To meet stringent emissions standards, a considerable amount of development is necessary to ensure the suitable efficiency and durability of catalyst systems in SI engines. The main challenge is to reduce the engine cold-start emissions. Closed-coupled catalyst (CCC) provides fast light-off time by utilizing the energy in the exhaust gas. The close-coupled catalyst performance should satisfy ULEV emission levels after aging at 1050℃ for 24 hours. However, if some malfunctions occurred at engine operation and the catalyst temperature exceeds the 1050℃, the catalytic converter is deactivated and shows the poor conversion efficiency. In that situation, excess fuel is injected intentionally to lower the exhaust temperature. Hence, it resulted in worse fuel economy. In this work, the exhaust cooling system was proposed to lower the exhaust temperature in an SI engine. The heat exchanger was installed between exhaust manifold and the inlet of close-coupled catalytic converter (CCC) to avoid the thermal aging. The exhaust heat exchanger successfully decreased the exhaust gas temperature, which eliminated the requirement of fuel enrichment under high load conditions. However, cooling of exhaust gas through the heat exchanger may cause the deterioration of exhaust emissions at cold start due to the increment of catalyst light-off time. The light-off time was found to increase by 18 seconds in EC mode test. Hydrocarbon emission was also increased by 0.021g/km through it still meets the Euro-IV regulation. The fuel economy was improved by 7.64% at high speed condition owing to no fuel enrichment. The cooling systems in exhaust manifold were developed and cooling efficiencies were compared. The heat flux from the exhaust gas into the coolant in the heat exchanger was calculated using the measured coolant temperatures. Exhaust gas temperatures were calculated analytically as a function of engine speed and load. Surface temperature distribution in exhaust manifold was also calculated analytically to investigate the behaviors of cooling systems.
불꽃점화기관에서의 엄격한 배기규제를 지속적으로 만족시키기 위해서는 촉매장치의 적합한 효율과 내구성을 보장할 수 있는 기술이 필요하다. 근접 장착 촉매의 성능은 1050℃ 에서 24시간 동안의 열화 사이클을 거친 후 ULEV의 배기규제를 만족시켜야만 한다. 그러나 엔진에서 오작동이 발생하거나 촉매의 온도가 1050℃를 초과한다면 촉매변환기의 활성화는 잘 이루어지지 않으며 낮은 수준의 전환효율을 나타내게 된다. 이러한 상황에서 배기 온도를 낮추기 위해 추가적인 연료를 분사하게 되는데 이는 결과적으로 연료경제성의 손해를 초래하게 된다. 따라서 본 연구에서는 불꽃 기관에서의 배기가스 온도를 낮추기 위해 배기가스 냉각장치를 제안하고자 한다. 열화를 막기 위해 열 교환기를 배기관과 근접장착촉매 입구 사이에 장착한 결과 고 부하 조건에서 추가적인 연료의 분사 없이 배기가스 온도가 성공적으로 낮아졌다. 그렇지만 열 교환기를 통한 배기가스의 냉각은 냉 시동 시 활성화 시간의 증가를 초래해 배기배출물의 증가를 가져올 수 있는 문제점을 가지고 있다. 실제로 EC 모드 실험에서 활성화 시간이 18초 증가하고 탄화수소의 배출량 역시 0.021g/km 증가하는 것으로 나타났다. 반면 추가적인 연료의 분사를 하지 않은 고 부하 상태에서는 연료경제성이 7.64% 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 직접접촉과 간접접촉을 하는 냉각장치를 배기관에 장착하였으며 접촉방식의 차이에 따른 냉각효율들을 비교하였다. 배기가스로부터 열 교환기 안의 냉각제로 유입되는 열 유량은 측정된 냉각제 온도를 이용하여 계산하였으며, 배기가스 온도는 엔진 속도와 부하에 대한 함수로 해석적으로 계산하였다. 또한 배기관의 표면 온도 분포 역시 냉각장치의 거동을 조사하기 위해 해석적으로 계산하였다.
