A Study on Effect of Thermal Boundary Conditions on Efficiency in Spark-ignited Engine

Abstract

Globally, enacted regulations on vehicle are getting stricter, enforcing efficiency improvement of engines. Even though knocking phenomenon has been a strong obstacle in development of higher efficiency engine, it can be suppressed if the temperature of the working fluid can be lowered by changing the thermal boundary conditions of an engine. In this study, insulated intake port and piston cooling oil-jet were selected as methods for modifying thermal boundary conditions. Insulation in intake port can nearly block heat transfer to incoming air through use of material with extremely low thermal conductivity. Piston cooling oil-jet lowers in-cylinder temperature by intensifying cooling loss from combustion chamber to lubricating oil at piston. Experiments were conducted to investigate the feasibility of these methods as efficiency improvement strategies. By implementation of insulated intake port, air temperature reduction effect was verified. Accordingly, MBT region was expanded and efficiency increased at fixed fuel rate condition. Moreover, CFD simulation was conducted to examine possible additional improvement by complete insulation. Piston cooling oil-jet tests were executed at two different speeds with fixed fuel rates. The outcome indicated that the use of various oil-jets types commonly had positive influences on efficiency, even though the magnitude and trend differed at two different operating conditions. In overall, this study has confirmed that the modification of thermal boundary conditions in intake port and piston can accommodate efficiency improvement. As a result, it is expected that this study can serve as a guidance to development of higher efficiency engine.

전세계적으로 자동차에 대한 규제들이 엄격해지고 있으며, 이는 엔진의 효율 향상을 요구한다. 하지만, 노킹 현상은 엔진에 영구적이고 심각한 손상을 입힐 수 있으므로, 보다 효율적인 엔진 개발에 방해물로 작용하였다. 노킹은 엔진 내부에서 일을 하는 유체의 온도를 줄임으로써 저감 시킬 수 있고, 이는 엔진의 열 경계 조건을 변화를 주어 이뤄낼 수 있다. 본 연구에서는, 열 경계 조건 변경 방법으로 흡기 포트 단열과 피스톤 냉각 오일젯을 사용하였다. 흡기 포트 단열은 지극히 낮은 열 전도율을 가지는 소재를 통해 새로운 흡기로의 열 전달을 대부분 막을 수 있다. 피스톤 냉각 오일젯 적용 시, 연소실 내부에서 엔진 오일로 냉각을 강화시켜 실린더 내부 온도가 저감된다. 위의 두가지 방법들이 엔진 효율 향상 시킬 수 있는지 실험을 통해 확인해보았다. 단열 처리된 흡기 포트 사용을 통해 흡기 온도 하락 효과를 확인할 수 있었다. 따라서, MBT 영역을 확장시켰으며, 연료량 고정 실험에서 효율 향상된 결과를 얻었다. 복잡한 흡기 포트 내부 설계로 인해, 단열 처리를 완벽하게 할 수 없었다. 따라서 완벽한 단열 처리 시의 기대 효과를 예상하기 위해, CFD 시뮬레이션을 진행하였다. 해당 결과는 더욱 효과적인 공기 온도 저감과 체적 효율 증가를 나타내었다. 피스톤 냉각 오일젯은 연료량 고정한 채로 두가지의 엔진 속도에서 실험을 진행하였다. 오일젯 유형이 오일 압력과 유량보다 지배적인 효과를 가졌다. 또한, 다양한 오일젯이 공통적으로 효율 향상에 긍정적인 영향을 미쳤지만, 상승 규모나 경향성은 두가지 엔진 속도에서 상반되는 성향을 보였다. 이를 통해, 각 엔진 운전 조건에 적합한 오일젯 사용 전략이 필요하는 점을 알 수 있었다. 결과적으로, 흡기 포트와 피스톤에서의 열 경계 조건 변화를 통한 엔진 효율 향상 효과를 본 연구에서 확인하였다. 이 결과들이 다양한 이유들로 인해 강력하게 요구되고 있는 고효율 엔진 개발에 도움이 될 것으로 예상된다.