분무유도방식 가솔린 직접 분사가 적용된 가시화 엔진의 실린더 내부 유동 특성

Abstract

In this study, the characteristics of the in-cylinder flow in a high-pressure spray-guided gasoline direct-injection lean-burn optically accessible engine were investigated under various engine operating conditions using particle image velocimetry (PIV) measurements. The operating conditions were classified into control and design parameters. Engine speed and intake valve timing were selected as the control parameters, and piston shape and spray pattern were selected as the design parameters. Furthermore, the effects of fuel injection on the in-cylinder flow according to injection conditions were investigated. The in-cylinder flow after fuel injection according to the various injection strategies such as injection pressure, single injection timing, and double injection timing was visualized. The results were analyzed by calculating quantitative indices such as mean velocity, tumble ratio (TR), tumble center, turbulent kinetic energy (TKE), flow rotation intensity, and effective radius. The results of this study have been divided into four parts to understand the characteristics of in-cylinder flow according to engine operating conditions. In the first part, the characteristics of in-cylinder flow under the condition without fuel injection at an engine speed of 1,500 rpm and intake pressure of 1.0 bar were analyzed. The in-cylinder flow during the intake–compression strokes was divided into the following stages: the entry of an intake flow with a large momentum, formation of a rotational flow, and destruction of the rotational flow. Rotational flow did not occur when a strong intake flow entered the cylinder. This was owing to the narrow cylinder space and collision with the piston head and cylinder wall. However, high mean velocity and TKE were observed owing to the high energy of the inflowing air. As the piston descended, a rotational flow developed and showed a low variation in tumble center. A low variation in mean velocity was observed in the high velocity region. The large momentum supplied in the early stage of the intake stroke was reduced continuously by friction force, shear force, and collision with the piston head and cylinder wall. Thereby, without additional momentum supply to the interior of the cylinder (such as that provided by fuel injection), the large momentum at the beginning of intake stroke could not be maintained during the compression stroke. In the second part, the effects of fuel injection on the in-cylinder flow were investigated under various injection conditions. Moreover, the liquid-phase fuel distributions according to the injection conditions were analyzed immediately after fuel injection. The air–fuel mixture and turbulence intensity was affected by the interaction among the piston position, in-cylinder flow, and spray. In the early injection condition, which is the injection timing before the top dead center (bTDC) 300°, the in-cylinder flow development was disturbed immediately after fuel injection owing to the strong interaction between spray and air and the direct piston impingement. However, under the early injection timing conditions, there was no significant difference according to the fuel injection in the later part of the compression stroke. This tendency was shown even under the high injection pressure of 1,000 bar. This implied that the momentum dissipation occurred rapidly during the compression stroke. As the injection timing was retarded and the piston descended, the effects of fuel injection on the in-cylinder flow increased under all the injection conditions. This occurred because of the relatively weak in-cylinder flow and decrease in direct piston impingement. In the condition where the injection timing was retarded, the influence of fuel