초록 ▼

최종 목표인 `저연비, 저배기(연비, 배기 저감)를 지향하여 미래형 직접 분사식 엔진의 연소최적화를 위해 직접응용 가능한 설계자료 구축`을 위하여 연구를 하였고 다음과 같은 결과를 얻었다.- 유해 배출물 형성과정 규명으로 최적 엔진 파라미터 제시- 직접분사식 가솔린 엔진(GDI)의 여러 주변 인자 및 유동 조건에 의한 분무 특성을 규명하여 연소최적화 방향을 제시함으로써 연비$\(CO_2)$ 저감 방안 도출- 직접분사식 가솔린엔진의 연비 및 배기 향상을 위해 분할 분사 및 배기가스 재순환 등의 연소기법을 도입하여

최종 목표인 `저연비, 저배기(연비, 배기 저감)를 지향하여 미래형 직접 분사식 엔진의 연소최적화를 위해 직접응용 가능한 설계자료 구축`을 위하여 연구를 하였고 다음과 같은 결과를 얻었다.- 유해 배출물 형성과정 규명으로 최적 엔진 파라미터 제시- 직접분사식 가솔린 엔진(GDI)의 여러 주변 인자 및 유동 조건에 의한 분무 특성을 규명하여 연소최적화 방향을 제시함으로써 연비$\(CO_2)$ 저감 방안 도출- 직접분사식 가솔린엔진의 연비 및 배기 향상을 위해 분할 분사 및 배기가스 재순환 등의 연소기법을 도입하여 이에 개선 가능성 도출- 소형 직분식 디젤엔진(HSDI) 적용 VCO 노즐 인젝터의 분무특성 규명 및 이의 안정화 자료 구축을 통한 연소실 최적 설계 방안 도출- 고압가솔린 연료분사기의 분무에 영향을 미치는 인자들에 따른 미립화 특성과 분무 형태 규명 및 해석- 정상유동장치에서 유동조건에 따른 고압가솔린 연료분사(50-100bar)시 분무의 미립화 특성 및 기화 특성 측정, 정상유동장치에서 온도변화에 따른 고압가솔린 연료분사시 미립화 및 기화특성- 고압 분무실에서 common rail 및 VCO nozzle을 통한 고압디젤분사시 분무 패턴 및 미립화 특성 측정- 가시화 엔진(400-500cc/cyl 급)을 이용한 직접분사식 가솔린 엔진의 분무, 유동 특성, 연소 과정의 가시화- 가시화 엔진(400-500cc/cy1 급)을 이용하여 고속직접분사 및 예혼합압축착화 연소의 최적 연소조건 도출 및 분무, 유동 특성, 연소 과정의 가시화

Abstract ▼

A series of studies was performed for constructing the optimization of combustion for future direct injection engine to achieve low fuel consumption and low emission. The main themes of findings could be summarized as follows;- Formation process of toxic exhaust emission in direct-injection engines-

A series of studies was performed for constructing the optimization of combustion for future direct injection engine to achieve low fuel consumption and low emission. The main themes of findings could be summarized as follows;- Formation process of toxic exhaust emission in direct-injection engines- Injection characteristics of injector for GDI engine to be utilized to optimize combustion process leading the way of reduction of fuel consumption- Atomization and vaporization characteristics of GDI injection with various flow conditions in the wind tunnel and various injector operation conditions- Low temperature characteristics of GDI sprays- The investigation of combustion characteristics of split injection and EGR to obtain the improved fuel economy and emissions- Characteristics of cornmon rail and VCO nozzle for HSDI application in a high pressurized chamber- The investigation of combustion characteristics of HSDI and HCCI combustion- GDI and DieselIoptical engine tests to visualize and analyze the injection, flow characteristics and combustion process

