N O x f o r m e d i n a D I d i e s e l e n g i n e d e p e n d so n t h e l o c a l o x y g e n a t o m c o n c e n t r a t i o n , w h i c h i s af u n c ti o n o f t h e c o n c e n t r a t io n o f o x y g e n m o l e c u l e s a n dl o ca l t e m p e r a t u r e . M e a s u r e m e n t o f te m p e r a t u r e i n t h ec o m b u s t i o n c h a m b e r o f a D I d i e s e l e n g i n e h a s s h o w nt h e f l am e t e m p e r a t u r e f o r d i e s el f u e l to b e s l ig h t ly l o w e rt h a n t h a t f o r th e h y d r o g e n f u e l at t h e s a m e e q u i v a l e n c er a t io [ 16 , 1 7 ]. A d d i t i o n o f h y d r o g e n c a n l e a d t o h i g h e rl o c a l t e m p e r a t u r e e a r l i e r i n t h e e x p a n s i o n p r o c e s s ,r e s u l t i n g i n r a p i d N O x f o r m a t i o n r a t e f o r t h e f i x e di n j e c t i o n t i m i n g . T h i s i s t r u e e v e n a t 8 2 % f u l l l o a d ,w h e r e t h e a d d i t i o n o f h y d r o g e n s h o w e d a s i m i la ri n c r e a s e i n N O x e v e n t h o u g h t h e e x c e s s a i r r a t i o w a sh i g h e r t h a n a t f ul l l o a d o p e r a t i o n .F i g u r e 1 3 s h o w s t h e e f f e c ts o f c o n s t a n t h y d r o g e nf u e l l i n g r a t e o n N O x e m i s s i o n s . N O x l e v e l s d i d n o tc h a n g e m u c h f r o m t h e b a s e l i n e v a l u e f o r l o a d s o f u pt o 5 0 % f u ll r a t e l o a d d u e t o t h e p r e s e n c e o f v e r y l e a nm i x t u r e s i n t h e c o m b u s t i o n c h a m b e r . B u t a s t h e l o a di n c r e a s e d , l o c a l t e m p e r a t u r e a s w e l l as t h e o v e r a l l m i x -

t u r e s t r e n g t h i n c r e a s e d r e s u l t i n g i n i n c r e a s e d N O x f o r -m a r i o n . I t m a y b e p o s s i b l e t o o b t a i n N O x e m i s s i o n s a tl e ve l s c o r r e s p o n d i n g t o t h e b a s e l i n e v a l u e b y r e t a r d i n gt h e i n j e c t i o n t i m i n g a n d t a k i n g a d v a n t a g e o f t h e f a s tb u r n i n g o f h y d r o g e n m i x t u r e s . T h e v a r i a t io n i n i n j e c ti o nt i m i n g a n d i ts e f fe c t s o n N O x a n d s m o k e w a s n o t in v e s -t i g a t e d i n t h i s s t u d y .C O N C L U S I O N S

S m a l l q u a n t i t i e s o f h y d r o g e n s u p p l i e d i n t h e i n t a k eo f t h e e n g i n e r e d u c e d s m o k e l e v e l s a t p a r t l o a d o p e r -a t i o n w h i l e a t t h e f u l l r a t e d l o a d t h e r e d u c t i o n w a sl i m i t e d . T h e b e s t p e r c e n t a g e o f h y d r o g e n e n e r g y f o r


7/7

HYDROGEN ASPIRATION IN DIRECT-INJECTION DIESEL ENGINE 555

EQ.

&2

Z"8lo

1200 - -

8 0 0

40 0

E n g i n e s p e e d : 4 0 r e v / sT n j . T i m i n g : 2 2 * B T D C . / ( 3 )H y d r o g e n f l o w r a t e s j

0 / 1 ( 2 ). . . . 0 . 6 5 K d / s . t f / ( I )m.-- 1.65 Kd/s / / / f

< . ' // / / "/ , / // / 7

I I I I I0 20 4o 60 eo IooP e r c e n t o f f u l l r a t e d l o a dFig. 13. Engine speed 40 rev/s, injection timing 22BTDC.hydrogen energy flow rates (1) 0, (2) 0.65 KJ/s, (3) 1.65 KJ/s.

reducing smoke was found to be such that the time forthe occurence of peak cylinder pressure should be aboutthe same as the baseline value, if the engine is optimizedwith respect to the occurence of peak cylinder pressure.In the prese nt study, optimum hydrogen percentage forsmoke reduction was found to be between 10 and 15%of the total energy Un der optimum conditions, as muchas 50% redu ctio n in smoke levels were achieved at partload operation while at the full rated load the reductionwas about 17%. The results of this study showed thatmini mum smoke density occured when the exhaust gastempera ture was ar ound the mi nimum value for a givenengine load and speedVery low hydrogen flow rates had adverse effects onthe e ngine thermal efficiency by marked improvementsin efficiency were achieved by increasing the percent ageof hydrogen supplied to the engine. H ydrocar bon emis-sions were not affected much by hydrogen fumigationbut oxides of nitrogen in the exhaust increased with anincrease in hydrogen energy, particularly for engineloads over 50% of the full rated load.

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hydrogen aspiration in a direct injection type diesel engine

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