흡기밸브 제어를 통한 저 압축 PCCI 디젤 엔진에서의 분사전략에 따른 연소 및 배기 특성 (The) characteristics of combustion and emissions according to injection strategies in a low compression PCCI diesel engine using retarded intake valve timing원문보기
국제적으로 지구온난화와 한정된 석유자원의 고갈에 대한 우려가 커짐에 따라 에너지 효율이 보다 높은 자동차의 개발과 차량으로부터 발생하는 유해배출가스 저감에 대한 요구가 점점 증대되고 있다. 이와 같은 맥락에서 열효율이 높은 디젤엔진은 상대적으로 저렴한 연료의 사용과 높은 연비특성 등의 많은 장점들을 가지고 있으며, 지구온난화의 주범으로 손꼽히는 이산화탄소 (CO2) 배출량이 매우 낮아 현재 대형 상용차용으로는 물론 승용자동차의 동력원으로까지 그 사용빈도가 점점 늘어가고 있는 추세이다. 하지만 디젤엔진의 연소특성상 국부적인 고온반응 구간에서의 ...
국제적으로 지구온난화와 한정된 석유자원의 고갈에 대한 우려가 커짐에 따라 에너지 효율이 보다 높은 자동차의 개발과 차량으로부터 발생하는 유해배출가스 저감에 대한 요구가 점점 증대되고 있다. 이와 같은 맥락에서 열효율이 높은 디젤엔진은 상대적으로 저렴한 연료의 사용과 높은 연비특성 등의 많은 장점들을 가지고 있으며, 지구온난화의 주범으로 손꼽히는 이산화탄소 (CO2) 배출량이 매우 낮아 현재 대형 상용차용으로는 물론 승용자동차의 동력원으로까지 그 사용빈도가 점점 늘어가고 있는 추세이다. 하지만 디젤엔진의 연소특성상 국부적인 고온반응 구간에서의 질소산화물 (NOx) 과 확산연소 구간에서의 입자상 물질(PM: Particulate Matter) 등의 배출가스 증가가 문제점으로 대두되고 있다. 따라서 이와 같은 디젤 엔진의 단점을 극복하고 날로 강화되고 있는 배기가스 규제를 만족시킬 수 있는 저공해 고효율 엔진 기술 개발에 관한 끊임없는 연구가 진행되고 있으며, 그 중 이러한 요구를 충족시키기 위한 방법으로 예혼합압축착화 (PCCI: Premixed Charge Compression Ignition) 연소가 주목을 받고 있다. 디젤연료를 이용한 PCCI 엔진은 연료와 공기가 충분히 혼합될 수 있는 조기분사를 이용하여 연소실내 희박 균일한 혼합기를 형성시키고 이를 압축열에 의해 동시 다발적으로 착화시킴으로서 전체적으로 낮아진 연소온도로 인한 NOx의 배출량이 획기적으로 줄게 되며, 완전연소에 가까운 균일혼합 연소로 매연이 동시에 저감되는 효과를 가지고 있다. 또한 기존 디젤엔진의 급격연소구간에서 발생하는 진동과 소음이 저감되므로 승용자동차와 같은 정숙성이 요구되는 차량 동력원으로의 사용에 따른 거부감을 줄일 수 있다. 그러나 이와 같은 예 혼합 연소의 경우 효율이 높은 디젤 엔진의 장점을 갖는 동시에 NOx와 PM의 저감에 효과적이지만, 연소실내 균일 혼합기를 형성을 돕기 위해 주로 이른 분사 시기를 사용하므로 실린더 내 낮은 온도• 압력 조건에서의 고압 연료 분사로 인한 연료의 벽류 증가로 THC와 CO 등의 배출이 증가되고, 압축과정 중 TDC 이전의 착화로 인한 연비악화 등의 문제가 발생하게 된다. 따라서, 본 연구에서는 인젝터의 기본 특성을 파악하기 위해 분사조건에 따른 분사량과 분사율을 측정하였고, 분무가시화를 통해 혼합기 형성과 배기가스에 영향을 미치는 분문도달거리 및 다단 분사 특성을 비교 분석하여 예혼합연소를 위한 분사전략을 수립하였으며, 예혼합연소의 이른 착화시기를 제어하고 연소효율을 높이기 위한 방법으로 흡기밸브 개폐 시기 지각을 통한 저 압축비를 구현하고, 밸브시기에 따른 압축비 특성을 분석하였다. 최종적으로는 피에조 인젝터가 적용된 2.2리터 급 커먼레일 직접분사 방식의 예혼합압축착화 엔진을 사용하여 벽류 저감을 위한 다단분사 전략과, 효율향상을 위한 압축비 변화가 연소 및 배기 성능에 미치는 영향을 다양한 조건의 엔진실험과 이론적 배경을 통하여 평가하였다. 본 연구의 결과는 직접 분사방식의 디젤 엔진에서 분사전략과 저 압축비 조건이 예혼합 압축착화 연소와 배기가스에 미치는 영향을 분석한 것으로 향후 예혼합압축착화 연소를 적용하기 위한 엔진의 설계와 제어 전략에 필수적인 기초 테이터를 제공할 수 있을 것으로 판단되며, 특히 기존 디젤엔진 시스템에 본 연구에서 제시된 가변압축 기술을 적용할 경우 운전조건에 따라 기존 디젤연소와 예혼합압축착화 연소의 변환이 가능하므로 보다 효율이 높은 연소의 구현이 가능할 것으로 보여 신연소 디젤엔진의 최적 설계에 중요한 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
국제적으로 지구온난화와 한정된 석유자원의 고갈에 대한 우려가 커짐에 따라 에너지 효율이 보다 높은 자동차의 개발과 차량으로부터 발생하는 유해배출가스 저감에 대한 요구가 점점 증대되고 있다. 이와 같은 맥락에서 열효율이 높은 디젤엔진은 상대적으로 저렴한 연료의 사용과 높은 연비특성 등의 많은 장점들을 가지고 있으며, 지구온난화의 주범으로 손꼽히는 이산화탄소 (CO2) 배출량이 매우 낮아 현재 대형 상용차용으로는 물론 승용자동차의 동력원으로까지 그 사용빈도가 점점 늘어가고 있는 추세이다. 하지만 디젤엔진의 연소특성상 국부적인 고온반응 구간에서의 질소산화물 (NOx) 과 확산연소 구간에서의 입자상 물질(PM: Particulate Matter) 등의 배출가스 증가가 문제점으로 대두되고 있다. 따라서 이와 같은 디젤 엔진의 단점을 극복하고 날로 강화되고 있는 배기가스 규제를 만족시킬 수 있는 저공해 고효율 엔진 기술 개발에 관한 끊임없는 연구가 진행되고 있으며, 그 중 이러한 요구를 충족시키기 위한 방법으로 예혼합압축착화 (PCCI: Premixed Charge Compression Ignition) 연소가 주목을 받고 있다. 