點火에너지와 豫混合氣 流動特性이 電氣點火機關의 燃燒에 미치는 影響

국문 초록 (Abstract)

희박혼합기를 유동분위기에서 급속하게 연소시켜 기관 구동시 발생할 수 있는 토크의 변동을 최소화하고, 유해한 배기가스의 배출량을 저감시키기 위한 기술의 개발이 필요하다.
즉, 희박연소의 실현을 위해서는 희박한 혼합기의 발화성 향상을 위한 점화조건 재선과 연소촉진을 위한 혼합기 유동조건의 개선이 요구된다.
따라서, 본 연구에서는 난류강도의 제어가 가능한 유동형 정적연소기와 단기통 가시화기관 및 실기관을 사용하여 연구를 수행하였다.
혼합기의 유동특성과 점화에너지 방전특성이 연소에 미치는 영향을 밝히기 위하여 방전횟수 및 기간의 제어를 통해 점화에너지 방출 패턴을 변화시킬 수 있는 고주파점화장치(high frequency ignition system)를 개발하였다.
이를 통하여 점화조건과 점화핵(jgnition kernel) 성장의 관계 및 유동특성과 점화에너지의 방전특성이 전기점화기관의 연소에 미치는 영향을 실험적으로 고찰하여 착화와 연소를 고려한 기관 내에서의 적정 유동조건의 규명과 함께 유동 및 당량비를 고려한 적절한 점화방법을 제시하였다.
희박연소 기술 개선 및 저연비 연소실 설계를 목적으로 실린더 내의 혼합기 유동과 점화에너지 방전특성이 예혼합기의 연소에 미치는 영향에 대한 실험적 연구를 수행한 결과를 요약하면 다음과 같다.
1. 착화성은 점화에너지의 밀도가 높은 경우에 양호하나, 점화에너지 밀도는 낮아도 방전시 용량성과 유도성에너지가 다수회 발생하는 고주파정화의 경우에 더욱 양호하다.
2. 고주파점화장치의 방전특성이 혼합기의 착화 및 실기관의 운전특성에 미치는 영향은 1차전압, 방전기간, 방전주파수의 순으로 나타났다.
3. 난류강도의 증가와 함께 열이용효율이 증가하는 현상은 난류강도의 증가로 인한 연소기간이 단축되는 영향인 것으로 판단되며, 희박혼합비 영역에서 높은 열이용효율을 보이는 것은 희박혼합비에서 연소최고온도가 낮기 때문이다.
4. 고주파점화장치를 사용한 경우에 희박한 혼합비 영역에서도 도시평균유효압력의 사이클 변동률은 5% 이하로 낮게 나타나는데, 이는 방전시 용량성과 유도성에너지가 다수회 발생함으로써 초기화염 형성에 기여하기 때문인 것으로 판단된다.
5. 순수 텀블유동에 비하여 텀블비와 스월비의 크기가 상대적으로 적절한 값으로 존재하는 경사 텀블유동의 경우가 화염전파를 촉진하였다.
6. 고주파점화장치는 혼합기의 유동특성에 따라 서로 다른 스파크방전 형성기간과 방전기간 및 1차전류 회복기간을 보였다.
7. 압축말기의 연소실내 유동특성은 화염전파속도에 영향을 미치고, 순수 텀블유동에 비하여 스월이 가미된 경사 텀블유동의 경우에 화염의 중심분포도가 집중되는데, 이는 설정된 유동조건이 화염의 전파에 유리한 영향을 주어 연소 안정성이 개선된 결과로 보인다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

