Effects of Injection Strategy on Combustion and Emission Characteristics in a Direct Injection Spark Ignition Engine = 직분사식 불꽃 점화 엔진에서 분사 전략이 연소 및 배기 배출물 특성에 미치는 영향

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

To reduce greenhouse gas emissions, a direct injection (DI) system was introduced to increase performance and reduce exhaust emissions in a downsized engine compared with a port fuel injection (PFI) system when fossil fuel conditions are the same. However, the DI system emits more ultrafine particles than the PFI system, which has led to regulations and research to reduce particulate emissions. This study focuses on the injection characteristics including entrained lubricant and spray interaction, dual-fuel system, oxygenated fuels, and nozzle hole layout that affect particulate formation factors on combustion characteristics and exhaust emissions in a DISI engine under various engine operating conditions. An instrumented combustion single-cylinder DISI engine was used to measure the combustion characteristics and gaseous exhaust emissions, and single- and two-cylinder optical DISI engines were used to capture the spray and flame images.
To identify the effect of entrained lubricant and spray interaction, fuel blends composed of lubricant and gasoline in different ratios were used and experimented with various injection pressures and timings. The combustion characteristics and gaseous exhaust emissions indicated that the lubricant did not influence the combustion performance and mixture homogeneity but had an impact on the unburned fuels. The spray behavior and flame image showed that the lubricant did not influence the spray but influenced the wall film formation during the injection period, which is a major factor affecting particulate matter generation. Particulate emissions indicated that the lubricant included in the wall film significantly affected PN emissions depending on the injection conditions. Additionally, the influence of the lubricant on the wall film affects the overall particle size and its distribution.
The effect of utilizing methane was identified by injecting methane using a PFI injector and injecting gasoline using a DI injector at different injection ratios, which were conducted with various injection pressures and timings. Combustion characteristics showed that at G70M30, an increase in the intake pressure and spray momentum from gasoline injection compensated for the slow flame propagation speed of methane, leading to an increase in IMEP; however, a further increase in the methane ratio resulted in the dominance of the burning velocity of methane, reducing IMEP. The gaseous emissions indicated that the addition of methane increased the mixture homogeneity, lowered the combustion temperature, and reduced the carbon-hydrogen ratio. An increase in the methane ratio decreased the wall film caused by gasoline injection and increased mixture homogeneity, resulting in a reduction in PN emissions. However, gasoline injection is still required to aid air/fuel mixture formation by facilitating in-cylinder flow, which results in lower PN emissions compared to methane PFI injection.
To observe the effect of oxygenated fuel, methanol was blended with gasoline at different ratios and investigated at various injection pressures and timings. The combustion results showed that methanol’s fast burning velocity, high latent heat of evaporation, and oxygen content increased the combustion speed at early injection timing, combustion completeness, and reduction of compression work at late injection timing, all leading to an increase in IMEP under all injection conditions. The gaseous exhaust emissions indicated that blending methanol could lower the carbon mass fraction, enhance mixture homogeneity, and lower the combustion temperature under all injection conditions. The lower boiling point and oxygen content of methanol reduced the wall film, enhanced the mixture homogeneity, and stimulated soot oxidation, leading to a reduction in PN emissions at lower injection pressure; however, the difference in PN emissions between fuel blends was reduced owing to better atomization and increased in-cylinder flow at high injection pressures.
Particulate emission reduction targeted multi-hole DI injectors with one injector having a part of the injector nozzle enlarged and positioned at the middle of the nozzle holes, and another injector with a partially enlarged nozzle hole at the bottom were used and compared by changing one of the engine operating parameters, including engine speed, air-fuel ratio, and injection timing. Changing the engine speed and air-fuel ratio did not affect the combustion characteristics and gaseous exhaust emissions because the early injection timing did not affect the in-cylinder flow and mixture homogeneity. PN emissions decreased as the nozzle hole was partially enlarged and positioned at the bottom due to the spray from the enlarged nozzle hole, hindering the in-cylinder flow moving towards the exhaust side cylinder liner, which causes the spray to move in that direction. However, when the injection timing was retarded, the enlarged nozzle hole reduced spray momentum and kept the spray from reaching the exhaust side cylinder wall, but hindered the in-cylinder flow, resulting in a reduction in the combustion performance and an increase in the gaseous exhaust emissions.