디젤연료를 이용한 PCCI 엔진은 연료와 공기가 충분히 혼합될 수 있는 조기분사를 이용하여 연소실내 희박 균일한 혼합기를 형성시키고 이를 압축열에 의해 동시 다발적으로 착화시킴으로서 전체적으로 낮아진 연소온도로 인한 NOx의 배출량이 획기적으로 줄게 되며, 완전연소에 가까운 균일혼합 연소로 매연이 동시에 저감되는 효과를 가지고 있다. 또한 기존 디젤엔진의 급격연소구간에서 발생하는 진동과 소음이 저감되므로 승용자동차와 같은 정숙성이 요구되는 차량 동력원으로의 사용에 따른 거부감을 줄일 수 있다. 그러나 이와 같은 예 혼합 연소의 경우 효율이 높은 디젤 엔진의 장점을 갖는 동시에 NOx와 PM의 저감에 효과적이지만, 연소실내 균일 혼합기를 형성을 돕기 위해 주로 이른 분사 시기를 사용하므로 실린더 내 낮은 온도• 압력 조건에서의 고압 연료 분사로 인한 연료의 벽류 증가로 THC와 CO 등의 배출이 증가되고, 압축과정 중 TDC 이전의 착화로 인한 연비악화 등의 문제가 발생하게 된다. 따라서, 본 연구에서는 인젝터의 기본 특성을 파악하기 위해 분사조건에 따른 분사량과 분사율을 측정하였고, 분무가시화를 통해 혼합기 형성과 배기가스에 영향을 미치는 분문도달거리 및 다단 분사 특성을 비교 분석하여 예혼합연소를 위한 분사전략을 수립하였으며, 예혼합연소의 이른 착화시기를 제어하고 연소효율을 높이기 위한 방법으로 흡기밸브 개폐 시기 지각을 통한 저 압축비를 구현하고, 밸브시기에 따른 압축비 특성을 분석하였다. 최종적으로는 피에조 인젝터가 적용된 2.2리터 급 커먼레일 직접분사 방식의 예혼합압축착화 엔진을 사용하여 벽류 저감을 위한 다단분사 전략과, 효율향상을 위한 압축비 변화가 연소 및 배기 성능에 미치는 영향을 다양한 조건의 엔진실험과 이론적 배경을 통하여 평가하였다. 본 연구의 결과는 직접 분사방식의 디젤 엔진에서 분사전략과 저 압축비 조건이 예혼합 압축착화 연소와 배기가스에 미치는 영향을 분석한 것으로 향후 예혼합압축착화 연소를 적용하기 위한 엔진의 설계와 제어 전략에 필수적인 기초 테이터를 제공할 수 있을 것으로 판단되며, 특히 기존 디젤엔진 시스템에 본 연구에서 제시된 가변압축 기술을 적용할 경우 운전조건에 따라 기존 디젤연소와 예혼합압축착화 연소의 변환이 가능하므로 보다 효율이 높은 연소의 구현이 가능할 것으로 보여 신연소 디젤엔진의 최적 설계에 중요한 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
As anxieties about global warming and the depletion of petroleum resources are growing worldwide, many research groups have a great interest in diesel engines with their high thermal efficiency and low CO2 (carbon dioxide) emission well-known as the factor of ‘Global Warming’. However, it is establi...
As anxieties about global warming and the depletion of petroleum resources are growing worldwide, many research groups have a great interest in diesel engines with their high thermal efficiency and low CO2 (carbon dioxide) emission well-known as the factor of ‘Global Warming’. However, it is established facts that a larger amount of NOx (nitrogen oxides) and PM (particulate matter) are generated in locally excessive combustion temperature regions and fuel rich regions in diesel combustion. Exhaust gas after-treatment systems are often used to reduce the NOx and PM emissions below the required regulation levels, but it cannot be a feasible long-term solution because of its complexity, high cost, and inefficient performance at low load conditions. Therefore, getting down the peak combustion temperature in order to reduce NOx emissions and making a better air-fuel mixture to minimize diesel particulate matter formation in the combustion process are very important. PCCI (premixed charge compression ignition) combustion has the potential to achieve such conditions with its attractive advanced combustion process which a largely premixed homogeneous mixture is ignited simultaneously