For the improving fuel economy and the reducing exhaust emissions in spark-ignition engines, the concept of lean burn is a concurrent attractive feature. Ignition instability and the reduction of flame propagation rate result in the increased cycle-to-circle combustion variations associated with lean burn. Combustion stability under lean mixture conditions could be improved by increasing burning rates through enhanced flow characteristics and by securing ignitability with better ignition systems. High-frequency ignition system(HIS) was developed to improve the stability of initial flame development under the lean burn condition. The electrical principle of the HIS is based on successive spark discharges in a spark plug. The ignition system provides electronically controlled charges in spark duration(1∼10msec) and restriking rates(5∼30kHz).
Flow characteristics of tumble-swirl were varied with swirl control valve(SCV) attached to the combination of tumble and swirl strengths achieved by various shapes of SCV. The effects of flow and ignition characteristics on the combustion performances and their interaction were investigated in a constant volume combustion chamber and a 4-valve SI engine. Flow characteristics were quantified by steady flow tests and in-cylinder flow measurements. Ignition energy and its distribution were measured through secondary voltage and current measurements, and controlled in a HIS by changing spark duration and sparking frequency. Combustion performances were evaluated by pressure analyses, exhaust gas analyses and the photographs analyses of initial flame propagation taken by a schlieren optics and an ICED camera in a constant volume combustion chamber and a single-cylinder optical engine. The improving of lean burn performances by the optimum flow and ignition characteristics was discussed. The results of this study are summarized as follows ;
1. The increase of ignition energy has a positive effect on that of the maximum combustion pressure, as the mixture gets leaner within the lean agitability limit.
2. The absolute value of ignition energy and its distribution of ignition systems have a great influence on the operating characteristics of engine, as the mixture gets leaner within the lean agitability limit.
3. A HIS developed to improve lean bum has a resonant frequency range of 15∼25khz where the breakdown voltages are highest.
4. Longer spark durations, over the 1.5msec, retain the successful ignition for very lean mixtures up to A/F 23 and longer duration expands lean ignition limit.
5. Optimum ignition requirements are determined by the flow characteristics. Discharge patterns, which is characterized by spark duration and frequency, and ignition energy influences the engine stability especially under lean mixture conditions. In this study, 2msec spark duration, 20khz discharge frequency and 120v primary voltage give the best performance of HIS on the consideration of regular driving condition.
6. HIS enables ignition to be made successfully even in the strong flow field such as inclined tumble/swirl because the supply of successive ignition energies induces increase of kernel volume and enhances the flame propagation speed of the early flames.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = ⅰ
• Ⅰ. 서론 = 1
• 1. 연구배경 = 1
• 2. 종래의 연구 = 3
• 3. 연구목적 = 10
• Ⅱ. 착화성 향상을 위한 고주파점화장치의 개발 = 13
• 1. 서론 = 13
• 2. 고주파점화장치의 설계 = 14
• 가. 고주파점화장치의 원리 및 특성 = 14
• 나. 회로의 구성 및 특성 = 16
• (1) 펄스발생부 = 16
• (2) 고압발생부 = 18
• 3. 고주파점화장치의 점화에너지 방전특성 = 19
• 4. 결론 = 26
• Ⅲ. 강제유동의 제어가 가능한 정적연소기 = 44
• 1. 서론 = 44
• 2. 실험장치 및 방법 = 45
• 3. 연구결과 및 고찰 = 48
• 가. 점화에너지와 당량비 및 유동과의 관계 = 48
• 나. 점화에너지 방전특성과 예혼합기의 연소 = 53
• 4. 결론 = 58
• Ⅳ. 전기점화 가시화기관 = 76
• 1. 서론 = 76
• 2. 실험장치 및 방법 = 77
• 가. 가시화기관 = 77
• 나. 제어 시스템 = 80
• 다. 기관 흡기시스템과 실린더 내 혼합기 유동 = 83
• 3. 연구결과 및 고찰 = 87
• 가. 고주파점화특성과 예혼합기의 초기 착화성 = 87
• 나. 유동에 따른 점화에너지 방전특성 = 90
• 다. 흡기포트 각도와 스월조절밸브에 따른 연소특성 = 93
• 라. 점화에너지 방전특성과 희박연소 = 95
• 마. 연소화염의 가시화 = 98
• 바. 점화에너지 방전 및 유동특성과 배기가스 조성 = 106
• 4. 결론 = 165
• Ⅴ. 결론 = 167
• 1. 고주파점화장치의 개발 = 167
• 2. 강제유동의 제어가 가능한 정적연소기 = 168
• 3. 전기점화 가시화기관 = 169
• 가. 고주파점화특성에 의한 영향 = 169
• 나. 흡기포트 각도와 SCV의 영향 = 169
• 다. 연소화염의 가시화 = 170
• 참고문헌 = 171
• ABSTRACT = 179