Transcript
SAE TECHNICAL PAPER SERIES
982616
End Gas Inhomogeneity, Autoignition and Knock J. Pan, C. G. W. Sheppard and A. Tindall School of Mechanical Engineering, The University of Leeds
M. Berzins, S. V. Pennington and J. M. Ware School of Computer Studies, The University of Leeds
International Fall Fuels and Lubricants Meeting and Exposition San Francisco, California October 19-22, 1998 400 Commonwealth Drive, Warrendale, PA 15096-0001 U.S.A.
Tel: (724) 776-4841 Fax: (724) 776-5760
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Printed in USA
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10
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8
g = -10 g = -4 g = -1 g = -0.1
6 4 2 0 0
20
40
60
80
100
Time ( s) 10
Pressure 2
P2 / P0
8 6 4 2 0 0
20
40
60
80
100
8)3)%$;,+.& 8)5$+*5,$+& X^ZB& & 1#)& !EFCG1HI& ;/$./*: $<5;<5&,:;%,)8&*&%)44&3,$%)+5&)3)+5B&&1#)&;/)44)&/,4)&*5 !,5)& >0& e,.B& H0& $""/)8& %*5)/& *+8& 5$& *& #,.#)/& %)3)%& 5#*+ +$5)8& ,+& 5#)& 4:*%%& 5):;)/*5)& ./*8,)+5& "*4)& a& ,5& *%4$ #*8& *& 45/$+.)/& /*/)'*"5,$+B& & A& 45/$+.& ;/)44)& /,4)& O5$ HBQE$S& *5& !,5)4& H& *+8& Y& L*4& ;/)8,"5)8& *5& *J$<5& ^Qµ4B 2+%,K)&5#)&4:*%%&5):;)/*5)&./*8,)+5&"*4)0&5#)&;/)44) /,4))/)&;/$3)8&5/*+4,)+5B&&A&45/$+.&L*3)&/)*"#)8&!,5)&^ *5& *J$<5& @Rµ40& L,5#& *& 5/*+4,)+5& ;/)44)& $'& nQE$ ;/)8,"5)8B& & 1#)4)& ')*5)4& 4<..)45& 5#)& ):)/.)+")& $'& * T8)3)%$;,+.& 8)5$+*5,$+UB& & `,5#& *& ./*8,)+5& $'& aY0& 5#) 45/$+.& ;/)44)& 4;,K)4& "#*/*"5)/,45,"& $'& *& 8)3)%$;,+. 8)5$+*5,$+& L)/)& :$/)& :*/K)8]& L,5#& 5/*+4,)+5 $3)/;/)44)4&*4,.#&*4&@E$&/).,45)/)8B C+& "$:;*/,4$+& L,5#& 5#)& )*/%,)/& 72(AI& /)4<%54& '$/& 5#,4 4*:)& 5)45& "*4)& X^Z0& L,5#& !EFCG1HId4& J)55)/& +<:)/,"*% ;/$")8)40& "$:;<5)8& ;/)44)& 8)3)%$;:)+5& L*4 .)+)/*%%6& '*45)/& *+8& 5$& %$L)/& %)3)%4B& & G)3)/5#)%)440& 5#) 5#/))& *<5$,.+,5,$+& :$8)4& L)/)& *.*,+& "%)*/%6 8):$+45/*5)8B& & e$/& 5#)& 8)3)%$;,+.& 8)5$+*5,$+& :$8)0 4,:,%*/& )N5/):)& 5/*+4,)+5& $3)/;/)44)4& O4<'',",)+5& 5$ "*<4)& :*5)/,*%& 8*:*.)S& L)/)& +$5)8]& *%J),5& *5& #,.#)/ 3*%<)4&$'&5):;)/*5)&./*8,)+5B& & 1#)& ;/)44)& T/)"$/84U .)+)/*%%6& )N#,J,5)8& %)44& 4;,$<4& 4)"$+8*/6& TL,..%)4U 5#*+& 5#$4)& L,5#& 72(AI0& ;/)4<:*J%6& *44$",*5)8& L,5# J)55)/&;#64,"*%&/);/)4)+5*5,$+&$'&5#)&"6%,+8)/&J$<+8*/,)4 *+8&,:;/$3)8&+<:)/,"*%&;/$")8)4B
