Caused by stern national and international emission limitations (SULEV, EU6) as well as the ambition to satisfy customer demands, turbocharged downsizing engines have established itself as effective concepts for low-emission and fuel-economic vehicles. They are realized by a reduction of the engine capacity whilst maintaining or even increasing its power-density by force-induction.
In this regard, Hyundai Motors Company (HMC) has developed a 1.6l four-cylinder gasoline direct-injection prototype engine with a twin-scroll exhaust-gas turbocharger. As a study project, the general characteristics of the turbocharged gasoline direct-injection (TGDI) engine as well as potentials pertaining to emission and consumption reduction were researched. The target of the diploma/master thesis was to analyze the internal combustion, improve the interaction of internal components and to optimize parameter settings for achieving the lowest possible raw emissions and specific fuel consumption. As test rig, an AVL Puma Open test bench equipped with a HORIBA Exhaust Gas Analyzer and an AVL Smoke Meter was used. High and low pressure indication ensured the monitoring and analysis of the combustion processes.
For optimization of the engine’s characteristic and emission level, various operating points and operating modes like high pressure start (HDR) and catalyst heating (HSP) were analyzed. The focus was on points and areas of interest for the emission driving cycles (FTP-75, NEDC). Adjustment of calibration parameters such as the injection timing, ignition timing and the camshaft phasing for both stationary operation as well as HDR and HSP mode were performed. In addition, a comparison of various injector types with different flow rates and injection angles and their cooperation with the given piston surface was examined and suggestions for constructive improvement pointed out. The component replacement was based on an overdimensioned static flow rate of the initial injector type. Overall target of the research was the reduction of harmful substances that mainly exist due to a suboptimal mixture preparation or inadequate fuel spray guidance with potential wall and piston wetting. Emphasizes were placed on HDR and HSP with stratified operation and homogeneous split injection respectively. A low concentration of hydrocarbons (HC) during the first 60 seconds after engine cranking as well as a low level of smoke in the entire operating range were aimed.
It was measured that the 1.6l TGDI engine possesses a high concentration of smoke in the exhaust gas during the stationary operation at low load and low to mid-high engine speed. The simultaneously detected high HC emissions substantiated the suspicion of an overdimensioned static flow rate of the injector as well as a suboptimal interaction of the spray and the piston bowl, resulting in a high degree of wall and piston wetting. The engine furthermore featured a not finally optimized calibration setting for HDR and HSP. Misfire and engine start-ups with high HC raw emissions were the consequence. By replacing the injector and optimizing the parameter settings, the engine’s emission level was reduced significantly. In addition, the specific fuel consumption has been improved in the entire operating range.
The accomplishment of measurements was done at KEFICO (Joint Venture Robert Bosch GmbH & Hyundai Motor Company) in Seoul, Korea. The results were evaluated and visualized in the master thesis. Support and supervision was provided by the Robert Bosch GmbH, the University of Karlsruhe, Germany, and the Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) in Daejeon, Korea.
오늘날 SULEV, EU6등 국제적인 배기배출 규제가 강화되고 있으며 저연비차량에 대한 구매자들의 요구 또한 높아지고 있다. 이러한 추세에 맞추어 저연비, 저배기를 실현하기 위한 개념으로서 다운사이징엔진이 도입되었다. 다운사이징엔진은 기존 베이스엔진의 출력은 유지하면서 과급을 적용, 엔진의 배기량을 줄임으로서 중량대비 출력을 증강시킨 엔진이다. 연비 및 배기저감을 목적으로 트윈 터보챠저가 장착된 다운사이징 1.6l 4기통 직접분사식 가솔린 엔진이 제작되었다.
본 연구에서는 이 엔진을 대상엔진으로, 엔진 내부에서의 연소를 분석하고, 엔진의 각 요소간의 상호 작용 및 운전조건의 최적화를 통하여 가능한 최저의 배기와 연비를 달성하는 것을 실험목적으로 하였다. AVL사의 Puma Open test bench에서 엔진 실험을 수행하였으며, HORIBA사의 배기가스 분석장치와 AVL Smoke meter를 이용하여 배기가스를 분석하였다. 연소분석을 위하여 흡배기압센서와 연소압센서를 부착하여 각각의 압력을 측정하였다.
엔진 특성과 배기 배출을 최적하기 위하여 다양한 운전조건과 고압시동(HSP), 촉매가열 (catalyst heating) 등의 다양한 운전모드가 분석되었다. FTP-75, NEDC등의 배기 측정 사이클에 중점을 두어 실험을 수행하였으며 정속주행 뿐아니라 HDR, HSP의 실험조건에서 캠샤프트 페이징, 점화시기, 분사시기등의 실험인자들을 변화하며 실험을 수행하였다. 또한 다양한 유량과 분사각을 가지는 분사기들을 시험하고, 피스톤 표면과의 적합성을 살펴보았으며, 개선안을 제시하였다.
구체적인 연구 목적을 최적화되지않은 혼합기 형성 과정 또는 피스톤이나 벽면에 충돌하는 분무에서 주로 발생하는 배기배출의 저감으로 두었으며 이를 위해 후분사와 분할분사가 적용되는HDR과 HSP운전을 중점으로 시동후 초기 60초간 발생하는 탄화수소배출(HC)를 저감하고, 전체운전조건에서 Smoke배출을 감소하는 것을 목표로 하였다. 실험 대상 엔진의 저부하운전 조건에서, 저속부터 중고속영역까지의 운전범위에서 높은 양의 smoke배출이 측정되었다. 이와 비슷한 경향으로 HC의 높은 배출이 관찰되었다.
이것은 혼합기형성과정이 최적화 되지 못한 것에 기인하며 분사기의 지나치게 높은 유량과 피스톤/벽면 적심으로 인한 것으로 생각되었다. 또한 실험대상엔진에서 HDR, HSP운전시 실화가 발생하고 HC배출이 높은 값을 보이는 등 실험인자들의 최적화가 미흡한 것으로 나타났다. 분사기를 교체하고 실험인자들의 최적화를 수행함으로서 높은 수준의 엔진 배기가스 저감을 실현할 수 있었으며 추가로 전운전영역에서 연료소비율을 저감할수 있었다.
본 연구를 위한 실험은 서울에 위치한KEFICO (Robert Bosch GmbH사와 Hyundai Motor Company의 합작회사)사에서 수행되었으며, 실험결과의 분석 및 논문작성은 독일의 Robert Bosch GmbH사와 the University of Karlsruhe, 대전의 Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) 의 지도와 지원하에 수행되었다.