across the whole combustion chamber with eliminating diffusion flame. And in this way it can has advantages of both a high thermal efficiency and the emission reduction of NOx and PM. However it has also got some problems such as a limited operating range and higher fuel consumption produced by the difficulty of ignition timing control and fuel impingement against the cylinder wall. Add more it is a fact realizing combustion of fully premixed charge with compression ignition is difficult, especially using conventional diesel engine systems. Therefore, in this study an injection strategy of multiple early and single main type was used for a 4-cylinder diesel engine adopting a piezoelectric injector system. Triple injection was applied for the early injection to reduce the wall wetting and to increase the premixed charge rate, and the main combustion was controlled with another single injection near TDC (top dead center). In addition, the compression ratios were changed with retarding the intake camshaft angle to control the whole combustion phase for improving engine efficiency and in this case, there were not any changes of the expansion ratio and other engine structures. For the first, injection quantity and rate were measured then the characteristics of injected fuel spray behavior and penetration were investigated using visualization test to get the basic information of the injector. Secondly, the cam profile and the valve lift were measured then a steady state flow test was conducted to identify the flow coefficient and the swirl ratio of the cylinder head according to various angles of swirl control valve. Finally, the combustion and emission characteristics of the 4-cylinder PCCI engine were investigated with controlling injection timings, injected fuel mass ratios and compression ratios in various engine operating conditions. In conclusion, PCCI combustion partially achieved with an injection strategy using triple early and single main combined injections, and then the optimized injection conditions were able to reduce NOx and PM emissions simultaneously. However, ignition of the early injection took a place prior to TDC that generally causes a decrease in engine efficiency, therefore fuel consumption increased. The ignition timing and whole combustion could be controlled with reduced compression ratios by using a technique of RIVT (retarded intake valve timing). Consequently, it was allowed to prevent the high fuel consumption while the emissions were being kept low. This research works are expected to provide valuable information and solution contributing to the development of advanced combustion engines and the results should be helpful to optimize and expand the operating range of PCCI combustion to be applied to the conventional diesel engine system.
