Design Factor of Heat Release Rate Shaping for Combustion Noise Reduction in a Diesel Engine

Abstract

최근 디젤엔진의 기술 진보는 무공해, 고출력 및 사용자 편의성의 세 가지 기조로 이루어지고 있다. SI엔진과 비교하였을 때, 디젤 엔진은 고압축비로 인한 연소 특성을 원인으로 하는 문제점을 가지고 있다. 소음과 진동은 널리 알려진 주요한 디젤 엔진의 당면 해결과제로, 운전자 편의성의 측면에서 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 엔진 내부의 열발생률을 모사하여 연소의 형상이 연소음에 미치는 영향에 대해 다루었다. 기존의 소음 저감을 위한 접근 방식은 다양한 연소조건들을 변화시켜가면서 이에 대한 소음수준을 측정하여 연소인자들을 최적화 하는 방식이다. 이번 연구에서 제시한 방법론은 기존 방식과는 반대로, 연소의 결과로 발생된 열발생률의 형상이 소음에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 모사된 열발생률을 통해 계산된 압력곡선으로 연소음지수(CNI)를 구할 수 있으며, 그 결과 최대 열발생률, 열발생률의 폭 그리고 연소상의 세 가지 설계인자를 도출하였다. 그 결과로, 최대 열발생률이 낮아질수록, 열발생률의 폭이 클수록, 연소상은 지각될수록 CNI값은 감소한 것을 확인할 수 있었다. 다음으로, 위의 과정을 통해 제시된 설계 인자의 적용 가능성 확인을 위해 실험을 통하여 설계 인자들에 영향을 주는 엔진 운전 변수들을 선정하였다. 선정된 운전 변수들의 수준을 변화시켜가며 이에 대한 설계 인자들의 변화와 배기배출물 수준의 변화를 확인하였다. 연료 분사시기, 분사압력, EGR, Swirl및 Pilot연료량의 다섯 가지 운전 변수들을 선정하였다. 마지막으로, 초기 운전조건에서부터 선정된 인자들을 변화시켜가며 배기배출물과 bmep수준을 유지한 상태에서 CNI값을 3.6 dB 가량 낮추었다. 실험은 배기배출물 및 출력을 고려한 가운데서 초기 조건에서 연소인자들을 변화시켜가며 설계 인자들의 변화가 CNI값을 낮추는 운전점을 탐색하는 방식으로 진행되었다. 최종적으로 얻어진 결과는 분사시기 지각 및 Swirl감소, 분사압 감소, EGR ratio 감소의 3가지 단계로 분류하였다.

Advancement of diesel engine development has been heading for the cleanness, high performance and comfortability. In comparison of spark-ignition engine, it has several drawbacks due to its combustion characteristic with high compression ratio. Noise and vibration are widely known as a major representative issue of diesel engine in an aspect to passenger's drivability. This study simulates the shape of heat release rate by manipulating measured burning rate to figure out the effect of its shape to combustion noise level. Conventional approach for noise reduction is the way of changing combustion parameters with the noise measurement to optimize them. New method reaches to the goal on the contrary to the previous approach. It is focused on the shape of heat release rate and its effect to the combustion noise level. Design factors for shaping optimal heat release rate were derived first. Combustion parameters were chosen to achieve the suggested shape in order. Combustion Noise Index (CNI) from simulated in-cylinder pressure was used as an indicator of direct combustion noise. Consequently, design factors affecting to CNI were combustion phase, peak and width of heat release rate. Lower peak of heat release rate, wider heat release rate and retarded combustion phase have an effect to decrease in CNI. Combustion parameters were selected in respect to the design factors and experimentally verified in sequence so as to confirm the feasibility. Exhaust gas emission and bmep were also considered. Fuel injection timing, pressure, EGR ratio, swirl and pilot quantity were changed and inspected to figure the response of CNI to the shape of heat release rate. In consequence, CNI decreased from the base condition by 3.6 dB without any increase in exhaust gas emissions and los of bmep by using these combustion parameters. The experiment was conducted from the base condition by changing parameters. Its responses to three design factors, which are the combustion phase, pHRR and width of heat release rate were considered simultaneously. While the CNI reaches to the lower level with reasonable exhaust gas emissions and bmep, entire procedure was divided into three steps. The first step is the retard of main injection timing and reduced swirl. Second, injection pressure was reduced. Lastly, EGR ratio decreased.