injection on the in-cylinder flow increased significantly as the injection pressure increased. When an equal amount of fuel was injected by double injection with a short interval between the first and second injections, a turbulence intensification effect similar to that of single injection was obtained while reducing the wall and piston impingement. However, the injection of a marginal amount of fuel immediately before the ignition timing would be more effective for increasing the turbulence intensity near the spark plug at the ignition timing. This is because the momentum loss is rapid in the compression stroke. In the third part, the characteristics of the in-cylinder flow were investigated under different engine speeds and intake valve timings. The mean velocity and TKE increased as the engine speed increased owing to the high piston speed. However, the in-cylinder flow structure did not differ according to the engine speed. From bTDC 270° to the later part of the compression stroke, the TKE decreased by over 90 % regardless of the engine speed owing to the rapid momentum loss. As the intake valve timing was retarded, high mean velocity and TKE compared with the other intake valve timings were observed at bTDC 270°. However, the mean velocity and TKE converged to 2.5 m/s and 1 m2/s2, respectively, at the later part of the compression stroke regardless of the intake valve timing. When the intake valve timing was retarded, the spray structure was deformed in the early injection condition owing to the strong inflowing air in the early stage of the intake stroke. However, the early injection could not intensify the in-cylinder flow in the compression stroke under any of the intake valve timing conditions. In the condition wherein the injection timing was retarded, the highest in-cylinder flow intensifying effect was obtained in the advanced intake valve timing condition with a long injection duration. There was a marginal difference in tumble-center travel path according to the intake valve timing under conditions without fuel injection. However, the difference in tumble-center travel path decreased as the fuel injection timing decreased and the fuel was injected. A similar tumble-center travel path was shown after fuel injection regardless of the intake valve timing under the condition with an injection timing of bTDC 180°. This verified that the in-cylinder flow intensity and structure were dominantly affected by the fuel injection when the fuel was injected under a condition where the in-cylinder flow intensity was weak even when the intensity and structure differed. In the fourth part, the characteristics of the in-cylinder flow were analyzed under different piston shapes and spray patterns. In the experiment, the piston shape did not significantly affect the in-cylinder flow intensity and structure. Thereby, the liquid-phase fuel immediately after fuel injection also showed a similar distribution regardless of the piston shape. The difference according to piston shape decreased further after fuel injection. The quantitative indices such as mean velocity, TR, TKE, and tumble center were at similar levels regardless of the piston shape after fuel injection. This implied that the fuel injection with high energy had a more dominant effect on the in-cylinder flow structure and intensity than the piston shape. Meanwhile, the in-cylinder flow was dependent on the spray pattern because the spray had a large momentum. The rotational flow intensified in a 7-hole injector having an asymmetrical spray pattern. In a 10-hole injector, the upward in-cylinder flow occurred after fuel injection under the injection timing of bTDC 180° because of the spray development in the symmetrical direction. As a result, the mean velocity, TR, and TKE in the 7-hole injector were higher than those in the 10-hole injector. Moreover, owing to the strong rotational flow in the 7-hole injector, a low effective radius and high counter-flow were observed on the right side of the cylinder. Thus, the 7-hole with asymmetrical spray pattern was more effective in intensifying turbulence through the intensifying tumble flow. |본 연구는 신 연소 기술이 적용된 가솔린 엔진의 희박 연소 효율 및 안정성 확보를 위해 입자영상유속계 (Particle Image Velocimetry, PIV) 기법으로 실린더 내부 유동 특성을 분석하고 난류 강화 전략을 수립하는 것을 목적으로 한다. 