The purpose of this research is to obtain the information of the development process of a vaporizing GDI spray using exciplex fluorecence method. Fluorobenzene/DEMA system was used as the exciplex-forming dopants. The 2-D spray images of liquid and vapor phases were acquired, and the behavior of both phases was analyzed by the image processing. The experiment was performed at the three different ambient perssures and the ambient temperature of 273K and 473K. As the result of this work, it was found that the development characteristics of GDI spray have stronger effect on the ambient pressure than on the ambient temperature. With an increase of ambient pressure, the distribution of vapor phase was decreased and the concentration of that was denser. Two regions, namely cone and mixing regions could be identified from those resulrs.
As environment problem became a worldwide issue, countries are tightening regulations regarding greenhouse gas reduction and improvement of air pollution problems. With these circumstances, one of the renewable energies produced from biomass is getting attention. Bio-ethanol, which is applicable to SI engine, showed a positive effect on the PFI (Port Fuel Injection) type. However, Ethanol has a problem in homogeneous mixture formation because it has high latent heat of vaporization characteristics and in the GDI (Gasoline Direct Injection) type, mixture formation is required quickly after fuel injection. Particularly, South Korea is one of the countries with great temperature variation among seasons. With this reason, South Korea supply fuel additive for smooth engine operation during winter. Therefore, experimental study and investigation about application possibility of blending fuel is necessary. This paper demonstrates the spray characteristics by using the CVC direct injection and setting the bio-ethanol blending fuel temperature close to the temperature during each seasons: -7, 25, $35^{\circ}C$. The diameter and the width of the CVC are 86mm and 39mm. High-pressure fuel supply system was used for target injection pressure. High-speed camera was used for spray visualization. The experiment was conducted by setting the injection pressure and ambient pressure according to each temperature of bio-ethanol blending fuel as a parameter. The result of spray visualization experiment demonstrates that as the temperature of the fuel is lower, the atomization quality is lower, and this increase spray penetration and make mixture formation difficult. Injection strategy according to fuel temperature and bio-ethanol blending rate is needed for improving characteristics.
본 연구는 직접분사식 가솔린엔진에서 공기 과잉률 및 바이오에탄올-가솔린 혼합연료의 혼합비에 따른 연소특성과 배기배출물 특성을 실험적으로 규명한 것이다. 다양한 공기 과잉률 및 혼합비 조건에서 실험을 수행하였으며, 연소실 압력, 열발생률, 연료소비율 등을 통해 연소특성을 분석하였으며, 배기배출물 특성은 미연탄화수소(HC), 일산화탄소(CO), 질소산화물($NO_x$) 분석을 통해 확인하였다. 혼합연료의 실험결과는 100% 가솔린 및 바이오에탄올 실험결과와 비교하였다. 실험결과 최고연소압력과 열발생률, 제동연료소비율은 혼합비의 증가에 따라 증가하였으며, CO, HC, $NO_x$와 같은 배기배출물은 바이오 에탄올 혼합비율이 증가함에 따라 감소하였다. 혼합연료의 배기배출물 수준은 가솔린 보다 낮게 나타났다.
The effects of the wall geometry on the spray-wall impingement process of a hollow-cone fuel spray emerging from a high-pressure swirl injector of the Gasoline Direct Injection (GDI) engine were investigated by means of a numerical method. The ized Instability Sheet Atomization (LISA) & Aerodynamically Progressed Taylor Analogy Breakup (APTAB) model for spray atomization process and the Gosman model were applied to model the atomization and wall impingement process of the spray. The calculation results of spray characteristics, such as a spray development process and a radial distance after wall impingement, compared with the experimental ones by the Laser Induced Exciplex Fluorescence (LIEF) technique. It was found that the radial distance of the cavity angle of 90$^{circ]$ after wall impingement was the shortest and the ring shaped vortex was generated near the wall after spray-wall impingement process.
The effects of pressure charge on combustion stability and emissions have been analyzed using a GDI single cylinder engine. A late injection mode of stratified condition at the air-fuel ratio of 40:1 for 1200∼2400 rpm was tested while the boosted pressure ratio was increased up to 1.5:1. In-cylinder CFD analysis was also performed for better understanding of in-cylinder flow and fuel spray behavior. With a higher boosted pressure ratio the IMEP was increased greatly due to the increased engine load, and the ISFC was improved by more than 10% at all engine speeds. The regime of stable stratified combustion was extended to a higher engine speed, but the spark ignition angle had to be more advanced for stable combustion. The emissions of ISHC and ISNOx did not show a particular trend for the increased engine speed but a general trend of lower ISHC and higher ISNOx for a gasoline engine.
