GDI 인젝터에서 E85 연료의 노즐팁 주변 분무 거동에 관한 연구

박정현 ( Jeonghyun Park ),박수한 ( Su Han Park ) 한국액체미립화학회 2016 한국액체미립화학회 학술강연회 논문집 Vol.2016 No.-

연비 및 배출가스의 규제로 인해 높은 열효율과 낮은 배출가스 특성을 갖는 엔진 개발에 대한 요구가 점차 커지고 있다. 가솔린 엔진에서는 기존 흡기 포트로 연료를 분사하는 방식(포트분사식(PFI, Port Fuel Injection))에서 연소실 내로 직접 분사하는 방식 (직접분사식(GDI, Gasoline Direct Injection))으로 변화하고 있다. GDI 엔진은 종래의 PFI 엔진보다 압축비가 높아 토크 및 출력이 향상되며, 분사응답성이 높아 연료-공기 혼합기를 비교적 쉽게 제어할 수 있은 장점이 있다. 또한 대체연료를 이용한 배기가스의 저감에 대한 관심도 높아지며 GDI 엔진에서도 가솔린의 대체연료로써 에탄올을 사용하는 연구가 활발히 진행 중이다. 에탄올은 옥탄가와 증발 잠열이 높아 체적 효율 증가에 따른 열효율을 향상을 기대할 수 있으며, 연료 내 함유된 산소의 영향으로 일산화탄소와 미연탄화수소와 같은 배기 배출물 저감 효과를 기대 할 수 있다. 연소실 내로 직접 연료를 분사하기 때문에 GDI 엔진에서 정확한 연료의 제어와 연료-공기 혼합기의 형성은 매우 중요하며, 이를 위해 분사탄올 연료를 적용한 팁 근처 분무거동에 대한 연구가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 멀티홀 GDI 인젝터에 에탄올 85%와 n-heptane 15% 를 혼합한 E85 연료의 분사율을 측정하고, 노즐 팁 주변의 분무 거동을 측정, 분석하고자 한다. GDI 인젝터에서 분사율을 취득하기 위하여 Bosch 법을 기반으로 한 분사율 측정장치를 제작하여 사용하고, 멀티홀 GDI 인젝터(6홀)를 적용하기 위한 어댑터를 제작하였다. 인젝터 제어와 데이터 취득은 LabVIEW 프로그램을 이용하였고, 취득한 전류파형, 압력파형 데이터를 Matlab 프로그램을 이용하여 분사율을 계산하였다. 분무가시화 실험은 정적 체임버를 내에서 진행되었고, 질소를 공급하여 분위기 압력을 형성하였다. 분무 영상 취득을 위해서 고속카메라(FASTCAM, Mini AX100)와 광원으로 메탈 할라이드 램프(KYOWA, MID-25FC)를 사용하였고, 인젝터 팁 주변 분무 거동을 확인하기 위하여 Long distance microscope(Questar, QM-1)를 사용하였다. Fig.1은 분사압력 100 bar 와 200bar 조건에서 n-heptane 과 E85의 분사량을 측정결과를 나타낸 그래프이다. 분사량은 장관 내 압력을 25bar 로 유지한 상태에서 측정하였다. 그림에서 보는 바와 같이 분사압력이 높을수록 두 연료 모두 분사량이 많은 것을 확인할 수 있었다. 두 연료의 분사량비교에서는, 밀도가 높은 E85의 분사율을 나타낸 그래프로써, 분사량과 마찬가지로 E85가 n-heptane 보다 높은 것을 확인하였다. 분사가 시작 될 때 지연기간은 두 연료 모두 비슷하였으며, 니즐이 닫히는 순간에는 E85의 지연기간이 조금 더 길게 나타나는 것을 확인하였다. Fig.3과 Fig.4는 분사압력 100bar, 관내압력 25bar, 통전기간 1.5ms 에서 GDI인젝터의 분무사진으로 Fig.3은 거시적 분무를, Fig.4는 인젝터 팁 근처의 미시적 분무의 사진이다.