Time ( s) 10
FLM&P)7>>P-?7D-LK)7
Pressure 3
P3 / P0
8
1#)& !EFCG1HI& "$8)& L*4& +)N5& *;;%,)8& 5$& *& :$8)/*5) K+$"K&)N;)/,:)+5*%&"6"%)0&;/,+",;*%%6&5$&)N;%$/)&5#)&)'')"5 $'&./,8&/)',+):)+5&*+8&*8*;5,3,56B&&!,+")&5#)&)N;)/,:)+5*% /)4<%54& #*3)& J))+& ;/)4)+5)8& ;/)3,$<4%6& X^Z& $+%6& *+ *JJ/)3,*5)8&8)4"/,;5,$+&$'&5#):&,4&;/)4)+5)8)/)B
6 4 2 0 0
20
40
60
80
100
80
100
Time ( s) 10
Pressure 4
P4 / P0
8 6 4 2 0 0
20
40
60
Time ( s)
Q31=) #) F/(2EE2() BC2,,8C2X4302) .3,4/C32,) R3(2+E3,2() 42,4 :+,2)Y/C)+)C+'12)/Y)E3'2+C)420B2C+48C2)1C+(32'4,W
-oE-FC(-G1&V&1#)&)+.,+)&<4)8&L*4&*)*3,%6&:$8,',)8 p7W& HV45/$K)& )+.,+)& $'& @R::& J$/)& *+8& PY::& 45/$K)B 1#)& "$:J<45,$+& 4;*")& L*4& *& "6%,+8/,"*%& 8,4"& '$/:)8& J6 5#)&J*//)%0&*&'%*5&5$;;)8&;,45$+&O',55)8&L,5#&*&4'*")&:,//$/ ,+& 4"#%,)/)+& )N;)/,:)+54S& *+8& *& M<*/5f& 5$;& L,+8$L *%%$L,+.& $3)/#)*8& $;5,"*%& *"")44& 5$& 5#)& "$:;%)5) "$:J<45,$+& 4;*")B& & 1#)& )N#*<45& ;$/5& L*4& )N5)+8)8 3)/5,"*%%6&<;L*/8&4<"#&5#*5&5#)&"%)*/*+")& #),.#5& *5& 1I9 L*4& /)8<")8& 5$& HB@::0& L,5#& *& "$:;/)44,$+& /*5,$& $'& >R0 5$& .,3)& *+& )44)+5,*%%6& HVI& "$:J<45,$+& "#*:J)/& '$/ ,:;/$3)8& 4"#%,)/)+& ,:*.)4& *+8& J)55)/& "$:;%,*+")& L,5# 5#)& :$8)%%,+.& *44<:;5,$+4B& & !,8)& ,.+,5,$+& L*4& *8$;5)8 *+8&5#)&"6%,+8)/)*8&L*4&',55)8&L,5#&Y&'%<4#&',55,+.&i,45%)/ _R^\& ;/)44)& 5/*+48<")/4& O$'& +*5*%& '/)M<)+"6 nYRRK[fS& 46::)5/,"*%%6& ;%*")8& */$<+8& 5#)& "#*:J)/ ",/"<:')/)+")B& & A& '5#)/& J*//)%& ',55)8& *J4$%<5)& ;/)44) 5/*+48<")/& L*4& <4)8& 5$& ;/$3,8)& *& /)')/)+")& ;/)44) )*/%6&,+&5#)&"6"%)B&&1#)&)+.,+)&L*4&$;)/*5)8&,+&4K,;&',/) :$8)& O.)+)/*%%6& L,5#& Y& 4K,;& "6"%)4S& $+& *& 45$,"#,$:)5/," :,N5)& $'& *& ;/,:*/6& /)')/)+")& '<)%& $'& ?Rq& ,4$V $"5*+)D>Rq&+V#);5*+)&*+8&*,/B&&A&4645):&'$/&4))8,+.&5#) ,+V"6%,+8)/&:,N5)&L,5#&"*/J$+*")$<4&;*/5,"%)4&L*4&*%4$ *3*,%*J%)B&&1#)4)&;*/5,"%)4&J+)8&J)#,+8&5#)&:*,+&'%*:)