As anxieties about global warming and the depletion of petroleum resources are growing worldwide, many research groups have a great interest in diesel engines with their high thermal efficiency and low CO2 (carbon dioxide) emission well-known as the factor of ‘Global Warming’. However, it is established facts that a larger amount of NOx (nitrogen oxides) and PM (particulate matter) are generated in locally excessive combustion temperature regions and fuel rich regions in diesel combustion. Exhaust gas after-treatment systems are often used to reduce the NOx and PM emissions below the required regulation levels, but it cannot be a feasible long-term solution because of its complexity, high cost, and inefficient performance at low load conditions. Therefore, getting down the peak combustion temperature in order to reduce NOx emissions and making a better air-fuel mixture to minimize diesel particulate matter formation in the combustion process are very important. PCCI (premixed charge compression ignition) combustion has the potential to achieve such conditions with its attractive advanced combustion process which a largely premixed homogeneous mixture is ignited simultaneously across the whole combustion chamber with eliminating diffusion flame. And in this way it can has advantages of both a high thermal efficiency and the emission reduction of NOx and PM. However it has also got some problems such as a limited operating range and higher fuel consumption produced by the difficulty of ignition timing control and fuel impingement against the cylinder wall. Add more it is a fact realizing combustion of fully premixed charge with compression ignition is difficult, especially using conventional diesel engine systems. Therefore, in this study an injection strategy of multiple early and single main type was used for a 4-cylinder diesel engine adopting a piezoelectric injector system. Triple injection was applied for the early injection to reduce the wall wetting and to increase the premixed charge rate, and the main combustion was controlled with another single injection near TDC (top dead center). In addition, the compression ratios were changed with retarding the intake camshaft angle to control the whole combustion phase for improving engine efficiency and in this case, there were not any changes of the expansion ratio and other engine structures. For the first, injection quantity and rate were measured then the characteristics of injected fuel spray behavior and penetration were investigated using visualization test to get the basic information of the injector. Secondly, the cam profile and the valve lift were measured then a steady state flow test was conducted to identify the flow coefficient and the swirl ratio of the cylinder head according to various angles of swirl control valve. Finally, the combustion and emission characteristics of the 4-cylinder PCCI engine were investigated with controlling injection timings, injected fuel mass ratios and compression ratios in various engine operating conditions. In conclusion, PCCI combustion partially achieved with an injection strategy using triple early and single main combined injections, and then the optimized injection conditions were able to reduce NOx and PM emissions simultaneously. However, ignition of the early injection took a place prior to TDC that generally causes a decrease in engine efficiency, therefore fuel consumption increased. The ignition timing and whole combustion could be controlled with reduced compression ratios by using a technique of RIVT (retarded intake valve timing). Consequently, it was allowed to prevent the high fuel consumption while the emissions were being kept low. This research works are expected to provide valuable information and solution contributing to the development of advanced combustion engines and the results should be helpful to optimize and expand the operating range of PCCI combustion to be applied to the conventional diesel engine system.
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