초희박 직접분사식 가솔린 엔진용 삼원촉매의 운전조건에 따른 배기저감 특성

박철웅(Cheol Woong Park),이선엽(Sun Youp Lee),이의형(Ui Hyung Yi),이장희(Jang Hee Lee) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集B Vol.39 No.9

세계적으로 유가 상승에 따른 내연기관의 에너지 변환 효율을 높이고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 가솔린엔진에서 높은 열효율을 실현하기 위해서는 희박연소에 의한 비열비의 증가 및 단열화염온도의 저감에 의한 열효율 향상이 필수적이다. 직접분사식 가솔린 엔진은 연료를 직접 연소실에 공급하고 정밀한 연소제어를 통해 희박 연소가 가능하게 하지만 희박연소 한계의 확대와 안정된 희박연소제어가 요구된다. 희박연소 엔진에 대한 삼원촉매의 배출가스 저감특성은 높은 공기과잉률 및 낮은 배기가스 온도로 인해 매우 제한적이다. 이에 효과적인 삼원촉매의 개발을 위해 승용 차량용 엔진의 주요 연비시험 운전조건인 2000 rpm BMEP 2bar 조건에서 공기과잉률의 변화에 따른 배출가스 반응 및 생성 특성을 비교하였다. 희박연소 조건에서 NO₂가 생성되었으며, NO₂의 비율은 공기과잉률이 증가할수록 증가하고 N₂O는 감소하였다. Recently, because of the increased oil prices globally, there have been studies investigating the improvement of fuel-conversion efficiency in internal combustion engines. The improvements realized in thermal efficiency using lean combustion are essential because they enable us to realize higher thermal efficiency in gasoline engines because lean combustion leads to an increase in the heat-capacity ratio and a reduction of the combustion temperature. Gasoline direct injection (GDI) engines enable lean combustion by injecting fuel directly into the cylinder and controlling the combustion parameters precisely. However, the extension of the flammability limit and the stabilization of lean combustion are required for the commercialization of GDI engines. The reduction characteristics of three-way catalysts (TWC) for lean combustion engines are somewhat limited owing to the high excess air ratio and low exhaust gas temperature. Therefore, in the present study, we assess the reaction of exhaust gases and their production in terms of the development of efficient TWCs for lean-burn GDI engines at 2000 rpm / BMEP 2 bar operating conditions, which are frequently used when evaluating the fuel consumption in passenger vehicles. At the lean-combustion operating point, NO₂ was produced during combustion and the ratio of NO₂ increased, while that of N₂O decreased as the excess air ratio increased.

Spray-Guided GDI 엔진의 희박 연소 특성에 관한 연구

김성대(Sung Dae Kim),윤병규(Byoung Kyu Yun),박철웅(Cheol Woong Park),김홍석(Hong Suk Kim) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.5

현재 세계적으로 배출가스 규제 강화와 유가 상승으로 가솔린엔진에서의 유해 배출가스 저감 및 연비 향상 기술이 절실히 필요한 상황이다. GDI 기술은 가솔린 연료를 직접 연소실에 분사하여 고정밀도의 연소제어로 매우 희박한 혼합기에서도 고효율의 연소가 가능함으로 연비저감과 고출력을 동시에 만족할 수 있는 효과적인 기술이다. 따라서 본 연구에서는 GDI 엔진에서 spray-guided 방식을 이용한 희박연소를 가능하도록 하였다. 엔진회전속도 1500 rpm, 도시평균유효압력(IMEP) 0.22 ㎫ 조건에서 연료 분사시기와 점화시기 및 연료분사압력을 변경하며 희박연소특성을 파악하였다. 단기통엔진을 이용한 실험결과, 희박연소 구간에서는 일반적인 MPI 엔진의 연료분사시기보다 늦은 연료분사시기를 통해서 초희박연소(λ=4.2, P<SUB>INJ</SUB>=20 ㎫)가 가능하였다. 또한, NO<SUB>x</SUB>의 배출은 공기과잉율(λ)이 증가할수록 감소하였지만 λ=2.6~4.2와 같은 희박한 영역에서는 큰 차이를 보이지 않았다. GDI system have advantage of the higher power and fuel efficiency compare to MPI system. The fuel injected into the combustion chamber directly while expansion process has cooling effect due to fuel evaporation, and knocking capacity and volume efficiency is improved. The fuel injection system and combustion mechanism are the most important component for a lean burn operation. In this research, the spray-guided type injection system was accessed for the lean-combustion GDI engine. This study was investigated the lean burn characteristics at a constant operating condition (1500 rpm, IMEP 0.22 ㎫). The fuel pressure was varied from 10 ㎫ to 20 ㎫ and the stable combustion was achieved even at ultra lean condition (λ=4.2) with 20 ㎫ injection pressure. Lean-combustion GDI engine can be achieved better performance through late stage of the injection. The results showed that NO<SUB>x</SUB> emission was no significant change in the range of λ=2.6~4.2.

