In this study, the effects of the orifice diameter and hole numbers and the multi-stage split injection strategy on efficiency and exhaust emissions in a diesel engine were investigated. Several injectors with orifice diameters of 117, 110, 100 μm and hole numbers of 8 to 12 were examined. An experiment involving a 0.5L single-cylinder diesel engine under low-load conditions was conducted. In a constant-volume combustion chamber, flame and OH chemiluminescence imaging were employed for measuring the flame penetration, lift-off length, and spray-to-spray interference after wall impingement. The efficiency and emissions characteristics were improved as the orifice diameter decreased from 117 μm to 100 μm. For the injectors with an orifice diameter of 117 μm, as the number of holes increased from 8 to 10, the exhaust characteristics and efficiency were improved due to the higher injection rate, divided fuel quantity per nozzle hole, and wider fuel distribution. However, the injectors with an orifice diameter of 110 μm resulted in the opposite tendency; when the number of holes increased from 8 to 12, the exhaust emissions and efficiency deteriorated due to flame interference. The injector with a smaller orifice diameter and larger hole number, maintaining the hydraulic flow rate, resulted in improved efficiency and reduced emissions. The multi-stage split injection strategy with five injection events was developed to minimize the maximum pressure rise rate in the cylinder. Compared with the conventional two pilot and single main injection, the heat release process split and reduced the maximum heat release rate and heat transfer loss. This work will provide the effects to be considered on the optimization of injector nozzle parameter and injection strategy for improving fuel economy and emissions characteristics in a light-duty diesel engine.
본 연구에서는 디젤 엔진의 연비 및 배기 개선을 위한 인젝터 분공 직경, 분공수의 영향과 다단 분할 분사 전략에 대해 연구하였다. 분공 직경은 117 μm로부터 100 μm까지, 분공수는 8개에서 12까지의 영향을 확인하였다. 0.5L 단기통 엔진에서 저부하 영역에서의 실험을 통해 인젝터 노즐과 다단 분할 분사 영향을 확인하였다. 각 인젝터의 연비 및 배기 특성을 분사율, 화염 도달거리, lift-off 길이, 화염 겹침 현상의 확인을 통해 분석하였다. 노즐 직경이 감소하면 연비 및 배기가 개선되었다. 117 μm 인젝터에서 분공수 증가는 연료 분포 확장, 분공 당 분사되는 분사량의 감소 영향으로 인하여 연비 및 배기가 개선되었다. 반면에 110 μm 인젝터에서 분공수 증가는 분무 모멘텀의 감소와 피스톤 표면 도달 이후 화염 겹침의 영향이 더 크게 작용하여 연비 및 배기가 악화되었다. 근접 다단 분할 분사에서는 5단으로 나뉘어진 분사를 적용하여 실린더 내 압력 상승률을 최소화하였다. 두 번의 파일럿 분사와 메인 분사를 진행하는 기존 분사 전략 대비하여 연소가 상대적으로 분할되어 최대 열 방출률 및 열 전달 손실이 감소하고 연비가 개선되었다. 본 연구를 통해 디젤 엔진의 연비 및 배기 개선을 위한 인젝터 노즐 변수 및 분사 전략 설정에 고려할 영향을 제시하였다.
