The regulations have been strengthened related to emission i.e., particulates, carbon dioxide and nitrogen oxides. At the low ambient temperature, the emission problem becomes critical due to the low intake air temperature that affects the in-cylinder temperature nearby TDC(Top Dead Center), resulting incomplete combustion. Especially, in the compression ignition engine which requires high ambient temperature to initiate the auto-ignition of diesel fuel, the low intake air temperature has a negative effect on not only the emission problem, but also combustion efficiency.
Related to the aforementioned problems, this study was to investigate the effect of cold-start condition on spray characteristic and flame development, more specifically, the temperature and cetane number of diesel fuels on the spray characteristic and flame development under cold-start conditions in the cranking period at different ambient temperatures of 293, 273, and 253K. To simulate the cranking period conditions of the real diesel engine, a constant volume combustion chamber(CVCC) was mainly used and the typical ambient pressure and injection pressure were fixed at 3 and 30 MPa, respectively. To achieve the purpose of this study, firstly, the injection quantity variation was examined by using the Bosch tube method. Then, the Mie-scattering and the Shadowgraphy method were applied for the spray characteristic, and the direct flame visualization method for the flame development analysis depending on the different cetane number of fuels.
It is founded that fuel flow characteristics is very important as the fuel temperature decreases since it affects increases in fuel viscosity, density, and surface tension. The amount of injected fuel at the same injection duration decreased as the fuel temperature went down to 253K. The injection rate curves were changed by decreasing fuel temperature, the key foundings were: (1) the peak value of injection rate was lowered, (2) the time where the injection started is retarded, (3) the time where the injection ended was advanced.
The increased viscosity and surface tension and the low ambient temperature inside a constant volume combustion chamber(CVCC) affects the spray characteristics. As a result, the liquid phase tip penetration was lengthened and spray angle was smaller as the cold-start temperature decreased. The reason being is that, the high viscosity and surface tension could resist a spray atomization process, and disturb the interaction between the ambient air and fuel droplets. In addition, the quantity of vaporized fuel in the spray was significantly reduced as the cold-start temperature lowered. These results present incomplete fuel-air mixture formation, making the flame undeveloped. For the enhanced combustion characteristic, two methods had applied: (1) the application of the multiple injection (2) the use of high cetane number fuel. The multiple injection helped an increase in the temperature and pressure at the main injection time. In addition, even if the multiple injection is applied, the use of fuel having high cetane number was critical to raise the combustion characteristic since high cetane number fuel has short ignition delay. Therefore, the applied the multiple injection and the use of high cetane number fuel could increase the pressure rising inside chamber and combustion characteristic as well.
High cetane number of fuel and the apply of multiple injection strategy should be considered for enhancing the cold-startability of diesel engine. Especially, the effect of using high cetane number of fuel clearly present the improved combustion characteristic at the low cold-start temperature, and could decrease the possibility of incomplete combustion during the cranking period under the cold-start condition.
입자상 물질, 이산화탄소, 질소산화물과 같은 자동차 배기가스 규제가 지속적으로 강화되고있다. 낮은 외기 온도조건에서는 낮은 흡기온도로 인해 TDC 근처의 실린더 내부 온도가 낮아지게 되고, 이는 불완전 연소를 야기하여 배기문제를 더욱 악화시키게 된다. 특히 높은 실린더 내부온도를 통해 디젤연료의 자발화 과정을 이용한 압축착화방식으로 구동되는 디젤엔진의 경우 배기문제와 더불어 연소효율에도 악영향을 미치게 된다.
앞서 언급한 문제와 관련해서 본 논문에서는 냉시동 조건이 분무특성과 화염발달에 미치는 영향에 대해 다루고, 구체적으로는 외기온도 293K, 273K, 253K 조건과 디젤엔진 시동구간 중 크랭킹 구간에서 디젤연료의 온도 및 세탄가가 분무특성과 화염발달에 미치는 영햐에 대해 살펴보도록한다. 크랭킹 구간에서 형성되는 실린더 내부 온도와 압력을 모사하기위해 정적연소챔버(CVCC)를 사용하였고, 챔버 내부의 분위기 압력은 3 MPa, 연료 분사압력은 30MPa로 설정하였다. 본 연구는 Bosch tube 방법을 이용하여 분사율 측정실험을 실시하고, 분무특성을 분석하기위해 Mie scattering, Shadowgraphy 방법을 적용하였다. 또한, 연료의 세탄가에따른 화염발달을 분석하기위해서 직접화염가시화 기법을 사용하였다.
연료온도의 감소는 연료의 점도, 밀도, 표면장력을 증가시키기 때문에 온도에 따른 연료의 유동특성이 매우 중요함을 알 수 있었다. 연료온도가 253K로 감소함에따라 동일한 분사기간동안 분사되는 분사량이 감소하게 되는데, 이와같은 결과의 원인으로 다음의 분사율 곡선의 변화를 들수있다. (1)최대 분사율 위치가 낮아진다. (2)분사 시작시기가 늦어진다. (3) 분사가 끝나는 시점이 빨라진다.
증가하는 연료의 점도와 표면장력 그리고 낮은 정적연소챔버 분위기 온도는 분무특성에 영향을 미치게 된다.그 결과 냉시동 온도조건이 낮아짐에 따라 액상 분무침투거리가 증가하고, 액상 분무각도가 작아진다. 이 같은 결과의 원인은 높은 점도와 표면장력은 미립화과정을 억제하고, 연료액적과 주변공기와의 상호작용을 감소시킨다. 기상 분무의 양 또한 냉시동 온도조건이 낮아질수록 감소하게 된다. 기상 분무 실험결과는 화염발달에 필요한 연료-공기 혼합물의 감소를 갖고오게된다.
냉시동 조건에서 나타나는 낮은 연소특성을 향상시키기위해 다단분사, 고 세탄가 디젤연료를 적용하는 실험을 진행하였다. 다단분사는 보조분사의 도움으로 주분사 시기의 챔버 내부의 온도와 압력을 더 증가시켜 화염발달에 도움을 준다. 그러나, 다단분사를 적용하더라도, 점화지연시간이 상대적으로 짧은 고 세탄가 디젤연료를 사용했을때 연소특성이 더욱 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 그러므로, 다단분사와 고 세탄가 디젤연료의 사용은 연소특성을 증가시킬 뿐만아니라, 챔버 내부의 압력상승률을 증가시키는 결과를 갖고온다.
디젤엔진의 냉시동성을 향상시키기위해서는 고 세탄가 디젤연료의 사용과 다단분사의 적용을 고려할 필요가 있다. 특히 고 세탄가 디젤연료의 사용은 낮은 냉시동 온도조건에서 연소특성을 향상시키는데 효과적임을 알 수 있고, 냉시동 조건에서 나타나는 크랭킹 구간의 불완전 연소를 줄일 수 있다.