GPF 종류에 따른 직접분사식 가솔린 엔진의 입자상 물질 저감특성

이의형(Ui Hyung Yi),박철웅(Cheolwoong Park),이선엽(Sunyoup Lee),임종한(Jong Han Lim) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集B Vol.39 No.4

세계적인 배출가스 규제의 강화와 함께 화석 연료의 매장량 감소와 유가 상승은 새로운 엔진 기술 개발을 촉진시켰다. 가솔린 직접 분사(GDI; Gasoline Direct Injection) 엔진은 연료를 직접 연소실에 공급하고 정밀한 연소제어를 통해 공연비가 희박한 혼합 상태에서도 연소가 가능하게 하였는데, 이러한 방식은 기존 포트 분사 엔진보다 연비와 출력을 모두 향상시킬 수 있다. 하지만 GDI엔진은 디젤 엔진의 경우와 마찬가지로 soot 발생률이 높아짐에 따라 입자상 물질의 배출이 증대되는 문제를 안고 있다. 이러한 문제를 해소하고자 본 연구에서는 가솔린 입자상 물질 필터(GPF; Gasoline Particulate Filter)를 개발하여 입자상 물질의 배출정도를 저감시키고자 하였다. 필터의 설계 효율에 따라 3가지의 Metal foam 필터와 단일 Metal fiber 필터를 실험에 적용하여 PM과 PN의 저감률을 비교하였다. In the recent times, the use of gasoline direct injection (GDI) engines has been regarded as a means of enhancing conformance to emission regulations and improving fuel efficiency. GDI engines have been widely adopted in the recent years for their better engine performance and fuel economy compared to those of conventional MPI gasoline engines. However, they present some disadvantages related to the mass and quantity of particulate matter generated during their use. This study investigated the nanoparticle characteristics of the particulate matter exhausted from a GDI engine vehicle installed with different types of gasoline particulate filters, after subjecting it to ultra-lean burn driving conditions. Three metal foam and metal fiber filters were used for each experimental condition. The number concentrations of particles were analyzed for understanding their behavior, and the reduction characteristics were obtained for each type of filter.

직접 분사식 가솔린 엔진에서 분사 전략이 실린더 내부 유동 특성 및 연료 성층화에 미치는 영향

양유빈(Yubeen Yang),유영수(Young Soo Yu),정민욱(Minuk Jeong),박성욱(Sungwook Park) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6

가솔린 엔진에서 유동 특성을 나타내는 난류 강도와 텀블비는 화염 전파 및 연소 속도를 결정함에 있어서 중요한 요소이며, 이는 흡기 포트 형상, 밸브 타이밍 및 연료 분사 전략 등 여러 제어 인자에 의해 결정된다. 본 연구에서는 분사 전략 및 분무 패턴에 따라 실린더 내 유동 특성 및 혼합기 형성 과정에 대해 해석적으로 비교 분석하였다. 가솔린 엔진 환경을 해석하기 위해 CONVERGE v2.4를 이용하였으며, 가솔린과 분무 특성이 유사한 n-heptane을 대체 연료로 이용하였다. 분무 모델은 KH-RT 모델을 이용하였고, 연소실 형상을 모사한 고온 및 고압 조건의 챔버 내에서 Schlieren 기법으로 취득한 분무 시험결과를 이용하여 모델을 검증하였다. 하향 분무 패턴을 가진 인젝터 A와 상향 분무 패턴을 가진 인젝터B를 이용하였으며, 각 인젝터에서 분사 시기 및 분사 횟수 (단일 분사와 2단 분사) 등의 분사 전략이 실린더 내부 텀블 유동 및 혼합기 형성과정에 미치는 영향을 고찰하였다. 연구 결과, 분무 유동이 실린더 내 유동 발달에 영향을 줄 수 있으며, 인젝터A를 이용한 single injection 대비 인젝터B를 이용한 double injection 전략이 난류 에너지 증대 및 혼합기 형성 측면에서 이점이 있음을 확인하였다. 본 연구를 통해 분사 전략이 유동 특성 및 혼합기 형성과정에 미치는 영향을 비교함으로써, 분무 유동이 엔진 내부 유동 형성에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 파악하고, 이를 통해 기존 분사 방식에 대해 새로운 패러다임을 제공할 수 있는 실마리를 제공하고자 한다.