'/$+5&*+8&;/$3,8)8&*&:)*+4&$'&5/*"K,+.&;$45V*<5$,.+,5,$+ .*4& :$5,$+& '$/& "$:;*/,4$+& L,5#& :$8)%& $<5;<5B& & e<%%)/ 8)5*,%4& $'& 5#,4& 4645):0& *4& L)%%& *4& 5#)& ',%:,+.0& 8*5* *"M<,4,5,$+& *+8& ;/$")44,+.& :)5#$84& */)& 4)5& $<5& ,+& *+ )*/%,)/&;*;)/&X^Z&*+8&)%4)L#)/)&X>_0&HRZB P4
26
26
Time between two successive frames: 0.124 ms (1.1 deg CA)
27 1
26
26
Exposure time for a frame: 0.025 ms
27 26 27
2
3
P3
26 27 26 27
Derived particle velocy (m/s) during the exposure time:
4
5
26
Frame Particle 1: Particle 2: Particle 3: Particle 4: Particle 5: Particle 6: Particle 7: Particle 8: Particle 9: Particle 10: Particle 11: CA (aTDC):
spark
27 6
27 26
7
27 8
26 27 27
P1
9
26 25
26
27 10
27
26
26
11
26
P2
26 31 54 42 60 49 32 31 47 36 34 30 4.0
27 176 155 132 167 156 157 159 188 178 202 148 5.1
O*SB&E*/5,"%)&5/*"K4&8,+.&*<5$,.+,5,$+ Pressure 1 RPRmax=1.97 bar/ s DEVmax=15.57 bar KIrms=5.18 bar
Pressure (bar)
80
60
40
100
Pressure 2 RPRmax=5.01 bar/ s DEVmax=26.89 bar KIrms=4.50 bar
80
Pressure (bar)
100
20
60
5
10
15
20
25
30
0
Crank angle relative to TDC (deg)
Pressure 3 RPRmax=2.61 bar/ s DEVmax=17.94 bar KIrms=5.39 bar
Pressure (bar)
80
5
10
15
20
25
30
Crank angle relative to TDC (deg)
60
40
20
100
Pressure 4 RPRmax=3.06 bar/ s DEVmax=19.25 bar KIrms=4.84 bar
80
Pressure (bar)
100
60
40
20
0
5
10
15
20
25
Crank angle relative to TDC (deg)
30
1#)& ,+,5,*%& *<5$,.+,5,$+& $""/)8& *5& 5#/))& ")+5/)40& L#)+ 5#)&)45,:*5)8&:)*+&)+8&.*4&5):;)/*5)&L*4&P@Ri&*5&Y° *1I9&Oe/*:)&H_S]&5#)&4;*/K&5,:,+.&L*4&HQ°&J1I9B&&1#) 4#*;)4& $'& 5#)& *<5$,.+,5)8& */)*4& 4<..)45)8& :)/.,+.& $' 4)3)/*%& 4);*/*5)& *<5$,.+,5,$+& ")+5/)4& ,+& 5#)& ;)/,$8 J)5L))+&'/*:)4B&&C+&5#)&4^RVHRR& :D4& O"B'B $/8)/&$'&QR&:D4&,+&5#)& ;/)3,$<4& HQ& µ4& )N;$4)& ;)/,$8SB 1#)& "6%,+8)/& ;/)44)& /$4)& 4,.+,',"*+5%6& *5& 5#,4& "/*+K *+.%)&OQB>°&*1I9SB&&E)*K&"6%,+8)/&;/)44)4&$""/)8&* %,55%)& %*5)/0& 5$& %)3)%4& $'& *J$<5& >RR& J*/]& #*8& 5/*+48<")/ '/)M<)+"6& /)4;$+4)& J))+& #,.#& )+$<.#0& 5/*+4,)+5 )N"4,$+4& *J$3)& 5#,4& ;/)44)& L$<%8& #*3)& J))+ /)"$/8)8B
