An experimental study was carried out to investigate combustion characteristics of a spray-guided direct-injection spark-ignition (DISI) engine under lean stratified operation. In-cylinder pressure analysis and emissions measurement were conducted to investigate effect of engine operation and design parameters on combustion and emission characteristics in a single cylinder engine which has 0.5 L of displacement volume and 12:1 of compression ratio. In addition, Various visualization techniques were applied to understand physical phenomena of combustion and mixture formation processes in a spray guided DISI engine. Planar laser induced fluorescence(PLIF) technique was applied in a constant volume chamber to evaluate the mixture formation characteristics. In-cylinder spray and combustion in an optical engine were visualized to provide a physical understanding of the combustion and mixture formation characteristics. Experimental condition was set to represent low load and speed condition of which fuel consumption potential of stratified combustion is the most significant.
Firstly, design parameters for the sark plug geometry were tested in the metal engine. Spark plu projection penetrating in to the mixture area resulted in resonable combustion stability while projection at the mixture surface showed limited operation range for stable combustion. In addition, spark plug orientation was found to have zero angle to the injector to reduce cyclic variation. Optimized spark plug projection and orientation were applied throughout this study.
Effects of injection timing and pressure were tested in the metal engine and optical engine to understand general characteristics of combustion and emission behavior under stratified combustion operation. Combustion in a stratified DISI engine was found to have both premixed and mixing controlled flame characteristics. The stratified mixture characteristic for the injection timing was verified as a dominant factor of the flame characteristics. For the early injection timing, non luminous flame and low combustion efficiency were observed due to the over-mixed mixture formation. On the contrary, luminous sooting flame was shown at the late injection timing because of under-mixed mixture formation. In addition, Smoke emission and incomplete combustion products were increased at the late injection timing due to increased locally rich area of the mixture. On the other hand, nitrogen oxides (NOx) emissions were decreased while indicated mean effective pressure (IMEP) was increased as the injection timing was retarded. The retarded combustion phasing was verified as the reason in this observation. Combustion process in a stratified DISI engine was found to have 3 major process; the premixed flame propagation which shows faster combustion speed and high intensity of heat release rate, mixing controlled combustion showing high intensity of luminous flame and lean premixed combustion of which combustion speed and intensity of heat release rate were low. Luminous sooting flame during the combustion process is identified that it represents in-cylinder formation of particulate matter(PM). PM emission was verified that it is originated from the locally rich area in the stratified mixture which was not burned during the main combustion propagating.
Split injection strategy was applied to control drawbacks of stratified combustion such as NOx and Smoke emissions. It was shown that lean premixed combustion characteristics were introduced with split injection strategy. Retarded combustion phasing and slower combustion speed were observed as a result. NOx and Smoke emissions were reduced with split injection due to the moderate combustion speed and enhanced local homogeneity. However, incomplete combustion products were increased by over-mixing effect. Split injection with optimized injection strategy was identified as an effective way to reduce NOx and Smoke emissions with a comparable IMEP . From the results of combustion and in-cylinder spray visualization, the liquid phase of the mixture and luminous sooting flame were reduced significantly with the split injection strategy.
The effect of exhaust gas recirculation(EGR) on combustion and emission characteristics was tested. EGR rate from 8 to 20 % was applied with a main purpose of NOx emissions reduction in this study. Combustion efficiency and IMEP were reduced with EGR application compared to case without EGR. However, For cases with EGR, IMEP was increased as EGR rate was increased due to the retarded combustion phasing. With EGR, NOx emissions could be reduced upto 70 %. However, IMEP was also decreased about 20 %. No significant change of Smoke emission was observed in this study.
