Due to climate change problems such as global warming, the regulations for carbon emission have been enacted and its regulations have also been strengthened. To mitigate carbon emissions from the transportation sector, energy conversion research was mainly investigated with hydrogen. Because hydrogen does not emit carbon dioxide emissions, it could be applied as a fuel for transportation engines. Therefore, the main objective of this research is the realization and understanding of the energy conversion process by hydrogen lean stratified charged (LSC) strategy with high-pressure injection. Firstly, the analysis of hydrogen jet behavior was conducted in a constant volume chamber. In a similar experimental setup, energy conversion was performed with the hydrogen LSC strategy, and its characteristics were analyzed based on the visualized images. Finally, hydrogen LSC was complemented in a single-cylinder research engine. The engine characteristics were compared with the other charge strategy; homogeneous, lean-homogeneous charge. Hydrogen jet structure analysis and energy conversion research were conducted in a constant volume chamber with a volume of 1.39 L. Hydrogen jet was visualized and captured its structure images by z-type Schlieren visualization method. The effect of injection and ambient pressure on the jet morphology was mainly elucidated. By three different visualization methods(direct flame visualization, flame surface Schlieren visualization, chemiluminescence visualization) and pressure-based data, the hydrogen energy conversion process was analyzed as a function of the different mixture formation times and ambient pressure. The spray-guided direct-injection single-cylinder research engine has a compression ratio of 12: 1. The experiments were conducted at a fixed rotational speed of 1300 rpm. All of the experiments use the 100 bar of hydrogen injection pressure except for the case of injection pressure analysis. Due to the low hydrogen jet inertia than that of the conventional liquid fuel, hydrogen jets was easily collapsed in a high ambient pressure condition. As the pressure difference increases between the inner and outer sections of hollow cone-shaped hydrogen jets, the jet structure was contracted toward the axis of the injector. Although hydrogen has a wide flammable range, the maximum energy conversion efficiency was acquired when the ignition was discharged after the termination of injection. Hydrogen jet morphology plays a critical role in the stable initialization of the energy conversion process. During the hydrogen energy conversion process, visible wavelengths were emitted mostly from the hydrogen-rich area. Injection and ignition timings determined the local equivalence ratio in the periphery of the spark plug, which affect the energy conversion efficiency. Improvement heat transfer is required in the hydrogen energy conversion process due to the low quenching distance and high adiabatic flame temperature of hydrogen. Among three different mixture formation modes, the LSC strategy indicates the highest IMEP. Optimization of the hydrogen LSC could contribute the carbon neutrality in transport sectors. Considering energy security, hydrogen LSC can be the possible solution by diversifying the transportation power source.
지구온난화와 같은 기후변화 문제로 인하여, 탄소배출량 저감에 대한 논의는 과거부터 지속적으로 이루어 졌으며 규제 또한 강화되고 있다. 수송부문의 탄소중립화를 달성하기 위하여, 수소를 이용한 에너지 변환 연구가 중점적으로 수행되었다. 수소는 에너지 변환 과정 중에 이산화탄소를 배출하지 않는 장점과 고갈성에 대한 문제가 낮기 때문에 수소를 기존 동력기관에 적용하고자 하는 연구가 주목받고 있다. 따라서, 본 연구의 주 목적은 고압 수소 직접 분사를 이용한 수소 희박성층화의 에너지 변환을 구현하고 그 특성을 이해하는 것이다. 가장 먼저, 정적챔버 내에서 고압 수소 제트의 형상학적 분석이 수행되었다. 이후, 동일한 환경 내에서 수소 희박성층화를 통한 에너지 변환 연구가 진행되었고 이와 동시에 가시화 기법을 적용하여 에너지 변환 과정의 특성을 이해하고자 하였다. 마지막으로, 연구용 단기통 엔진 내에서 고압 수소 직접 분사를 적용하여 수소 희박성층화를 구현 및 분석하였으며, 기존 혼합기 방식과 비교하였다. 수소 희박성층화를 위한 수소 고압 제트 형상 분석 및 에너지 변환 연구는 약 1.39 L의 체적을 갖는 정적챔버 내에서 수행되었다. 제트 형상 분석은 z-타입의 슐리렌 가시화 기법을 적용하여 분사 및 분위기 압력이 제트 형상에 미치는 영향을, 에너지 변환 연구는 혼합기 형성 기간 및 분위기 압력을 중점적으로 조절하여 압력선도 결과와 세가지 다른 가시화 기법(직접 화염 가시화, 슐리렌 화염면 가시화, 화학종 간접 가시화)을 적용하여 에너지 변환 과정의 특성을 분석하였다. 수소 희박성층화를 통한 고효율 저배기 엔진 구현은 12: 1의 압축비와 0.5 L의 체적을 갖는 분무유도식 직접분사 방식의 연구용 단기통 엔진 내에서 1300 rpm의 고정된 회전 속도 내에서 수행되었다. 분사 압력의 영향을 분석한 제트 형상 가시화 시험을 제외한 모든 실험은 100 bar의 수소 분사 압력이 적용되었다. 연구 결과, 수소 제트의 형상은 높은 분위기 압력 내에서 기존 탄화수소연료 대비 낮은 제트 강성으로 인하여 쉽게 붕괴되는 현상이 관측되었다. 중공형 제트의 내부 및 외부 압력 차이로 인하여 축방향으로 수축된 수소 제트의 형상이 주로 관측되었다. 수소는 넓은 가연 한계를 갖고 있지만, 분사 종료 후 점화 플러그의 방전이 이루어질 때, 에너지 변환 효율이 가장 높게 나타났다. 수소 희박성층화의 에너지 변환 과정 가시화 결과, 수소 제트 형상이 안정적인 에너지 변환을 위해 최적화되어야 하며 에너지 변환 과정 중 가시광선 영역대의 파장이 수소 농후 영역에서 방출되는 현상이 관측되었다. 분사 및 점화 시기는 점화 플러그 주변의 국부 당량비를 결정하였으며, 이는 에너지 변환 효율을 결정 짓는 주요 인자임을 확인되었다. 특히, 수소를 이용한 에너지 변환 연구에서는 낮은 소염거리와 높은 연소 후 온도로 인하여 열손실 개선이 주요 핵심과제로 여겨진다. 수소 희박성층화는 기존 혼합기 방식 대비 가장 높은 에너지 변환 효율을 보였다. 수소 희박성층화의 최적화를 통하여 수송동력부문의 탄소중립화에 기여할 수 있을 것으로 예상되며, 에너지 안보 관점에서의 친환경 동력원의 다양성을 유지할 수 있는 가능한 해법이라 생각된다.