성층희박연소 운전조건에서 분사압과 분사시기에 따른 분무유도식 직접분사 가솔린엔진의 연소특성

오희창(Hee Chang Oh),이민석(Min Seok Lee),박정서(Jung Seo Park),배충식(Choong sik Bae) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.10

단기통 직접분사 가솔린엔진의 성층연소 조건에서 연소실험을 수행하였다. 각 분사압조건마다 실화가 발생하지 않는 성층연소가능 분사시기영역이 존재하였으며 이는 혼합기 형성과정의 분위기압에 따른 영향으로 판단하였다. 연소효율은 분사시기를 지각할수록 증가하며 32~28 CAD BTDC에서 최대값을 갖고 이후 감소하는 경향을 보였고 분사압이 높을수록 높은 연소효율이 나타났다. 이러한 연소효율의 경향은 IMEP와 다른 경향을 보였으며 그 이유는 높은 연소효율 조건에서 연소상이 진각되어 음의 일이 증가하였기 때문으로 판단된다. Smoke의 배출은 분사시기가 지각됨에 따라 증가하였으며 높은 분위기 압에서 국부적으로 농후한 영역이 증가하였기 때문으로 생각된다. NOx 배출도 분사시기를 지각함에 따라 감소하였으며 연소상의 지각으로 최대 연소실압력과 온도가 감소하였기 때문으로 생각된다. In this study, single cylinder engine experiment was carried out to investigate combustion characteristics spray guided direct injection spark ignition engine. In the result of engine experiment , it was shown that flammable window of injection timing was existed. The combustion efficiency increased with retarding injection timing, reaching a peak value, subsequent to decrease again. These results were likely due to the effect of ambient pressure on stratified-premixed mixture preparation. 150 bar injection pressure condition and retarded injection timing from the best combustion efficiency injection timing showed the highest IMEP value due to the advanced combustion phase of the maximum combustion efficiency condition. HC emission showed same trend of combustion efficiency, and smoke emission was increased as injection timing was retarded due to the increased locally rich area in the high ambient pressure. NOx emission showed decreasing trend as injection timing was retarded. This is likely due to the maximum in-cylinder temperature was decreased with retarded combustion phase.

500bar 급 GDI 고압인젝터의 유량 및 거시적 분무 특성

유영수(Young Soo Yu),정민욱(Minuk Jeong),양승호(Seungho Yang),박성욱(Sungwook Park) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6