40 20
0
*:;%,5<8)& $'& "6%,+8)/& ;/)44)& $4",%%*5,$+0& I-k:*N& XHQ0 H_ZB& & A4& 8,4"<44)8& ;/)3,$<4%60& 5#)& 3*%<)4& $'& 5#)4) ;*/*:)5)/4&3*/6&*/$<+8&5#)&"6%,+8)/0&5#)&3*%<)&$'&iC/:4 *5& E$4,5,$+& >& O5#*5& .)+)/*%%6& *8$;5)8& '$/& /)')/)+")S& L*4 QB>@&J*/B&&F)")+5&L$/K&4<..)454&5#*5&5#)/)&:*6&J)&:$/) /)%,*J%)& :)*4)4& $'& K+$"K& ,+5)+4,56& XHPZ]& +)3)/5#)%)44 5#)& "#$4)+& ;*/*:)5)/4& *%%$L& /)*86& "$:;*/,4$+& L,5# )*/%,)/&45<8,)4&*5&7))84&*+8&)%4)L#)/)B
0
5
10
15
20
25
30
Crank angle relative to TDC (deg)
OJSB& E/)44)& /)"$/84& 4,:<%5*+)$<4%6& :)*4)8& *5& '$ 8,'')/)+5&;$4,5,$+4 Q31=) T) &ZB2C302'4+E) (+4+) Y/C) +) 0/(2C+42) ;'/:;) :5:E2 R2'13'2),B22()%VUU)CB06):+02C+),B22()["UUU)YB,W
!#$L+& ,+& e,.B& ^0& /);/$8<")8& '/$:& F)'BX^Z& */)& 8,*./*:4 4#$L,+.& ;*/5,"%)& 5/*"K4& *+8& 5/*",+.4& $'& :*,+& '%*:)& *+8 )+8& .*4& *<5$,.+,5,$+& 8)3)%$;:)+5& 8)/,3)8& '/$: 4<"")44,3)&+*5*%&%,.#5&",+r&,:*.)4&/)"$/8)8&*5&@R_Q';4 <4,+.& *& [,5*"#,& >_::& "*:)/*]& 5#)& )+.,+)& 4;))8& L*4 >QR^/;:B& & A%4$& 4#$L+& */)& "*%"<%*5)8& ;*/5,"%)& 3)%$",5,)40 ;/)44)&/)"$/84&*5&5#)&Y&;$4,5,$+4&,+8,"*5)8&*+8&8)/,3)8 TK+$"K& ,+5)+4,56U& ;*/*:)5)/4& XH>0& HHZB& & 1#)4)& ,+"%<8)& * iC/:40& )N;/)44,+.& 5#)& /$$5& :)*+& 4M<*/)& 8)3,*5,$+& $' ;/)44)& :)*4)8& $3)/& *& ;)/,$8& $'& H:4& *'5)/& J),+. 5/,..)/)8& J6& *& ;/)44)& /,4)& $'& RBQ& J*/& *J$3)& 5#)& #,.# ;*44&OQK[fS&',%5)/)8&:)*+&"6%,+8)/&;/)44)0&4*:;%)8&*5 >&(4*:;%)D4)"B&X^0&>_0&HRZB&&A%4$&,+8,"*5)8&*/)&:*N,:<: /*5)& $'& ;/)44)& /,4)& FEF:*N& XH^0& HYZ& *+8& :*N,:<:
(WI-77CGc& V& 1#)& ,+,5,*%& '%*:)& '/$+5& ;$4,5,$+& L*4 4;)",',)8&5/,*+.%)&J6&5/,*+.%)&$+&5#)&J*4,4&$'&5#)&',%:&8*5* *5& 5#)& $+4)5& $'& *<5$,.+,5,$+& *+8& /)*8& ,+& '/$:& *& 8*5*& ',%)B 1#/))& *<5$,.+,5,$+& ")+5/)4& L)/)& ;%*")8& *5& ;$4,5,$+4 "$//)4;$+8,+.& 5$& 5#)& :,88%)& $'& 5#)& ;/,+",;*%& /).,$+4& $' *<5$,.