Spray and Combustion Characteristics of Ethanol/Gasoline Blends for Flexible Fuel Vehicle Engines

Abstract

In this study, an engine that uses blends of gasoline and ethanol to develop an eco-friendly vehicle engine for copying with exhaust regulations was experimentally identified. Starting with the physical properties test of the blended fuels, basic spray tests such as injection quantity and injection rate were conducted. To optimize the combustion chamber shape and combustion phenomenon, the spray developing process and spray behavior were visualized and compared between ethanol and gasoline. The droplets of injected fuel were visualized using a high-speed camera. Because experiments using only high-speed cameras are difficult to observe the vaporization of fuel, vaporization characteristics of spray were compared and analyzed using the background oriented schlieren method with a density variation and image displacement in the spray flow field to visualize the vaporized fuels. The experimental results indicated that the fuel-vaporization phenomena could be observed during the spray development, and it was larger at higher ambient temperatures and lower ambient pressures. Additionally, the difference in the vaporization characteristics depending on the fuel was examined, and the wall-wetting phenomenon caused by the vaporized fuel was analogized The combustion characteristics of gasoline and ethanol fuel depending on ignition timing were measured using a 1.0L turbo gasoline direct injection engine. The blends were tested with E0, E27, E61, E85, and E100, which are mainly used in the Brazilian market. Combustion pressure, fuel consumption, exhaust temperature were measured. Also, knocking characteristics that may occur during combustion were measured using a knock sensor. Since the knock sensor consists of 8 channels, it was possible to investigate the knocking location. By measuring the density and viscosity according to the temperature and calculating the kinematic viscosity, it was shown that ethanol fuel has a higher kinematic viscosity than gasoline. Due to the high density of ethanol, the injection quantity was large and it had a high instantaneous injection quantity. On the other hand, there was a delay in spraying due to the high viscosity. The possibility of wall-wetting, which can adversely affect combustion, was confirmed by measuring the gas phase including the liquid phase of the spray through a visualization experiment using the BOS method. It was found that vaporization occurred during the spraying process, and wall-wetting could occur because it spreads wider than the liquid phase. The faster the ignition timing, the faster the combustion periods. In addition, the higher the combustion proceeds before TDC, the higher the maximum combustion pressure. Due to the difference in lower heating value between ethanol fuel and gasoline fuel, there was a difference in fuel consumption in the same performance. As a result of measuring the probability and intensity of knocking characteristics depending on ignition timing, the knocking intensities were stronger in the low-speed and high-load conditions, and the knock was weaker as the ethanol fuel blending ratio increased. Based on the knock measurement results, combustion optimization was performed depending on the ignition timing of the blends. |본 연구에서는 강화되는 배기규제로 인해 친환경 자동차 엔진 개발을 위해 가 솔린과 에탄올을 혼합하여 사용하는 엔진을 실험적으로 규명하였다. 혼합연료의 물성실험을 시작으로 분사량, 분사율과 같은 분무 기초 실험을 실 시하였다. 연소실 형상과 연소 현상을 최적화하기 위해 분무형상과 분무거동을 분석하여 에탄올연료와 가솔린연료를 비교 분석하였다. 고속 카메라를 사용하여 분무형상을 시각화하였고, 고속 카메라만을 이용한 실험은 연료의 기화를 관찰하 기 어렵기 때문에 기화된 연료를 가시화하기 위해 분무 유동장의 밀도 변화와 이 미지 변위를 갖는 background oriented schlieren 방법을 사용하여 분무의 기화 특성을 비교 분석하였다. 실험 결과, 연료 기화 현상이 분무가 진행되는 동안 관 찰될 수 있음을 알 수 있었으며, 이는 더 높은 주변 온도와 더 낮은 주변 압력에서 더 크게 나타났다. 연료에 따른 기화특성의 차이를 살펴보고 기화된 연료에 의한 벽 젖음 현상을 유추하였다. 또한, 입도분석기를 통한 SMD 측정으로 연료의 액 적 크기를 비교 분석하였다. 1.0L 터보직분사 엔진을 이용하여, 점화시기에 따른 가솔린과 에탄올 연료의 연소특성을 측정하였다. 혼합연료는 브라질시장에서 주로 사용되는 E0, E27, E61, E85, E100으로 실험이 진행되었다. 연소압력, 연료소모량, 배기온도 등을 측정하였다. 또한 노킹센서를 이용하여 연소시 발생할 수 있는 노킹특성을 측정 하였다. 노킹센서는 8채널로 이루어져 있어 노킹 발생 지점을 살펴볼 수 있었다. 밀도와 점도를 온도에 따라 측정하여 동점도를 계산한 결과, 에탄올연료가 가 솔린연료에 비해 높은 동점도를 가졌으며, 높은 밀도로 인해 분사량과 순간분사 율을 큰 결과를 보였다. 반면, 높은 점도로 인해 에탄올연료가 분사지연이 일어나 는 것을 볼 수 있었다. BOS 방법을 이용한 가시화 실험으로 분무의 액상을 포함 한 기상을 측정하여 연소에 악영향을 미칠 수 있는 wall-wetting 가능성을 확인 하였다. 분무가 진행되는 동안 기화가 일어났으며, 액상의 범위보다 넓게 퍼지기 때문에 wall-wetting 현상이 일어날 수 있음을 알 수 있었다. 점화시기가 빨라질 수록 연소가 빨리 진행되며, TDC이전에 연소가 진행될 수 록 최대연소압력이 높게 나타났다. 에탄올과 가솔린의 발열량 차이로 인해 동일 성능에서의 연료소모량 차이를 알 수 있었다. 점화시기에 따른 노킹특성 빈도와 강도를 측정한 결과, 저속고부하영역일 수록 노킹특성이 강하게 나타났으며, 에 탄올 연료 혼합율이 증가할 수록 노킹이 약하게 나타났다. 노킹측정결과를 토대 로 혼합연료의 점화시기에 따른 연소최적화를 수행하였다.