The direct-injection spark-ignition (DISI) engine has become an important initiative of future SI engines due to its potential for enhanced fuel economy and transient response. The uniqueness of DISI engines lies in their operation in stratified mode during low loads and idling by injecting a small amount of fuel in a limited region within the combustion chamber to achieve a combustible mixture and an ultra-lean mixture elsewhere. Two major combustion systems have been introduced, thus far, to achieve stratification. These are wall-guided and spray-guided systems. In the wall-guided system, the fuel impinges on the piston cavity that guides the post-impinged spray towards the spark plug with the assistance of the airflow pattern. In the spray guided system, compact spray is injected close to the spark plug location. In this case, the spray geometry should not vary significantly with surrounding conditions to avoid engine misfire. Therefore, in the two systems, the characteristics of the spray under different operating conditions should be predefined to be optimized together with the ignition timing, combustion chamber geometry, and the location of the spark plug.
In this study, the spray behavior of the representative injectors for DISI engines has been investigated under different operating conditions. Furthermore, the main factors affecting spray development are analyzed to find the control factors for each type of spray in order to generate an optimized stratified mixture near the spark plug. The universally used injectors for DISI engines are swirl and non-swirl type injectors. The inwardly-opening swirl injector and slit injector were selected as representative injectors for each injector type.
At first, the spray behavior and the main factors affecting the swirl spray development are investigated under different operating conditions. The internal and near-nozzle flow and static pressure distribution inside the spray are visualized and measured to understand the initial flow development of swirl spray at various operating conditions. On the basis of these results, the macroscopic spray contour, droplet size distribution, and the characteristics of the entrained air motion at different operating conditions are successfully described. Moreover, a new finding is that the static pressure drop inside the swirl spray is one of the main factors responsible for spray changes under different operating conditions. Spray momentum, droplet size and entrained air motion are previously well-known factors. Macroscopic spray changes at different operating conditions have been successfully explained by introducing the static pressure distribution inside the spray as a main factor.
Secondly, the swirl spray is controlled by altering the static pressure distribution and velocity distribution of spray using a tapered nozzle. By increasing the taper angle, the spray shape becomes asymmetrical. It finally attenuates the static pressure drop inside the spray and enhances the spray momentum in a certain direction without causing significant deterioration of the atomization characteristics. Furthermore, the spray robustness is strongly reinforced as the taper angle is increased, a concept which may be applied to the spray-guided system. This control method can also be used to fulfill the various engine requirements.
Thirdly, the spray behavior and the main factors affecting the fan spray development are analyzed under different operating conditions. Since the fan spray does not experience severe changes under different operating conditions, extreme test conditions are applied to find out what factor changes the fan spray shape. The significant reduction in droplet size caused by high temperature injection and very strong external flow conditions caused by increased engine speeds are selected as the extreme conditions which can be observed in real engine operation. The results show that the fan spray experiences severe changes when the extreme conditions are applied, and this change is generated from the reduced spray momentum and droplet sizes. Furthermore, a low pressure region is observed in front of the fan spray when strong air flow is introduced, and it causes strong entrained air motion along with changing the droplet size redistribution. Therefore, the entrained air motion, spray momentum and droplet size should be considered the main factors affecting fan spray development when extreme operating conditions are applied.
Finally, the combustion characteristics of a DISI engine are investigated to find out the effect of spray alterations on the combustion of the wall-guided and spray-guided systems. The results show that reduced droplet size and enhanced mixing are the essential factors for optimized homogeneous charge combustion of the wall-guided and spray-guided systems. In the wall-guided system, the momentum and droplet size of the spray should be optimized to create a well-stratified and well-mixed mixture near the spark plug for the stratified charge combustion. When the spray is extremely atomized and the spray momentum is very weak, it will lose its initial momentum easily and it will be diffused into the combustion chamber while destroying the well-concentrated mixture distribution near the spark plug. In contrast, when the spray momentum is very strong and the spray is not well-atomized, it will create an area that is too rich near the spark plug. This limits the operation regime of stratified charge combustion. In stratified charge combustion of the spray-guided system, the robust spray, well-atomized spray and the affluent vapor phase near the main spray should be formed for stable combustion. It is suggested that the tapered nozzle spray with neutral characteristics between swirl and non-swirl spray is suitable for spray-guided system application if the optimal taper angle is applied.