+,5,$+& ',/45& $J4)/3)8& $+& 5#)& ',%:& ,:*.)4B& & 1#)4) L)/)&4)5&5$&*&5):;)/*5)&$'&>RRRiB&&A&/)*4$+*J%)&',5&5$ 5#)& )N;)/,:)+5*%& 8*5*& L*4& *"#,)3)8& L,5#& *& 5):;)/*5) ./*8,)+5&O.S&$'&aQ&O_HBQ&iD::S&*J$<5&)*"#&")+5/)&*+8&* J*4)& )+8& .*4& 5):;)/*5)& $'& PQRi& O6,)%8,+.& *& :)*+ <+J+)8& .*4& 5):;)/*5)& "%$4)& 5$& 5#)& P@Ri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e,.B& YB& & `,5# ,+"/)*4,+.&/)',+):)+50&;/)8,"5)8&;/)44)&/,4)4&'$%%$L,+. *<5$,.+,5,$+&$""/)8&)*/%,)/B&&1#)&:$/)&)'',",)+5&*8*;5,3) "$8)&.*3)&/)4<%54&3)/6&"%$4)&5$&5#$4)&L,5#&*&',N)8&./,8&*5 7)3)%&QB&&1#)&)3$%<5,$+&$'&5#)&./,8&/)',+):)+5&,4&)3,8)+5&,+ 5#)& HVI& ;%$54& $'& 5):;)/*5)& 8)3)%$;:)+5& ,+& e,.B& QB F)4<%54&L,5#&*+&*8*;5,3)&7)3)%&_&./,8&*/)&&*%4$&&4#$L+&&,+ e,.B&Y]&5#)4)&"*%"<%*5,$+4&L)/)&5)/:,+*5)8&*'5)/&4$%3,+.&5$ *J$<5& ^Rµ40& J)"*<4)& $'& )N")44,3)& /<+& 5,:)B& & 1$& 5#*5
Pressure 1
10
level 3, 512 elements level 4, 2048 elements
P1 / P0
8
level 5, 8192 elements adaptive,level 5,up to 8192 elements
6
adaptive,level 6,up to 32768 elements
4 2 0 0
20
40
60
80
100
5&m&>>B_H&µ4
Time ( s)
Pressure 2
10
P2 / P0
8 6 4 2 0 0
20
40
60
80
100
Time ( s)
5&m&>^BQ_&µ4
Pressure 3
10
P3 / P0
8 6 4 2 0
0
20
40
60
80
100
Time ( s)
5&m&>?B^P&µ4
Pressure 4
10
P4 / P0
8 6 4 2 0 0
20
40
60
80
100
Time ( s)
Q31=)\)F/(2EE2()BC2,,8C2X4302).3,4/C32,)+4)Y/8C)0/'34/C3'1 B/3'4,)+,)+)Y8':43/')/Y)1C3()C2Y3'202'4)R2'13'2):/'(343/', +,)Q31=)TW
;$,+50&/)4<%54&L)/)&4,:,%*/0&L,5#&4%,.#5%6&'*45)/&*<5$,.+,5,$+ 8)3)%$;:)+5& 5$& :*/.,+*%%6& #,.#)/& $3)/;/)44)4B& & C5& ,4 "%)*/& 5#*5& )3)+& L,5#& 5#)& *83*+")8& ')*5)4& $' !EFCG1HI0&&*&&',+)&&./,8&&&,4&&&/)M<,/)8&&&5$&&&4,:<%*5)&&&5#) & 5&m&PBPQ& µ4 *<5$,.+,5,$+&8)3)%$;:)+5B& !;)",*%,45& ,+'$/:*5,$+& $+ $5#)/&"$:;<5*5,$+*%&')*5)4&*+8&"$:;*/,4$+4&L,5#&5#)
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Experimental
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-2
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0
CA deg
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Temperature (K)
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