Flow, combustion and emissions in a four-valve spark-ignition engine fuelled by compressed natural gas

국문 초록 (Abstract)

천연가스는 연료 자체의 청정성 및 그 풍부한 매장량 등으로 가장 이상적인 자동차 대체연료로 간주되고 있다. 그러나, 천연가스의 연소 및 배출가스 특성은 기존의 액체연료인 가솔린, 디젤과는 상이하게 다르다. 따라서 본 논문은 가시화 엔진을 이용하여 천연가스 엔진의 유동, 연소 및 배출가스 특성에 관한 연구를 수행하였다.

본 논문의 전반부는 압축 행정시 실린더내 혼합기의 유속 및 난류 강도를 증가시키는 슬리브드 포트(Sleeved port)와 유속 증진 및 점화시 혼합기의 성층화를 일으키는 오픈 밸브 인젝션을 통해, 희박 연소시 포트 분사식 단기통 CNG 엔진의 연소 안전성을 향상 시키는 방법에 그 초점이 맞추어져 있다. 실린더내 유동해석을 위해 LDV와 PIV가 이용됐으며 이와 관련한 연소 및 배출가스 특성 분석을 했다. 또한 기초 실험 차원에서 가솔린 엔진과의 연소, 배기가스 및 성능특성 비교를 수행하였다.

본 논문의 후반부는 다기통 엔진에서 CNG 직접분사 방식을 채택해 이것이 연소 및 배기가스에 미치는 영향성을 검토하였다. 고압 기체 분사특성 연구를 위해 정적 연소기에서 쉴리렌 사진 기법을 이용해 분사각 및 침투길이에 대한 시험을 수행했다. 또한 엔진에서 화염사진 및 연소 압력 측정을 통해 직접 분사 엔진의 연소와 관련한 특성을 파악했으며, 점화직전 스파크 플러그에서의 실린더내 혼합기 직접 샘플링 방법을 통해 스파크 플러그 겝에서 탄화수소 농도를 측정하여 직접 분사엔진의 성층화 효과 확인 시험을 수행하였다.

이상의 실험을 통해 CNG 직접분사 방식이 간접분사 방식에 비해 엔진의 체적효율을 증가시키고 실린더 내부 혼합기의 유동 속도를 증가시키며 성층화 효과를 일으킴으로써 성능 측면에서 동급가솔린 엔진과 동등한 출력특성을 보임을 확인 하였고 희박한 공연비구간에서 급속 연소 및 연소 안정성 향상을 통해 희박연소 한계를 대폭 증가시켜 연비 및 질소산화물(NOx)을 효과적으로 저감시킬 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract = 2
• Acknowledgements = 4
• Table of Contents = 5
• List of Tables = 8
• List of Figures = 10
• List of Symbols = 16
• CHAPTER 1 : Introduction and Literature Survey = 18
• 1.1 Introduction = 18
• 1.2 Thesis outline = 20
• 1.3 Literature survey = 22
• 1.3.1 Characteristics of CNG = 22
• 1.3.2 Performance of CNG engine = 22
• 1.3.3 Combustion characteristics of CNG = 25
• 1.3.4 Emission characteristics of CNGs = 26
• 1.3.5 In-cylinder flow motion-tumble = 27
• 1.3.6 Overview of lean burn engines = 29
• CHAPTER 2 : Experimental System and Measurement Techniques = 45
• 2.1 Introduction = 45
• 2.2 In-cylinder flow measurements = 15
• 2.2.1 Measurement of in-cylinder flow using LDV = 46
• 2.2.2 Measurement of in-cylinder flow using PIV = 47
• 2.3 Combustion analysis = 48
• 2.3.1 Pressure measurements = 48
• 2.3.2 Flame imaging = 48
• 2.4 Fuel concentration measurements = 50
• 2.4.1 Sampling spark plug and fast flame ionisation detector = 50
• 2.5 Engine-out emissions = 51
• 2.5.1 Fast flame ionisation detector = 51
• 2.5.2 Fast NO analyser = 52
• 2.6 Schlieren photography = 52
• 2.6.1 Schlieren optical system = 52
• 2.6.2 Constant volume chamber = 54
• 2.7 Summary = 55
• CHAPTER 3 : Port Injection CNG Engine = 63
• 3.1 Introduction = 63
• 3.2 Research engine and experimental arrangement = 65
• 3.2.1 Research engine = 65
• 3.2.2 Experimental set-up = 66
• 3.2.3 Engine operating conditions = 69
• 3.3 Baseline comparison of gasoline and CNG = 70
• 3.3.1 Combustion characteristics = 70
• 3.3.2 Engine-out emissions characteristics = 72
• 3.4 Effect of intake port geometry = 75
• 3.4.1 In-cylinder flow characteristics = 75
• 3.4.2 Combustion characteristics = 78
• 3.4.3 Engine-out emissions
• 3.5 Effect of injection timing = 82
• 3.5.1 Optimising the fuel injection strategies = 82
• 3.5.2 In-cylinder flow characteristics = 86
• 3.5.3 Combustion Characteristics = 88
• 3.5.4 Engine-out emissions = 92
• 3.6 Effect of compression ratio = 93
• 3.6.1 Variation of compression ratio = 93
• 3.6.2 Combustion characteristics = 94
• 3.6.3 Engine-out emissions = 95
• 3.7 Conclusions = 96
• CHAPTER 4 : Direct Injection CNG Engine = 151
• 4.1 Introduction = 151
• 4.2 Test engine and experimental system = 152
• 4.2.1 Engine modifications = 152
• 4.2.2 Test engine = 155
• 4.2.3 Experimental set-up and engine operating conditions = 156
• 4.3 Gas jet imaging = 157
• 4.3.1 Effect of ambient pressure = 158
• 4.3.2 Effect of injection pressure = 159
• 4.4 Comparisons of manifold and direct injection = 159
• 4.4.1 Effect of fuel injection timing = 160
• 4.4.2 Combustion characteristics = 161
• 4.4.3 Engine-out emissions = 167
• 4.5 Conclusions = 169
• CHAPTER 5 : Conclusions and Recommendations for Future Work = 192
• 5.1 Summary of conclusions = 192
• 5.2 Recommendations for futurework = 195
• References = 197