최근 자동차에서 배출되는 배기가스인 CO₂ 및 미세먼지에 대한 배기규제가 점차 강화되고 있다. 이런 강화되고 있는 배기규제를 대처하기 위해 연소와 배기에 영향을 미치는 최적의 연료 분사 시스템의 개발이 필요하다. 지금 현재 국내 출시된 GDI 자동차에 적용되어 있는 연료 분사 시스템은 최대 250bar 연료 분사 시스템을 적용하고 있으며, 국내ᆞ외 시장 규제상황 및 국내 자동차산업 경쟁력 제고를 위해 350bar 및 500bar와 같은 고압 인젝터의 개발되고 있다. 하지만 아직 500bar 급 GDI 고압 인젝터의 유량 특성 및 분무 특성에 대한 연구는 부족한 현황이다. 따라서 본 연구에서는 최근 강화되는 배기규제와 자동차에서 배출되는 미세먼지 문제를 해결하기 위한 엔진 효율 향상 및 미세먼지(PN)을 저감하기 위해 고효율 소형 엔진의 연소에 가장 영향을 미치는 고압 인젝터의 유량 특성 및 분사 압력에 따른 분무 액적의 도달거리 및 분무각 등의 거시적 분무 특성을 연구하였다. 연구에 사용한 고압 인젝터는 비자성체를 적용한 인젝터와 적용하지 인젝터를 대상으로 연구를 수행하였다. 연구방법으로 유량 특성을 파악하기 위해 정밀저울을 이용하여 인젝터에서 분사되는 연료량을 측정하였으며, 고압 인젝터의 단분사 및 다단분사 시 인젝터 열림 및 닫힘시간 및 최대 유량구간을 파악하기위해 Bosch 장관법을 이용하여 분사율 실험을 진행하였다. 또한, 고압 인젝터의 단분사 및 다단분사의 거시적 분무특성을 파악하기 연료 액상을 측정하는 Mie-scattering 기법을 적용하여 분무발달 이미지를 측정하였으며, 측정한 이미지는 MATLAB image processing을 이용하여 시간에 따라 정리하였다.

다공형 GDI 인젝터의 분무 구조 및 발달 과정에 대한 요구

이상훈 ( Sang Hoon Lee ),노현구 ( Hyun Gu Roh ),박성욱 ( Sung Wook Park ) 한국액체미립화학회 2014 한국액체미립화학회 학술강연회 논문집 Vol.2014 No.-

The purpose of this study is to investigate a behavior of spray development and atomization characteristics of a multi-hole gasoline direct injection (GDI) injector. For this experiment, a two-dimensional phase Doppler particle analyzer system was used to measure droplet diameter and velocity simultaneously. To investigate overall atomization characteristics of GDI spray, measurements have been performed on a single jet and center region of spray. Results showed that the SMD at the region of single jet tends to be larger than that of center region of spray. However, approaching the end of injection period, an increase in droplet diameter of center region of spray was observed. This can be considered as the effect of droplet coalescence due to low velocity and large number of droplet. The velocity of single jet maintained a constant velocity of 60m/s during injection period. After the end of injection period, however, a great reduction in the velocity was observed.

직접분사식 가솔린 엔진에서 에탄올 혼합연료의 분무 및 연소특성

오희창(Heechang Oh),Wang Hua,오창훈(Changhoon Oh),박정서(Jungseo Park),배충식(Coongsik Bae) 한국자동차공학회 2009 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2009 No.11

An experimental study was carried out to investigate the effect of ethanol concentration in ethanol blended gasolone on spray characteristics, engine performance and emissions in a single cylinder spray guided direct injection spark ignition engine. The planar laser induced fluorescence and planar Mie scattering macroscopic spray imaging were conducted using simulated fuel. Ethanol showed faster evaporation, enhanced local homogeneity and smaller liquid phase area near the spark plug. The For the engine experiment, it was shown that increased ethanol concentration in ethanol blened gasoline gives wider stratified combustion range in terms of injection timing due to faster evaporation, lower combustion instability and NOx emission due to enhanced local homogeneity and increased IMEP because additional retardation of injection is available.

GDI 엔진의 흡기계 정상상태 유동 특성에 관한 연구

李珉湖,尹俊圭,車京玉 明知大學校 産業技術硏究所 2004 産業技術硏究所論文集 Vol.23 No.-

Lean burn gasoline engine, classified into port injection and direct injection, is recognized as a promising way to meet better fuel economy. Especially, gasoline direct injection engine is becoming increasingly popular due to their potential for improved fuel economy and emissions. Also, GDI engine has the advantages of higher power output, higher thermal efficiency, higher EGR tolerance due to the operation characteristics of increased volumetric efficiency, compression ratio and ultra-lean combustion scheme. However, GDI engine has many difficulties to be solved, such as complexity of injection control mode(fuel injection timing, injection rate), fuel injection pressure, spark timing, unburned hydrocarbon and restricted power. This study aims to develope fundamental key techniques for the lean burn in GDI engine. The techniques in this study include intake port design (SCV) and test method. Experimental is applied to investigate the effects of swirl control valves to improve the engine performance and emission, efficiency in GDI engine.