목차 Contents

• 제 1 장 연구개발과제의 개요...13
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황...16
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과...18
• 제 1 절 직접분사식 가솔린 엔진...18
• 3-1-1 직접분사식 가솔린 엔진용 인젝터 특성...18
• 가. 서론...18
• (1) 연구 배경...18
• (2) 가솔린 직접분사식 엔진...19
• (3) GDI 엔진용 연료분사 장치...21
• (4) 연구 목적 및 내용...22
• (가) 정상유동장치 구성...23
• (나) 연료온도 변화장치 구성...23
• (나) 분무특성 측정...23
• 나. 이론...24
• (1) 정상유동장치...24
• (2) 쉐도우 기법...24
• (3) 위상 도플러 입자 분석기...27
• 다. 실험장치 및 실험방법...30
• (1) 정상유동장치...30
• (2) 연료 공급 시스템...30
• (3) 분무장 가시화 장치...32
• (4) 위상 도플러 입자 분석기...33
• (5) 실험방법...35
• 라. 실험 결과 및 분석...39
• (1) 선회분사기의 거시적(巨視的) 분무특성...39
• (가) 분사량 측정...39
• (나) 미립화 구조...39
• (다) 분무장 가시화...40
• (라) 침투깊이...49
• (마) 속도분포...51
• (2) 선회분사기의 미시적(微視的) 분무특성...55
• (가) 분사압력에 의한 SMD 변화...55
• (나) 전체 유동장의 SMD contour...56
• (다) 횡방향 유동에 따른 미립화 특성...57
• (3) 저온 유동장에서의 연료 분무 특성...63
• (4) 연료온도에 따른 거시적 선회 분무...64
• (5) 연료온도에 따른 미시적 선회 분무...66
• (6) 연료온도에 따른 노즐 내부 및 외부유동...69
• (가) 노즐 내부 유동...69
• (나) 노즐 외부 유동...70
• (다) 액막 유동 변화에 대한 역학적 모델...74
• (7) 팬형 분무의 거시적 분무 특성...77
• (가) 유동 속도의 변화에 따른 분무특성...77
• (나) 분사압력에 따른 분무특성...77
• (8) 팬형 분무의 속도 분포 특성...78
• (9) 팬형 분무의 입자 미립화 특성...80
• (가) 횡방향 유속에 다른 특성...80
• (나) 분사압에 다른 특성...83
• (10) 연료 온도에 따른 거시적 팬형 분무...86
• (가) 팬형 분무의 발달과정 및 정의...86
• (나) 측방 이미지의 변화...87
• (다) 하방 이미지의 변화...89
• 마. 요약(要約)...92
• (1) 선회 분무 실험...92
• (2) 팬형 분무 실험...93
• 3-1-2 단기통 직접분사식 가솔린 엔진...94
• 가. 서론...94
• 나. 실험장치 및 방법...94
• (1) 실험장치...94
• (2) 실험방법...97
• (가) 균일혼합기 및 성층혼합기 연소실험...97
• (나) 유동 및 분사압에 따른 연소실험...99
• (다) 연료 온도에 따른 연소특성 실험...100
• (라) 분할 분사 및 EGR 효과 실험...100
• 다. 실험결과 및 고찰...101
• (1) 균일혼합기 및 성층혼합기 연소실험...101
• (가) 연소 특성의 변화...101
• (나) 혼합기 분포특성의 변화...104
• (2) 연료 분사압에 따른 연소특성 실험...104
• (가) 연소 특성의 변화...104
• (나) 혼합기 분포특성의 변화...107
• (다) 화염 전특성 실험...111
• (가) PIV를 이용한 텀블 속도 평가...111
• (나) 연소 특성의 변화...113
• (다) 혼합기 분포특성의 변화...116
• (라) 배기가스 및 화염전파 특성...122
• (4) 연료 온도에 따른 연소특성 실험...124
• (가) 냉시동 및 과도운전영역의 정의...124
• (나) 균일 혼합기 연소특성의 변화...124
• (다) 성층 혼합기 연소특성의 변화...127
• (5) 분할분사 및 EGR의 효과...131
• (가) 분할분사의 효과...131
• (나) EGR의 효과...134
• (다) 분할분사와 EGR동시 적용시의 특성...135
• (라) 엔진 회전수에 따른 분할분사 특성...137
• 라. 요약...139
• 제 2절 직접분사식 디젤 엔진...141
• 3-2-1 직접분사식 디젤 엔진용 인젝터 특성...141
• 가. 서론...141
• (1) 연구 배경...141
• (2) 기존의 연구동향...144
• (가) 노즐 내부의 유동...144
• (나) 디젤 분무의 미립화...145
• (다) 디젤 분무의 내부구조...147
• (라) 분무의 특성파악...148
• (3) 연구 개요 및 목적...149
• 나. 실험장치 및 방법...150
• (1) 분사장치 구성...150
• (가) BOSCH VE 펌프 시스템...150
• (나) BOSCH common-rail 분사 시스템...152
• (2) 분무 측정 장치...155
• (가) 분사장치와 분무측정 장치의 제어...157
• (나) 분무측정 기법...158
• (3) 실험 조건 및 방법...163
• 다. 실험결과 및 고찰...167
• (1) 분무형태의 변동...167
• (2) 분무도달거리 및 분무각...171
• (가) 주변 압력의 변동에 따른 분무거동...171
• (나) 분사 압력의 변동에 따른 분무거동...174
• (다) 분사기공형상의 변동에 따른 분무거동...180
• (3) 디젤분무로 유입되는 주변기체의 특성...187
• (가) 분사기공 크기에 따른 특성...187
• (나) 분사기공 형상에 따른 특성...199
• (4) 분공수가 연료 액적 크기에 미치는 영향...202
• (가) 연료 분사압력의 영향...202
• (나) 연료 분사기 분공수가 미치는 영향...205
• (5) 분무장의 미소영역 가시화...209
• (가) 2-스프링분사기의 VCO 노즐분무...209
• (나) Common-rail 분사시스템의 VCO노즐...214
• 라. 요약...220
• 3-2-2 단기통 직접분사식 디젤 엔진 제작...221
• 가. 배경...221
• 나. 실험장치 구성...221
• (1) 엔진...223
• (가) 엔진 사양...223
• (나) 엔진 각부 구성 및 재질...223
• (다) 확장 피스톤 및 광학창...226
• 다. 실험 조건...229
• 라. 실험결과 및 고찰...230
• (1) HSDI 디젤 엔진 연소...232
• (가) 분사압력과 분사시기에 의한 영향...232
• (나) 파이로트 분사에 의한 영향...236
• (다) 후분사에 의한 영향...248
• (라) 다단분사에 의한 영향...257
• (마) EGR의 영향...260
• (바) 분사기 분공수의 변화...266
• (2) HCCI 디젤 엔진 연소...276
• (가) 직분식과 HCCI 연소의 비교...276
• (나) 분사 압력의 영향...277
• (다) 공기 온도의 영향...278
• (라) 주 연료 분사시기의 영향...283
• (마) 이단 분사법의 영향...288
• (바) 압축비의 영향...291
• (사) 연료량의 영향...293
• (아) 분사기 형상의 영향...297
• (자) 분공수의 영향...300
• 마. 요약...303
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도...306
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획...309
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보...310
• 제 7 장 참고문헌...334