따라서, 고압 분무유도방식 가솔린 직접 분사가 적용된 2기통 가시화 엔진을 제작하였다. 이 엔진은 투명한 쿼츠로 제작된 실린더, 회전부에서의 베어링 시스템 적용, 14.0의 고압축비, 실린더간 간섭을 반영하기 위한 2기통 시스템 적용을 특징으로 한다. 엔진 운전 조건은 제어 및 설계 변수로 분류하였다. 엔진 속도와 흡기 밸브 타이밍을 제어 변수로, 피스톤 형상과 분무 패턴을 설계 변수로 설정하였다. 또한 연료 분사가 실린더 내부 유동에 미치는 영향을 분사압력, 일단분사시기, 이단분사시기에 따라 분석하였다. 정량적 분석을 위해 실린더 내부 유동의 평균속도, 텀블비, 텀블 중심, 난류운동에너지, 유동회전강도, 유효반경과 같은 정량적 지표를 매트랩 프로그램을 사용하여 계산하였다. 본 연구의 결과는 엔진 운전 조건에 따른 실린더 내 유동의 특성을 명확하고 깊이 이해하기 위해 네 개의 파트로 분류하였다. 첫 번째 파트에서는 엔진 회전 속도 1,500 rpm, 흡기 압력 1.0 bar 조건에서 연료 분사를 하지 않았을 경우의 실린더 내부 유동 특성을 분석하였다. 흡기에서 압축 행정 동안의 실린더 내부 유동은 큰 모멘텀을 가지는 흡기 공기의 유입, 회전유동의 형성, 회전유동의 소멸로 구분되었다. 흡기 초반 흡기 밸브가 열리면서 강한 흡기 공기가 실린더로 유입된다. 하지만, 좁은 실린더 공간과 실린더 벽면 및 피스톤 상면과의 충돌로 인해 회전유동이 형성되지 않았다. 하지만, 유입되는 공기의 높은 에너지로 인해 흡기 초반에는 높은 평균속도와 TKE가 관찰되었다. 피스톤이 하강함에 따라 회전 유동이 형성되어 안정적인 유동이 형성되었다. 따라서, 텀블 중심 편차는 감소하였다. 특히, 높은 속도를 가지는 유동 영역에서 낮은 속도 편차를 보였다. 흡기 행정 초기에 공급된 높은 운동량은 실린더 내부에 존재하던 공기와의 마찰력, 전단응력 그리고 실린더 벽면 및 피스톤 상면과의 충돌에 의해 지속적으로 감소하였다. 따라서 연료 분사와 같은 실린더 내부에 추가적인 운동량 공급 없이는 압축 행정 동안 흡기 행정 초기의 높은 운동량을 유지할 수 없었다. 두 번째 파트에서는 다양한 분사 조건에서 연료 분사가 실린더 내부 유동에 미치는 영향을 분석하였다. 또한, 분사 조건에 따라 연료 분사 직후의 액상 연료 분포를 관측하였다. 공기-연료 혼합물과 난류 강도는 피스톤 위치, 실린더 내부 유동 및 분무 간의 상호 작용에 영향을 받았다. bTDC 300°의 이른 분사 조건에서는 분무와 공기 사이의 강한 상호 작용과 연료의 직접적인 피스톤 충돌로 인해 연료 분사 직후 실린더 내 흐름 발달이 원활하지 못했다. 따라서 흡기 초반의 연료 분사는 압축행정 후반부에서의 실린더 내부 유동을 강화시킬 수 없었다. 이러한 경향은 1,000bar의 높은 분사 압력 조건에서도 나타났다. 이는 압축 행정 중에 운동량 소실이 빠르게 발생했음을 의미했다. 분사 시기가 지각되고 피스톤이 하강하면서 모든 분사 조건에서 실린더 내부 유동에 대한 연료 분사의 영향이 증가하였다. 이는 실린더 내 유동이 상대적으로 약하고 연료의 직접적인 피스톤 충돌이 감소하였기 때문이다. 분사 시기가 지각된 조건에서 분사 압력이 증가함에 따라 실린더 내부 유동에 대한 연료 분사의 영향은 명확히 증가하였다. 이단분사를 적용할 경우, 동일한 양의 연료를 분사할 때 1차 분사와 2차 분사 사이의 간격이 짧으면 분사된 연료가 실린더 벽면 및 피스톤 상면과 충돌하는 것을 줄이면서 일단분사와 유사한 난류 강화 효과를 얻을 수 있었다. 하지만, 압축행정에서의 빠른 운동량 소실을 고려하면 점화 시점에서 점화 플러그 부근의 난류 강도를 높이기 위해서는 점화 시점 직전에 소량의 연료 분사하는 것이 보다 효율적이라고 판단된다. 세 번째 파트에서는 엔진 회전 속도와 흡기 밸브 타이밍에 따른 실린더 내부 유동 특성을 분석하였다. 엔진 회전 속도가 증가함에 따라 높은 피스톤 속도로 인해 실린더 내부 유동의 평균 속도와 난류운동에너지가 증가했다. 그러나 엔진 회전 속도에 따른 실린더 내부 유동의 구조적인 차이는 없었다. bTDC 270°에서 압축 행정 후반부까지 급격한 운동량 손실로 인해 엔진 회전 속도와 관계없이 난류운동에너지가 90% 이상 감소했다. 흡기 밸브 타이밍이 20도 지각될 경우 bTDC 270°에서 다른 흡기 밸브 타이밍에 비해 가장 높은 평균 속도와 난류운동에너지를 보였다. 그러나 평균 속도와 난류운동에너지는 흡기 밸브 타이밍에 관계없이 압축 행정 후반부에서 각각 2.5 m/s, 1m2/s2의 수준으로 수렴하였다. 흡기 밸브 타이밍을 지각할 경우, 흡기 초반의 강한 유입 공기로 인해 이른 분사 조건에서 분무 구조의 변형이 발생하였다. 하지만, 모든 흡기 밸브 타이밍 조건에서 이른 분사는 압축 행정에서 실린더 내부 유동을 강화할 수 없었다. 분사시기가 지각된 조건에서는 연료량이 많은 진각된 흡기 밸브 타이밍 조건에서 가장 높은 유동 강화 효과를 얻을 수 있었다. 연료 분사를 하지 않았을 경우 텀블 중심의 이동 경로는 흡기 밸브 타이밍에 따라 약간의 차이가 있었다. 하지만 연료 분사를 분사하고 연료 분사 시기가 지각됨에 따라 텀블 중심의 이동 경로의 차이는 감소하였다. 따라서 유동의 강도 및 형태가 달라도 유동의 강도가 약한 조건에서 연료를 분사하게 되면 유동의 강도와 형태는 연료 분사에 지배적인 영향을 받았음을 확인하였다. 네 번째 파트에서는 피스톤 형상과 분무 패턴에 따른 실린더 내부 유동 특성을 분석하였다. 실험결과 피스톤 형상은 실린더 내부 유동의 강도 및 구조에 유의미한 영향을 미치지 않았다. 따라서 연료 분사 이후 액상 연료 분포 또한 피스톤 형상과 무관하게 유사한 형태를 보였다. 피스톤 형상에 따른 실린더 내부 유동의 차이는 연료 분사 이후 더욱 감소하였다. 따라서 실린더 내부 유동의 평균 속도, 텀블비, 난류운동에너지 및 텀블 중심과 같은 모든 정량적 지표는 연료 분사 이후 피스톤 형상과 관계없이 유사한 수준을 보였다. 이는 고에너지의 연료 분사가 피스톤 형상보다 실린더 내부 유동의 강도 및 구조에 더 지배적인 영향을 미쳤다는 것을 의미한다. 반면에, 실린더 내부 유동은 분무 패턴에 큰 영향을 받았다. 비대칭 분무 패턴을 갖는 7홀 인젝터는 회전 유동을 강화시켰다. 10홀 인젝터는 대칭 방향으로의 분무가 발달하기 때문에 bTDC 180°의 분사 시기를 기준으로 연료 분사 이후 상승 유동이 형성되었다. 그 결과 실린더 내부 유동의 평균 속도, 텀블비, 난류운동에너지는 10홀 인젝터보다 7홀 인젝터에서 더 높았다. 또한, 7홀 인젝터의 강한 회전 흐름으로 인해 낮은 텀블 중심 편차와 실린더 오른쪽에서의 강한 상승 유동이 관측되었다. 따라서 텀블 유동 강화를 통한 난류운동에너지 강화에는 비대칭 분무 형태를 가지는 7홀 인젝터가 보다 효과적이었다.