In conclusion, the lubricant-gasoline blend combustion and exhaust emission results showed that the physical properties of the lubricant affected wall film formation, causing a substantial amount of PN emissions, even with a small amount. Methane PFI-gasoline DI experiment showed that dual fuel system alleviated particulate formation factors which reduced exhaust emissions while minimizing engine performance degradation through increase in intake air flow rate. The methanol-gasoline blend experiment indicated that the physical and chemical properties of methanol can not only reduce PN emissions, but also increase engine performance and reduce exhaust emissions. The nozzle hole layout experiment showed that nozzle hole size and position can reduce PN emissions under various engine operating conditions but can affect combustion characteristics and exhaust emissions owing to the spray pattern affecting the in-cylinder flow. Therefore, combustion characteristics and exhaust emissions are important because they aid in analyzing the effect on particulate formation factors and engine performance, which is a crucial factor for downsized DISI engines.

국문 초록 (Abstract)

온실가스 배출량을 감소시키기 위하여, 다운사이징 된 엔진에서 동일 연료 조건 아래 연소 성능을 향상하게 시키고 배기 배출량을 포트 분사(PFI) 방식에 비해 감소시키기 위하여 직분사(DI) 방식이 도입되었지만, 직분사 방식은 포트 분사 방식에 비하여 입자상 물질을 더 많이 배출하기 때문에 이를 줄이기 위한 규제와 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는, 다양한 엔진 운전 조건에서 유입된 윤활유와 분무 상호작용, 이중 연료 시스템, 함산소 연료, 그리고 인젝터 노즐 형상을 포함하는 입자상 물질 형성 요인에 영향을 주는 분사 특성이 직분사식 불꽃 점화 엔진의 연소 성능 및 배기 배출에 미치는 영향에 대하여 분석하였다. 이를 위하여 단기통 직분사 엔진을 사용하여 연소 특성과 가스상 배기 배출물을 측정하였고 단기통 및 2기통 직분사 엔진을 사용하여 분무 및 화염 이미지를 촬영하였다.
유입된 윤활유와 분무 상호작용에 대한 영향을 분석하기 위하여, 다양한 비율로 윤활유와 가솔린을 혼합하여 다양한 분사 조건에서 실험을 진행하였다. 연소 특성과 가스상 배기 배출물 결과를 통하여 윤활유는 연소 성능과 혼합기 형성에는 영향을 미치지 않았지만, 미연소 연료에는 영향을 미치는 것을 확인하였다. 분무 및 화염 가시화 결과를 통하여 윤활유가 분무 형상에는 영향을 주지 않지만, wall film 형성에는 영향을 주는 것을 확인하였다. 입자상 물질 개수를 확인한 결과, wall film에 포함된 윤활유로 인하여 분사 조건에 따라 입자상 물질 개수에 유의미한 영향을 미치며, wall film에 포함된 윤활유로 인하여 입자상 물질 크기와 분포도에도 영향을 미치는 것을 확인하였다.