The spray structures under the stratified and homogeneous charge condition of a gasoline direct injection were investigated in a visualized constant volume chamber. The chamber pressure was controlled from 0.1 MPa to 0.9 MPa by the high pressure nitrogen and the chamber temperatures of $25^{\circ}C$, $60^{\circ}C$ and $80^{\circ}C$ were controlled by the band type heater. The fuel, iso-octane was injected by a 6-hole injector with the pressures of 7 MPa and 12 MPa. From the experiments results, it is confirmed that at lower chamber pressure, the penetration length and spray angle are mainly affected by the chamber temperature with the vaporization of the fuel droplets and generated vortices at the end region of the spray. And at higher chamber pressure, the penetration lengths at the end of the injection were about 50~60% of that at lower chamber pressure regardless of the chamber temperature and the effect of fuel injection pressure is larger than that of the chamber temperature which results from larger penetration lengths at higher fuel injection pressure than at lower fuel injection pressure regardless of the chamber temperatures.
본 논문에서는 GDI 엔진의 냉각수 온도에 따른 연소 및 배출가스 특성을 연구하였다. 엔진에서 나오는 입자상 물질의 수와 크기 분포는 DMS-500 장비로 측정하였다. 배기포트 에 장착된 CLD-400 과 HFR-400 을 통해 NOx 및 THC 의 배출 특성을 연소주기 별로 측정하였다. 결과적으로 낮은 냉각수온에서 5~10 nm 의 입자상 물질이 크게 증가하는 특성을 보였다. THC 또한 낮은 냉각수온에서 증가하는 특성을 보였는데 이는 연소실 내 연료의 액막현상 때문이다. 그리고 NOx 는 높은 냉각수온에서 감소하는 특성을 보였는데 이는 내부 EGR 이 증가하기 때문이다. 결론적으로 THC 와 NOx 그리고 입자상 물질의 배출을 줄이기 위해서는 냉각수온을 빠르게 올리는 EMS 변수 설정 필요하다.
The spray structures and distribution characteristics of liquid and vapor phases in non-evaporating and evaporating Gasoline Direct Injection (GDI) fuel sprays were investigated using Laser Induced Exciplex Fluorescence (LIEF) technique. Dopants were 2% fluorobenzene and 9% DEMA (diethyl-methyl-amine) in 89% solution of hexane by volume. In order to study internal structure of the spray, droplet size and velocity under non-evaporating condition were measured by Phase Doppler Anemometry (PDA). Liquid and vapor phases were visualized at different moments after the start of injection. Experimental results showed that the spray could be divided into two regions by the fluorescence intensity of liquid phase: cone and mixing regions. Moreover, vortex flow of vapor phase was found in the mixing region. About 5㎛ diameter droplets were mostly distributed in the vortex flow region. Higher concentration of vapor phase due to vaporization of these droplets was distributed in this region. Particularly, higher concentration of vapor phase and lower one were balanced within the measurement area at 2ms after the start of injection.
For this research an extension of the LIF technique that the LIEF(Laser Induced Exciplex Fluorescence) technique has been used LIEF technique is the unique method to allows the visualization of fuel vapor phase and liquid phase individually by capturing each signals of them. In this work performed that the basic procedure for advanced LIEF technique using TEA and benzene as dopants md high power KrF excimer laser to excite the dopants. Iso-octane is used as the fuel because it does not absorb light at the laser wavelength. The boiling point of benzene and TEA are $81^{\circ}C\;and89^{\circ}C$, respectively, in comparison to $99^{\circ}C$ for iso-octane. It is observed that the behavior and distribution of high pressed fuel injection from various test condition. The injection pressure is set as 3MPa. and 5MPa. And the ambient pressure of test chamber is atmospheric pressure and 1MPa, the ambient temperature of chamber is room temperature, $300^{\circ}C\;and\;500^{\circ}C$ to imitate the condition of GDI engine cylinder.
본 연구의 목적은 경제적이고, 친환경적인 가솔린 직접 분사 인젝터의 분무특성을 연구하는 것에 있다. 분무도달거리, 분무각 그리고 혼합기 형성과 같은 인젝터의 특성을 가시화 실험을 통하여 측정하였다. 특히 분무압력과 분위기압력이 분무 침투거리와 분무각에 미치는 영향을 분석하였다. 가시화 실험을 위하여 정적 연소실과 연료 공급장치를 제작하였다. 초고속 카메라와 LED광원을 이용하여 분무형상을 촬영하였고, 촬영된 영상으로 분무 특성을 분석하였다. 연소실내의 분위기압력이 감소하고, 연료의 분무압력이 증가할수록 도달거리는 증가하였다. 분위기압력과 분무압력에 대해 분무각의 변화는 미소하지만, 분위기압력이 분무각에 더 큰 영향을 미치고 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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