As the CO2 emission problems become serious concerns of modern societies, the need for carbon neutrality is rapidly increasing. In the transport sector, numerous types of researches have been conducted for achieving carbon-neutrality, ranging from hydrogen combustion to the development of renewable synthetic fuels. Among these types of studies, the thermal efficiency improvement of the internal combustion engines has been considered as one of the most practical and feasible solutions for achieving carbon-neutrality because of its convenient compatibility with the utilization of renewable synthetic fuels. The combinations of downsizing, Atkinson cycle and direct injection have been frequently utilized for maximizing the thermal efficiency of gasoline engines; However, despite of their effectiveness in improving the thermal efficiency, these strategies are vulnerable to particle emissions due to the fuel being directly injected into the cylinder. Although various studies regarding particle emissions have been conducted, the correlated mechanism between particle emissions and the late intake valve closing (LIVC), which is a type of Atkinson cycles frequently utilized in modern engines, has yet to be discovered. Therefore, in this research, the effect of LIVC on particle number emissions of a turbocharged gasoline direct injection (T-GDI) engine had been investigated. Through particle number measurement, combustion analysis, and visualization techniques (borescope and particle image velocimetry), the flame propagation and in-cylinder flow characteristics associated with the LIVC had been investigated. The experimental data showed that the retardation of the intake valve closing (IVC) timing resulted in the reduction of particle number emissions. The retardation of IVC timing decreased the in-cylinder pressure and temperature at the ignition timing while it increased the in-cylinder flow velocity, and thereby, the turbulent kinetic energy. From the research findings, the decreased in-cylinder temperature and improved mixture formation seemed to inhibit pyrolysis process, leading to the decreased formation of particles at a cost of decelerated initial flame propagation. The decelerated flame propagation, however, was compensated by the accelerated combustion speed from the increased turbulent kinetic energy during the late stage of combustion, leading to the increased oxidation of the produced particles. Therefore, in this research, it was found that the retardation of the IVC timing effectively reduced particle number emissions in a T-GDI engine.
현 사회는 이산화탄소 배출 문제가 심화됨에 따라, 탄소중립의 필요성이 나날이 상승하고 있는 추세이다. 수송 부문에서는 탄소중립 도모를 위해 수소 연소, 합성 연료인 e-fuel 등 다양한 연구가 진행되고 있다. 이러한 다양한 연구들 중, 내연기관, 특히 가솔린 엔진의 열효율 극대화 전략은 기존 시스템에 즉각적인 적용이 가능한 장점으로 인하여 집중적으로 연구되고 있다. 가솔린 엔진의 열효율 극대화를 위해 다양한 전략이 제시되는 가운데, 다운사이징 기술과 함께 밸브 닫힘 시기를 이용한 아킨슨 사이클과 고압 직분사 기술이 활발히 적용되고 있다. 하지만, 이러한 전략들은 우수한 열효율 개선 효과에도 불구하고, 실린더 내로 연료가 직접 분사됨에 따라 미세먼지 배출에 취약한 단점을 가지고 있다. 이러한 취약점을 개선하기 위해 가솔린 엔진의 미세먼지 배출 관련 다양한 연구가 진행되었지만, 아킨슨 사이클 실현화 전략 중 하나인 늦은 흡기 밸브 닫힘 전략에 관련된 미세먼지 배출 연구는 미흡한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 터보과급 직접분사식 가솔린엔진에서의 늦은 흡기 밸브 닫힘 전략을 통한 아킨슨 사이클의 미세먼지 배출 특성에 대하여 연구를 진행하였다. 미세먼지 배출 측정, 연소 현상 분석과 함께 내시경 가시화와 입자영상유속계 기법을 활용하여 늦은 흡기 밸브 닫힘 시기에 따른 화염전파와 실린더 내 유동 특성을 분석하였다. 취득한 실험 결과에 따르면, 흡기 밸브 닫힘 시기를 점차 지각 시, 미세먼지 배출이 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 가시화 분석 결과에 따르면, 흡기 밸브 닫힘 시기가 지각될수록 실린더 내 유속과 난류에너지가 상승하는 경향을 보였다. 흡기 밸브 닫힘 시기 지각으로 인해, 유효 압축비 저감으로 인한 실린더 내 압력과 온도가 하락하였고, 증가된 유속은 연료와 공기 혼합기의 균질도를 개선하는 것으로 추정되었다. 이로 인하여 초기 연소속도가 하락되는 경향을 보였으나, 연소가 말기에 접어들며 흡기 밸브 닫힘 시기 지각으로 인해 상승된 난류에너지는 화염전파 속도를 가속시키는 것으로 추정되었다. 이러한 현상 분석을 통해, 본 연구에서는 흡기 밸브 닫힘 시기 지각이 실린더 내 온도와 압력을 낮추고 혼합기의 균질도를 개선시켜 미세먼지 생성을 억제하며, 이와 동시에 증가된 실린더 내 유속이 연소 말기의 화염전파를 강화시켜 미세입자 산화과정을 개선시키는 매커니즘 도출할 수 있었다. 따라서, 본 연구에서는 터보과급 직접분사식 가솔린 엔진에서 늦은 흡기 밸브 닫힘 전략을 통한 아킨슨 사이클적용이 미세먼지 배출 저감에 효과적인 것을 확인할 수 있었다.