메탄을 이용한 효과는 다양한 비율로 포트 분사 인젝터를 사용하여 메탄을 분사하고 직분사 인젝터를 사용하여 가솔린을 분사하여 확인하였으며, 실험은 다양한 분사 조건으로 진행하였다. 연소 특성을 분석한 결과, G70M30에서 증가한 흡기 압력과 가솔린의 분무 모멘텀으로 인하여 메탄의 느린 화염전파속도를 보상하여 IMEP가 증가하였으나, 그 이상으로 메탄이 분사되었을 경우 메탄의 화염전파속도의 영향이 더 지배적으로 되어 IMEP가 감소하였다. 가스상 배기 배출물 결과를 통하여 메탄 분사는 혼합기를 균질하게 하고, 연소 온도를 낮추며, 탄소 비율을 감소시켜 주는 것을 확인할 수 있었다. 메탄 분사 비율이 증가할수록 입자상 물질 개수가 혼합기 균질도 향상 및 가솔린으로 인한 wall film 감소로 인하여 줄어들지만, 메탄만 분사했을 경우에는 가솔린 분사로 인한 연소실 내부 유동이 없어 있는 경우에 비하여 혼합기 형성이 덜 되어 입자상 물질 개수가 증가하는 것을 확인하였다.
함산소 연료가 미치는 영향에 대하여 확인하기 위하여, 함산소 연료 중 하나인 메탄올을 가솔린과 다양한 비율로 혼합하고, 다양한 분사 조건에서 실험을 진행하였다. 연소 결과를 통하여 메탄올의 빠른 연소 속도, 높은 증발 잠열, 그리고 산소 함량이 이른 분사 시기에서 연소 속도를 증가시키고, 늦은 분사 시기에서 연소 완정성과 압축 손실을 줄여 모든 분사 조건에서 IMEP를 증가시켜 주는 것을 확인하였다. 이런 메탄올의 특성은 가스상 배기 배출물에도 영향을 주어 혼합기 균질도 향상, 연소 온도 감소, 그리고 탄소 함량 감소로 가스상 배기 배출물을 감소시켜 주는 것을 확인하였다. 메탄올의 낮은 끓는점과 산소 함량은 wall film 형성 감소, 혼합기 균질도 향상, 그리고 soot 산화를 가져와 낮은 분사 압력에서는 입자상 물질 개수를 감소시켜 주었으나, 높은 분사 압력에서는 분무 미립화 및 내부 유동 강화로 인하여 혼합물 간의 차이가 없는 것을 확인하였다.
인젝터 중 하나는 인젝터 중앙부에 위치한 노즐들의 직경을 키우고 나머지 하나는 하단부에 위치한 노즐들의 직경을 키운 다공 직분사 인젝터를 사용하여 엔진 운전 조건(엔진 속도, 공연비, 분사 시기) 중 하나를 변경하여 인젝터 간의 차이를 비교하였다. 엔진 속도 및 공연비를 변경하였을 경우에는 이른 분사 시기가 혼합기 형성 및 연소실 내부 유동에 영향을 주지 않아 연소 성능 및 가스상 배기 배출물에 영향을 주지 않았으나 노즐 홀의 직경이 커지고 아래쪽으로 이동할수록 입자상 물질 개수가 감소하였는데, 이는 직경이 커진 노즐에서 나온 분무가 흡기에서 배기 방향으로 이동하는 유동을 막아 분사된 연료가 배기 쪽 벽면에 닿는 것을 막기 때문이라는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, 분사 시기가 지각될 경우에는 직경이 커진 노즐에서 나온 분무의 모멘텀이 줄어들어 배기 쪽 벽면에 분무가 닿는 것을 막아주지만, 동시에 연소실 내부 유동을 방해하여 연소 성능이 감소하고 배기 배출물이 증가하게 만든다는 것을 확인할 수 있었다.