The feasibility and advantage of ethanol blended gasoline application were researched in this study. From the vapor pressure comparison, ethanol was identified to have the potential of generating a more appropriate spray under stratified combustion condition a in DISI engine. The spray characteristics, including local homogeneity and phase distribution, were investigated by the planar laser-induced fluorescence and the planar Mie scattering method in a constant volume chamber. As a result, enhanced local homogeneity and faster vaporization were observed in ethanol spray. The single cylinder engine was operated with pure gasoline, 85 %vol, 50 %vol and 25 %vol ethanol blended with gasoline (E85, E50, E25) to investigate the combustion and exhaust emission characteristics. With ethanol blending, the injection timing could be retarded closer to the TDC as the ethanol content increased. Higher IMEP was achieved by retarding the combustion phasing due to increased effective work. NOx emissions were decreased with ethanol blending due to the lower peak of in-cylinder temperature by combustion retardation. Ethanol-blended gasoline also results in less Smoke emission due to improved physical process of pre-combustion and chemical characteristics as an oxygenated fuel.
Combustion improvement methods applied in this study resulted in reduced NOx emission and Smoke emission up to 70 % and 80 % respectively while the efficiency was at the same level of base engine operation strategy. Enhanced mixing process, moderated stratified combustion and retarded combustion phasing were observed commonly in these strategies. The combustion improvement methodologies in this study could reduce NOx emissions which are the most important technical issues in current stratified combustion engines. However, there is still low level of NOx which needs after treatment system such as LNT and SCR to meet today`s strict exhaust gas regulation. Nevertheless, the result of this study would be meaningful to provide margin of after treatment system loading and cost as well as feasibility of combustion improvement methodologies.
본 연구에서는 차세대 가솔린 엔진 기술로 주목받고 있는 분무 유도식 직접분사 가솔린 엔진(direct injection spark ignition ; 직접분사 전기점화)의 성층연소 개선에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 실험은 보어 85 mm, 스트로크 88 mm를 갖는 압축비 12:1의 단기통 엔진에서 수행되었다. 대표적인 성층연소 운전조건인 저속/저부하 실험조건에서 단기통 성능엔진 실험을 통하여 배기, 출력/성능 측정 및 연소압 해석을 수행하였고 가시화 엔진과 정적 챔버에서 가시화 기법을 적용하여 분무 및 연소특성을 고찰해보았다. 이를 통하여 성층연소 운전 조건에서 분무 유도식 DISI 엔진의 기초적인 연소 및 분무 특성을 파악하고 연소 개선안을 적용하여 평가하고, 효과에 대하여 고찰하였다.
성층 연소조건의 분무 유도식 DISI 엔진에서는 빠른 연소속도와 진각된 연소상으로 인하여 NOx의 배출이 높고, 일변환효율(work conversion efficiency)가 낮은 경향을 관찰하였으며 특히 최대 IMEP 조건에서 불균질 혼합기에 의하여 확산연소가 발생하고 이로인하여 Smoke 발생량이 높은 것으로 파악되었다. 본 연구에서는 성층연소 개선을 위하여, 에탄올 혼합연료, 분할분사 기법, EGR을 적용하였으며 연소 개선 전략들은 혼합기 형성 과정의 개선 (분할 분사 전략, 에탄올 연료 적용), 농후 연소 한계가 큰 연소의 적용(에탄올 연료 적용), 산소 농도 감소 및 연소 완화(EGR)을 통하여 연소상을 지각함으로써, IMEP를 증가하거나 기본 전략 수준으로 유지할 수 있었던 공통점을 나타내었다. 또한, 연소상의 지각효과와 연소 완화를 통하여 NOx를 저감할 수 있었으며 혼합 형성과정 개선과 함산소 연료의 적용을 통하여 Smoke 배출을 감소(에탄올, 분할분사)하거나 기준 수준으로 유지(EGR)할 수 있었다.
플러그 전극 위치의 최적화를 수행하기 위하여 주요 인자로 전극 침투 길이(eletrode projection)과 전극의 분무 대향각도(electrode orientation)를 선정하여 각각의 영향에 대하여 성능실험을 수행하였다. 성능 실험 결과 7.5 mm 의 전극 침투 길이가 분무의 미립도가 우수한 고압의 분사영역에서 더 넓은 연소가능영역을 보이는 것으로 평가하였다. 전극의 분무 대향각도는 전극의 개방부가 분사기와 정확히 마주보는 각도인 0 °에서 연소안정성이 가장 높은 경향을 나타내었으며 특히 전극 침투 길이가 짧은 경우 작은 전극 대향각도의 변화에도 연소불안정성이 민감하게 증가하는 경향을 살펴보았다.