In further research, the split injection technology may be applied as a method for extending the stratified charge combustion regime and it is confirmed that split injection improves fuel economy and reduces engine-out emissions under the middle load condition.
직접분사식 가솔린(DISI; direct-injection spark-ignition) 엔진은 과도응답성 및 연료경제성의 향상으로 인해 기존 가솔린 엔진의 대안으로써 인식되어 왔다. 직접분사식 가솔린 엔진은 기존의 포트분사 방식 엔진과는 달리 점화플러그 주변에만 가연혼합기를 형성시켜 주는 희박 성층연소를 이용함으로써 저부하 때의 연료경제성을 향상시키는 장점을 가지고 있다. 지금까지의 직접분사식 가솔린 엔진의 대표적인 연소방식으로써 벽면유도방식(wall-guided system)과 분무유도방식(spray-guided)이 이용되어 왔다. 벽면유도방식은 연료, 유입공기, 피스톤 보울과의 상호 작용을 통해 성층 혼합기를 형성시켜주는 방식이며, 분무유도방식은 분무자체에 점화를 시키는 방식이다. 벽면유도방식의 경우에는 유입되는 공기유동과 피스톤 볼, 분무의 형태를 최적화시켜야 하며, 분무유도방식의 경우에는 주변 조건에 의해 변화하지 않고 미립화 특성이 좋은 분무를 형성시켜야 한다. 따라서, 이 두 가지 연소시스템 모두에서 각각의 운전조건에 따른 분무특성은 매우 중요한 의미를 지니며 이를 밝혀내기 위한 연구들이 지금까지 꾸준히 이루어져 왔다.
본 연구에서는 주변 조건의 변화에 따른 직접분사식 가솔린 엔진용 분무들의 거동을 살펴보고 이에 영향을 미치는 인자들에 대해 해석하고자 하였다. 직접분사식 가솔린 엔진에 적용된 대표적인 분무형태는 선회형태와 비선회형태의 분무이며, 본 연구에서는 각각의 대표적인 분무로써 선회분무와 비선회분무를 선택하였다.
첫번째로, 각각의 운전조건에서 선회분무의 형태에 영향을 미치는 인자들에 대해서 분석하였다. 이를 위해 미시적, 거시적 가시화 기법을 적용하고 분무내부의 압력을 측정하였다. 기존의 연구들에서는 운전조건의 변화에 따른 선회분무의 형태변화가 분무의 운동량, 주변공기유입, 입자크기의 변화에 의한 것으로 요약되어 왔다. 그러나 본 연구에서는 분무 내부의 압력을 주요 인자로 도입함으로써 기존 연구에서 명확히 설명되지 않았던 부분들에 대한 규명을 할 수 있었다.
두번째로, 여러 운전조건 및 주변조건에 의해 극도로 변화되는 선회분무의 형태를 제어하기 위한 방법으로써 경사노즐을 적용하였다. 선회분무는 분무 형태의 변화로 인해 분무유도방식의 적용에 어려움을 겪고 있으며 이의 개선책으로 경사노즐이 대두되어 왔다. 본 연구에서는 기존 연구에서 적용되지 않았던 넓은 범위의 경사각을 적용함으로써 분무의 강성(robustness)을 증가시키고 엔진의 요구에 맞게 선회분무의 형태를 제어할 수 있게 되었다.
세번째로, 비선회분무의 대표적인 형태인 선형분무의 변화에 영향을 미치는 인자에 대한 분석을 수행하였다. 선형분무는 선회분무에 비해 강성이 좋은 것으로 알려져 있어서 주변 조건에 의한 분무형태변화에 대한 연구는 많이 이루어지지 않았으나, 본 연구에서는 실제 엔진에서 발생할 수 있는 극한의 조건을 모사함으로써 실제 엔진 적용 시 발생할 수 있는 선형 분무의 변화에 대한 규명을 하였다.
마지막으로, 이러한 분무형태의 변화가 직접분사식 가솔린 엔진의 성층연소 및 균일혼합연소에 미치는 영향에 대해서 살펴보았다. 이를 통해 최적의 연소를 구현하기 위한 인자의 제어요소들을 도출하고자 하였으며, 이러한 연소특성을 보다 향상시키기 위한 방법으로써 분할분사기법을 적용하여 연소의 향상 가능성을 도출해 내었다.