결론적으로, 윤활유-가솔린 혼합 연료 연소 특성 및 배기 배출물 결과는 윤활유의 물리적 특성이 wall film 형성에 영향을 미쳐 소량에도 불구하고 많은 양의 PN 배출을 초래하는 것을 보여주었으며, 메탄 포트 분사-가솔린 직분사 실험은 이중 연료 시스템이 입자상 물질 형성 요인을 완화해 배기 배출물을 감소시켰으며 흡기 유량 증가를 통하여 연소 성능 하락을 최소화하였다. 메탄올-가솔린 혼합 실험은 메탄올의 물리적 및 화학적 특성이 PN 배출량을 감소시켜 주었을 뿐만 아니라 엔진 성능을 향상하게 시키고 배기 배출물을 감소시켰다. 노즐 홀 형상 변경 실험의 경우 노즐 홀 크기 및 위치는 다양한 엔진 운전 조건에서 PN 배출량을 감소시켜 줄 수 있지만 분무 패턴이 연소실 유동에 영향을 미치는 조건에서는 연소 성능 및 배기 배출물에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 연소 특성 및 배기 배출물을 분석하는 것은 입자상 형성 물질 요인을 분석하는 데 도움을 줄 뿐만 아니라 이는 다운사이징 된 직분사식 불꽃 점화 엔진에서 중요한 요소인 엔진 성능에 영향을 미치기 때문에 중요하다.

목차 (Table of Contents)

• Table of Contents i
• List of Figures iii
• List of Tables vi
• Nomenclature vii
• Abstract x
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Background and motivations 1
• 1.2. Literature Reviews 6
• 1.2.1. Effects of engine operating conditions on particulate emissions from a DISI engine 6
• 1.2.2. Effects of lubricant on particulate emissions 8
• 1.2.3. Combustion performance and exhaust emissions from methane-gasoline dual-fuel engine 10
• 1.2.4. Combustion performance and exhaust emissions from oxygenated fuels 11
• 1.2.5. Effects of multi-hole DI injector nozzle hole layout on spray characteristics and PN emissions 13
• 1.3. Objective 15
• Chapter 2. Experimental Apparatus, Methodologies, and Conditions 17
• 2.1. Experimental apparatus 17
• 2.1.1. Combustion Engine and operating systems 17
• 2.1.2. Gaseous and particulate matter emission measurement systems 20
• 2.1.2.1. Gaseous emission measurement systems 20
• 2.1.2.2. Particulate matter emission measurement systems 23
• 2.1.3. Optical Engine and operating systems 25
• 2.2. Experiment methodologies 28
• 2.2.1. In-cylinder pressure post-processing methods 28
• 2.2.2. Spray and flame image post-processing methods 31
• 2.3. Experimental conditions 35
• 2.3.1. Lubricant-gasoline blend 35
• 2.3.2. Methane-gasoline injection ratio 37
• 2.3.3. Methanol-gasoline blend 39
• 2.3.4. Injector nozzle hole layout 41
• Chapter 3. Results and discussions 45
• 3.1. Effects of lubricant-gasoline blend on combustion performance and exhaust emissions 45
• 3.1.1. Combustion performance and Gaseous emissions 45
• 3.1.2. Spray behavior and diffusion flame visualization 51
• 3.1.3. Particulate emissions 56
• 3.2. Effects of fuel ratio on combustion performance and exhaust emissions 62
• 3.2.1. Methane-gasoline dual fuel 62
• 3.2.1.1. Combustion characteristics 62
• 3.2.1.2. Gaseous exhaust emission characteristics 68
• 3.2.1.3. Particulate exhaust emissions characteristics 70
• 3.2.2. Methanol-gasoline blend 76
• 3.2.2.1. Combustion characteristics 76
• 3.2.2.2. Exhaust emission characteristics 82
• 3.3. Effects of nozzle hole layout spray behavior on combustion performance and exhaust emissions 87
• 3.3.1. Engine speed 87
• 3.3.2. Air–fuel ratio 93
• 3.3.3. Injection timing 98
• Chapter 4. Conclusions 104
• 4.1. Lubricant-gasoline blend 104
• 4.2. Methane-gasoline dual fuel 106
• 4.3. Methanol-gasoline blend 108
• 4.4. Nozzle hole layout on spray behavior 110
• 4.5. Future works 113
• Reference 116
• 국문 요지 122