분사 시기와 분사압을 인자로 단기통 엔진 실험을 수행한 결과 연소효율은 안정적인 연소가능한 분사시기영역의 중간지점인 분사종료 시기 기준 34~28 CAD BTDC에서 최대 98 %의 최대값을 보였고 분사 시기가 지각, 또는 진각됨에 따라 감소하는 경향이 나타났다. 이것은 실린더 내부의 분위기압에 따른 영향으로 진각된 분사 시기에서는 과다혼합(over-mixing) 효과가, 지각된 분사 시기에서는 혼합부족(under-mixing)효과가 발생했기 때문으로 판단되었다. 진각된 분사 시기에서는 희박예혼합 연소로 인한 불완전연소 배출물이 증가하였고 지각된 분사 시기에서는 국부적으로 농후한 혼합기에서 발생하는 불완전연소 배출물이 증가하고 확산연소 발생을 반영하는 Smoke 배출이 증가하였다.
이상의 결과에서 분사 시기에 따른 혼합기 형성 특성이 연소효율, Smoke 배출, 화염 특성에 지배적인 인자임을 알 수 있었다. 반면, NOx와 IMEP는 분사 시기에 따른 연소상의 변화에 주로 영향을 받는 것으로 판단되었으며 분사 시기가 지각함에 따라 NOx는 감소하고 IMEP는 증가하는 경향을 확인하였다.
정적챔버와 가시화 엔진에서 수행된 분무가시화 결과를 통하여 지각된 분사 시기의 경우 (고압의 분위기압 조건) 분무도달 거리가 감소하고 국부적으로 농후한 영역이 증가하였으며, 진각된 분사 시기의 경우 (저압의 분위기압 조건) 분무 도달거리가 길고, 상대적으로 균질한 희박 혼합기가 형성됨을 확인하였다. 이러한 경향은 연소효율의 결과에서 설명했던 진각된 분사 시기의 과다혼합, 지각된 분사 시기에서의 혼합부족 효과를 반영하는 것으로 판단하였다.
화염 가시화 실험결과 진각된 분사 시기의 경우 희박 예혼합연소의 특징이 강한 청염이 지배적으로 나타났으나, 분사 시기가 지각될수록 백열로 인한 휘염이 증가하였고, 확산연소의 성격이 강해지는 것을 살펴볼 수 있었다.
성층연소과정을 주연소의 전반부와 후반부 그리고 후연소 과정으로 나누어 각각 과정에서의 연소특성을 분석하였다. 성층연소의 주연소 과정동안 빠른 연소속도와 높은 열방출율을 특징으로 하는 예혼합화염 전파가 일어난 뒤, 주연소과정 후반부에 성층 혼합기 내부의 국부적으로 농후한 영역에서 확산화염이 발생하였고, 마지막으로 이전의 주 연소 과정 동안 연소되지 못했던 희박 혼합기가 높은 연소실 온도로 인하여 연소되는 희박예혼합연소가 진행되는 것을 알 수 있었다. 그리고 성층연소에서 발생하는 입자상물질은 주연소 구간중의 예혼합 화염전파 기간 동안 연소되지 못했던 국부적으로 농후한 영역이 주연소 구간 후반에 확산연소의 형태로 연소되면서 생성되는 것임을 판단할 수 있다.
본 연구에서는 성층연소에서 발생하는 NOx와 Smoke를 저감하고, 연소상을 최적화하기 위하여 분할 분사기법을 적용하였다. 이때 성층연소를 균질혼합기와 성층혼합기의 양, 즉 분할분사비율에 의하여 제어하는 전략과 분사간 간격 조정을 통해 혼합기 형성시간을 제어하고 성층혼합기의 균질도를 제어하는 전략을 적용하였다.
두 전략 모두, 성층연소를 적절하게 완화하고 희박 예혼합 연소의 성격을 도입함으로써, 단일분사수준인 0.28~0.29 MPa 수준의 IMEP를 유지하면서도 단일 분사조건보다 NOx와 Smoke를 저감할 수 있는 가능성을 확인하였다. 그러나 희박 예혼합연소의 성격이 증가하게 되는 경우에는 NOx와 Smoke가 크게 저감 가능하나 연소효율이 크게 감소하여 비효율적인 전략으로 판단되었다.
