The development of gasoline engines has been continuously aimed at the reduction of fuel consumption and hazardous emission. Future high-efficiency engines would require advanced combustion processes, but the technological approaches could have adverse effect on the ignitability of air-fuel mixture. In order to overcome these limiting factors, various alternative ignition systems have been recently tested to replace the conventional spark ignition. Among them, corona ignition, which is based on the non-thermal plasma discharge phenomenon, is recognized as a promising solution. The effect of using corona ignition has been already studied by several researchers; however, the most fundamental information on the streamer formation as well as the influence of in-cylinder charge motion are still to be discovered for the optimization of the combustion process. In this work, the variation of discharge morphology and the reaction kinetics with different boundary conditions were investigated in atmospheric air using high-speed imaging and optical emission spectroscopy. Results of both experiments showed that strong flow field near an ignitor electrode reduced the discharge intensity. In a highly turbulent flow, the intensity decreased substantially as well as the shape of streamers were strongly distorted. The variation of spectral intensity measured from the emission spectroscopy was in a good agreement with that of luminous intensity. The corona ignition showed the potential of generating free OH radicals at room temperature in the existence of water vapor. By using spectroscopic temperature measurement methods, the rotational temperature was calculated. The gas temperature of corona discharge lied lower than the plasma temperature of the conventional spark ignition, and it corresponded well to the temperature range of a non-thermal plasma.
최신 가솔린 엔진 개발은 연비개선과 배기저감이라는 목표를 달성하기 위해 다양한 요소기술을 접목하여 연소현상을 개선하는 데 중점을 두고 있다. 그러나 새로운 연소과정의 도입으로 도리어 연소실 내 혼합기의 점화에 불리한 분위기조건이 형성되며, 이로 인해 연소 안정성 및 희박연소의 효과가 저해되는 것이 보고되었다. 이를 극복하기 위해 최근 대체점화기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 그 중 뾰족한 전극에서 발생하는 코로나방전 원리를 이용한 코로나점화기는 가장 유망한 기술로 인정받고 있다. 엔진운전조건 내 코로나점화의 효과는 이미 다수의 연구를 통해 입증된 바 있으나, 연소과정의 최적화를 위해서는 점화기 주변유동이 코로나방전에 미치는 영향에 대한 본질적 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 대기 중 다양한 유동 조건에서의 코로나방전을 초고속촬영법과 방출분광법을 이용해 관찰하였다. 초고속 촬영 결과 코로나점화기 전극 주변 유동의 속도가 증가할수록 방전세기가 감소하였고, 난류성 유동이 가해지는 경우 방전형상이 극심하게 변형되고 방전세기가 급감하는 것을 확인하였다. 또한 방전 밝기의 변화가 스펙트럼의 방출광 세기 변화와 그 경향성이 일치하는 것을 확인하였다. 추가로, 습기 환경에서 코로나방전을 발생 시 상온에서 수산기 라디칼이 형성되는 것을 관찰하였으며, 코로나점화에 의한 기체온도가 스파크점화에 비해 매우 낮고 이것이 저온플라즈마 영역에 해당하는 것을 분광분석 온도측정법을 이용해 규명하였다.
