성층 연소를 이용한 직접 분사식 가솔린 엔진의 연소 및 배기 특성에 관한 연구

Abstract

In order to cope with intensified global emission standards such as the ULEV (ultra-low emission vehicle), CAFE (corporate average fuel economy) and the Kyoto Protocol, there are increasing demands in the automotive industry for vehicles with better fuel efficiency and lower emissions levels. In turn, there have been substantial efforts to develop low-pollution engine technologies that can satisfy such emission regulations. DISI(Direct Injection Spark Ignition)combustion uses the new gasoline combustion and creates the localized dense mixture which is based on stratified combustion and the homogeneous combustion. Such approach enables combustion of lean mixture stratification and homogeneous mixture. In the study, we use the new DISI engine injection system. It's dual injection system, one is the commercial PFI injection injector and the other is research DISI injection injector. And then make a experiment according to injection timing and ratio. Using only PFI injection system mixture formation depend on the valve opening and close timing. When PFI injected BTDC 540o~90o, BTDC 90o has the best result. Intake and exhaust valve were closed, the period of mixture formation is the longest. It means that the period of mixture formation is longer the charateristics of mixture formation is homogeneous. In PFI injection system, homogeneous mixture has the better result about the characteristics of combustion and emission. Using only DISI injection system, it was injected during BTDC 180o~45o. It is important that its injection timing. When injected end of compression, it make stratified mixture. Stratified mixture helps operation region and burn rate, but stratified combustion lead a lot of NOx because the stratified combustion has local combustion and its temperature is hotter. The final result of the research depend on the injection timing and ratio. Using dual injection system, It is fixed PFI injection timing at BTDC 90o(the best result in PFI experiment) and various injection timing in DISI injection. DISI injection system were injected during end of compression, its mixture has better stratified. it means that stratified mixeure expand the region of the operation and shorter the burn rate. CO, THC emission were low but NOx is depend on the temperature of combustion, so NOx is better than the other injection timing. The ratio of DISI injection system comes to be high, mixture formation comes to be stratified. So it is very important the characteristics of combustion and emission.; 현재 전 세계적으로 SULEV(Super Ultra Low Emission Vehicle)와 CAFE(Corporate Average Fuel Economy) 및 교토 의정서 등과 같은 배기규제 가 전 세계적으로 강화되고 있고, CO2의 배출규제 또한 현재 자동차 업계가 해 결해야 하는 기술로 자리잡고 있다. 그래서 자동차 업계는 연료의 경제성과 더 불어 오염물질의 배출정도가 적은 차량을 개발하는 것이 가장 중요한 문제로 떠오르고 있다. 기존에 연구된 직접 분사식 가솔린 엔진의 경우에는 상용 포트 분사식 가솔린 엔진에 비해서 연비와 배기 배출물 부분에서 우수한 장점을 가 지고 있다. 하지만 출력의 저하와 연료의 성층화 때문에 발생하는 배기 배출물 인 NOx와 PM이 기존 포트 분사식 가솔린 엔진에 비해서 증가하는 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 기존 연구 방식의 직접 분사식 가솔린 엔진의 장점을 살리고 출력과 배기 배출물의 문제점을 해결하기 위해 서, 여러 연구기관에서 포트 분사식 가솔린 엔진의 기술을 접목하는 방식의 연 구를 수행하고 있고, 연비와 출력 그리고 배기 성능의 향상이 기대되고 있다. 본 연구에서는 기본적인 직접 분사식 가솔린 엔진의 특성을 유지하면서 기존 직접 분사식 가솔린 엔진이 가진 가장 큰 문제점중 하나로 나타나던 희박 연소 에 의해서 출력의 측면에서 저하를 보이는 단점을 극복하고자 기존 포트 분사 식 가솔린 엔진의 분사방법을 같이 사용하여, 직접 분사식 가솔린 엔진의 단점 을 보완하고 직접 분사식 가솔린 엔진의 연소의 장점인 희박 연소 특성을 확장 할 수 있었다. 연구결과, 포트 분사식 가솔린 엔진의 인젝터는 흡,배기 밸브가 모두 닫힌 상태에서 분사가 이루어져서 혼합기 형성의 시간이 길어질수록 연소 특성이 우수하게 나타나는 특성을 보였고, 직접 분사식 가솔린 엔진의 인젝터 는 분사시기가 압축말기로 될수록 연소가능영역이 확장됨을 알 수 있었다. 분 사비율의 경우에는 직접 분사의 비율이 증가할수록 연소가능영역은 확장됨을 알 수 있었지만, 질소산화물의 배출량 또한 증가함을 알 수 있었다. 이는 직접 분사의 비율이 증가할수록 성층연소의 특성을 보이고 희박한계는 증가하지만 국부적인 연소특성의 결과로 배기특성이 나타남을 확인할 수 있었다.