A Study of Spark Strategies for Stable Ignition in Lean Conditions with a Spark Channel Model including Stochastic Short-circuit Occurrence = 확률 기반의 short-circuit 현상이 포함된 스파크 채널 모델을 활용한 희박 환경에서의 점화 안정성을 위한 스파크 전략에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

희박 연소의 불안정성은 스파크 점화에서부터 화염의 전파 과정까지 각종 유동과 에너지 현상의 stochastic nature로 인하여 야기된다. 이 중에서도 특히, 스파크 점화로 인하여 초기 화염핵이 형성되는 과정에서 이미 해당 연소 사이클의 성공 여부가 거의 결정된다는 점에서, 희박 환경에서의 연소 안정성 측면에서 스파크 채널에서의 에너지 전달 현상이 중요하다고 할 수 있다. 이때, 스파크 채널로부터 주변 혼합기로 전달되는 에너지는 점화 코일에 부여되는 충전 신호로 특정되는 점화 전략과 스파크 플러그 주변의 유동 조건에 영향을 받는다. 따라서 본 학위 논문에서는 이러한 변인들이 스파크 채널을 통해 전달되는 에너지의 특성에 주는 영향을 분석하였고, 최종적으로는 화염핵의 안정적인 성장 측면에서 점화 환경에 따라 각 점화 전략이 얼마나 효과적으로 작용하는지 이론적으로 예측할 수 있었다.
먼저, 스파크 점화 실험을 통하여 점화 전략과 유동 조건이 스파크 채널의 전기적 특성과 형상적 특성에 주는 영향을 분석하였다. 여기서 점화 전략이란, 충전 시간의 연장, 듀얼 코일 점화 시스템, 다단 점화 전략 등 스파크 에너지를 증가시키기 위한 여러 방식에 해당하며, 유동 조건으로 유속이 비교적 느린 경우와 빠른 경우에 대한 비교 분석을 수행하였다. 스파크 에너지가 강화될수록 방전 전류 또한 증가하였으며, 이는 스파크 채널보다는 점화 회로 내 각종 저항에서의 손실의 비중이 더욱 커지는 데 기여하였다. 하지만 동시에 증가한 방전 전류는 스파크 채널의 길이가 갑자기 짧아지는 short-circuit의 발생 시기를 늦추는데 기여하였고, 이는 스파크 채널이 더욱 긴 길이를 유지할 수 있도록 하였다. 또한, 이러한 보합 관계는 각 점화 전략을 통해 낼 수 있는 스파크 에너지에 영향을 주었다. 충전 시간을 늘리는 전략의 경우, 방전 전류의 증가로 인한 저항 손실의 증가 및 채널 길이의 증가, 이 두 가지 효과가 동시에 발생하여 공급 에너지 대비 스파크 에너지의 비율이 가장 커지는 최적점이 존재함을 확인하였다. 또한, 듀얼 코일 점화 시스템은 스파크 에너지를 초반에 집중시킨다는 특징이 있는데, 해당 전략이 유속이 느린 상황에서 적용된 경우 저항 손실의 증가 효과가 부각되어 오히려 불리하게 작용하였다. 반면에, 유속이 빠른 상황에서는 스파크 채널이 더욱 긴 길이를 오래 유지할 수 있게 되어 더 큰 스파크 에너지와 출력을 낼 수 있었다.
앞선 실험 결과를 기반으로 점화 코일에서의 에너지 현상과 외부 유동에 의한 스파크 채널의 거동을 예측할 수 있는 모델을 개발하였다. 특히, 스파크 채널에서 short-circuit의 발생 시기를 예측할 수 있는 확률 함수 기반의 모델을 제안하였다. 해당 함수는 실험 결과로부터 측정된 스파크 채널의 전류와 전압 데이터를 통해 도출할 수 있었으며, 이러한 모델을 통하여 스파크 채널을 통한 에너지 전달 현상의 stochasity를 일정 수준으로 모사할 수 있었다. 또한, 해당 함수를 다른 실험 조건 혹은 다른 점화 전략에 대한 실험 결과에 적용했을 때도, short-circuit의 발생 시기를 실제 실험 결과와 꽤 유사하게 예측할 수 있었다.
앞서 개발한 스파크 채널에 대한 예측 모델을 활용하여 특정 점화 전략을 적용하였을 때 스파크 채널의 에너지 profile을 얻을 수 있었다. 또한, critical radius와 같이 화염핵이 성장하는 과정을 특징짓는 인자들과 점화 에너지의 상관관계에 대한 이론을 통하여, 특정 스파크 에너지 profile이 안정적인 화염핵의 성장으로까지 이어질지를 판별할 수 있는 기준 물리량을 설정할 수 있었다. 즉, quench time 이내에 minimum ignition energy 이상의 에너지가 스파크 채널에서 혼합기로 전달될 수 있다면 해당 화염핵은 지속 가능하다고 판단하였다. 추가로, 당량비와 난류 강도로 대표되는 점화 환경에 따라 두 기준 물리량(minimum ignition energy와 quench time)이 어떻게 달라지는지 분석할 수 있었고, 최종적으로는 특정 점화 환경과 전략의 조합에 따라 연소 성공 여부를 예측할 수 있었다. 여기서 더 나아가, 스파크 에너지를 강화시킬 수 있는 대표적인 전략으로 듀얼 코일 점화 시스템과 다단 점화 전략이 특히 어떤 점화 환경에서 연소를 성공시킬 수 있는 환경의 범위를 넓히는 데 효과적인지 설명할 수 있었다. 듀얼 코일 점화 시스템은 기존의 점화 시스템에 의한 spark duration이 quench time에 비하여 긴 경우에 특히 점화 가능 영역을 넓히는 데 효과적이며, 반대로 다단 점화 전략은 quench time이 현재 spark duration에 비하여 충분히 긴 경우에만 효과적인 것으로 분석되었다.