가시화 엔진에서의 분무가시화를 통하여, 분할분사 적용 시 점화 시기에서 플러그 주변 혼합기의 균질성과 증발성이 향상되는 것을 확인하였다. 또한 화염가시화를 통하여 분할분사 적용 시, 연소 과정 중 발생하는 휘염이 감소하고 액상연소가 감소하는 결과를 확인하였다.
성층 연소 시 발생하는 NOx를 저감하고 연소상을 제어하기 위한 목적으로 EGR을 적용하여 연소특성을 평가하였다. 8%~20%의 EGR을 적용하여 평가하였으며 30%까지 EGR율을 증가시키는 경우 대부분의 분사 시기 조건에서 실화가 발생하였다. EGR을 적용하는 경우 연소효율이 감소함에 따라 IMEP가 감소하였다. 그러나 EGR을 적용한 경우에는 EGR 율이 증가할수록 연소상지각의 효과로 인하여 IMEP가 소폭 상승하였다. EGR을 적용함에 따라 NOx를 최대 70% 까지 감소할 수 있음을 확인하였으나, HC가 3배 정도 증가하였고 IMEP가 20% 정도 감소하는 경향이 나타났다.
EGR을 적용한 경우, 연소효율이 크게 감소하고 연소상 지각 효과가 크게 나타나지 않았으며, 그 원인으로 성층연소 운전 시 국부적으로 농후한 조건에서 연소가 발생하므로, EGR 적용에 따른 산소 농도 감소의 악영향이 큰 것으로 판단하였다. 따라서, 혼합기의 균질성을 향상시킬수 있는 분할분사기법과 EGR을 동시 적용하여 효과를 관찰하였다. 그결과, 연소효율이 소폭 개선되었으며, 연소상 지각의 효과가 증가하여 기본 전략과 비슷한 수준의 IMEP를 얻을수 있었다. 또한 30%의 EGR률로도 일부 구간에서 운전이 가능하므로, 단일분사에 EGR을 적용한 경우보다 100 ppm 정도의 NOx를 추가 저감할 수 있었다.
가솔린의 증기압을 열역학 해석을 통하여 계산하였고 에탄올의 값과 비교한 결과, 20-138°C의 온도구간에서는 가솔린이 에탄올보다 증기압이 높으나 138°C부터 에탄올의 증기압이 가솔린 보다 커지는 경향을 확인하였다. 따라서 일반적인 성층연소 운전 조건에서 에탄올 혼합연료를 사용하는 경우 가솔린 보다 우수한 증발특성이 나타날 것이라고 판단하였다.
에탄올과 이소옥탄의 PLIF 이미지 해석을 통하여 에탄올 분무가 이소옥탄에 비하여 분무의 증발성이 우수하여 확산속도가 빠르고 국부적인 균질도가 높은 것을 확인하였으며 평면 Mie 산란 이미지 해석을 통하여 에탄올의 경우가 와류부근에 액상의 분포가 적어 점화에 유리한 혼합기를 형성함을 알 수 있었다.
단기통 엔진 연소실험에서 에탄올 혼합효과에 따른 연소특성을 살펴본 결과, 에탄올 비율이 증가 할수록 분사종료시기를 지각할 수 있었으며 이는 에탄올의 우수한 증발 및 확산특성, 그리고 가솔린보다 높은 농후 가연 한계에서 기인한 것으로 판단되었다. 에탄올 연료를 적용하여 연소상을 지각함으로서, IMEP와 효율을 향상시키고 NOx 배출을 최대 80% 이상 저감할 수 있었다. 또한 에탄올은 함산소 연료로서, 혼합연료의 에탄올 비율이 증가 할수록 Smoke의 배출이 감소하는 경향을 확인하였다. 그러나 에탄올 혼합 연료 사용시, 에탄올의 낮은 발열량으로 인하여 연비가 증가하게 되며, 에탄올 연료의 낮은 점성으로 인하여 분사 장치의 내구성 문제가 있을 수 있음을 고찰하였다.