스파크 에너지를 강화시킴으로써 희박 연소의 안정성 및 희박 엔진에서의 한계 당량비를 확장시킬 수 있다는 점은 실험적으로 이미 확인되었다. 하지만 본 연구에서는 스파크 점화로 인한 화염핵의 성장 과정에 대한 이론을 기반으로 구체적으로 각 점화 전략이 점화 환경에 따라서 그 효과가 어떻게 달라지는지 설명할 수 있었다. 이는 희박 연소 SI 엔진의 상용화를 위하여 연소의 안정성을 확보하고 운전 가능 영역을 넓히기 위한 다른 연구들에 활용될 수 있다고 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The instability of lean combustion via spark ignition originates from the stochastic nature of flow around the spark plug and energy transfer processes occurring from spark ignition to flame propagation. Among these, the formation of the initial flame kernel after spark discharge is especially critical in determining whether a combustion cycle succeeds. Thus, to secure ignition stability in lean environments, the energy transfer from the spark channel to the surrounding mixture plays a key role. This energy transfer is influenced by two main factors: the ignition strategy, characterized by the charging signal applied to the ignition coil, and the flow conditions around the spark plug. Accordingly, this dissertation investigates how these variables affect the characteristics of energy transfer through the spark channel and ultimately provides a theoretical prediction of the effectiveness of each ignition strategy depending on the ignition environment, in terms of promoting stable flame kernel development.
First, spark ignition experiments were conducted to analyze how different ignition strategies and flow conditions affect the electrical and geometric properties of the spark channel. The tested ignition strategies—intended to increase spark energy—included extending the charge duration, applying a dual-coil ignition system, and introducing multi-pulse discharges. Two flow conditions with relatively low and high velocities were compared. It was observed that stronger ignition strategies led to higher discharge currents, which in turn increased resistive losses in the ignition circuit rather than energy delivered to the channel. However, higher discharge currents also delayed the occurrence of short-circuits, allowing the spark channel to be maintained at longer lengths. In the case of prolonged charge durations, an optimal point was identified where the benefits of increased channel length outweighed the resistive losses, resulting in a peak in the ratio of spark energy to supply energy. Additionally, the dual-coil system, which can concentrate the spark energy early in the discharge, was less effective under slow-flow conditions due to amplified resistive losses. In contrast, under fast-flow conditions, the dual-coil configuration allowed the spark channel to be sustained at longer lengths, improving both spark energy and power.
Based on these experimental findings, a predictive model was developed to estimate the behavior of the ignition coil and the spark channel under the influence of external flow. A key component of this model is a stochastic sub-model for predicting the timing of short-circuit occurrences. This probability-based model was formulated using experimentally measured spark current and voltage data and was shown to replicate the stochastic energy delivery behavior of the spark channel. Moreover, even when ignition strategies different from those used to derive the function were applied, the function was still able to predict the timing of short-circuit occurrences with notable accuracy compared to actual experimental results.
Using the predictive spark channel model, spark energy profiles corresponding to each ignition strategy were generated. Then, by incorporating theoretical insights into the relationship between ignition energy and flame kernel growth—such as the concept of a critical radius—criteria were established to determine whether a given spark energy profile would result in sustained ignition. Specifically, ignition was predicted to be successful if energy exceeding the minimum ignition energy (MIE) was delivered within a limited time frame, referred to as the quench time. The dependence of MIE and quench time on the ignition environment—represented by equivalence ratio and turbulence intensity—was quantified, enabling predictions of ignition success based on the combination of ignition strategy and operating conditions. Furthermore, the effectiveness of dual-coil and multi-pulse strategies in expanding the ignition-permissible region was evaluated. The dual-coil strategy was particularly effective when the quench time was shorter than the original spark duration, whereas the multi-pulse strategy required the quench time to be significantly longer than the existing spark duration to provide additional energy effectively.
Although the benefits of increasing spark energy for improving ignition stability and expanding the lean-limit have been demonstrated experimentally, this study goes a step further by theoretically explaining how the effectiveness of each ignition strategy varies with the ignition environment. The framework and insights presented in this dissertation are expected to contribute to future developments aimed at improving ignition stability and expanding operable conditions in lean-burn SI engines.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Experimental Analysis on Spark Energy with Different Spark Strategies and Flow Conditions 10
• Chapter 3. Model Development of Spark Channel with Stochastic Short-Circuit Prediction 48
• Chapter 4. Predicting the Effectiveness of Ignition Strategies on Initial Flame Kernel Development in Lean Conditions 96
• Chapter 5. Conclusion 129