Analysis of the Effect of Ethanol and Butanol Addition to Sub-octane Gasoline on GDI Spray Characteristics by Optical Visualization

Abstract

Blending biofuels with gasoline has been suggested as the way to decarbonize the transport section and to increase octane number. In this study, the spray characteristics of sub-octane gasoline and bio-ethanol/bio-butanol (7:3) blended fuel was derived in the background conditions of real GDI engine by using a constant volume chamber. The behavior of spray was measured by Mie-scattering and Schlieren photography method. Various bio-alcohol concentration fuels (EB 0, 6, 15, 30, 60, 88) were tested in the background conditions corresponded to the engine operating conditions. As a result, the operating range of the GDI engine included in the transition region in terms of flash-boiling, so the spray geometry changes most actively by flash-boiling. The flash-boiling occurred most strongly with the EB30 mixture due to vapor pressure and boiling point change of fuel according to the evaporation ratio. However, the effects of bio-alcohol concentration and flash-boiling on penetration length and projected area were different according to the background pressure and temperature due to the formation of a single plume in the region where flare-flashing occurs.

운송부분에서의 이산화탄소 배출량을 줄이고 가솔린 연료의 옥탄가를 높이기 위한 방안으로 가솔린에 바이오 연료를 혼합해 사용하는 것이 제안된 바 있다. 본 연구에서는 서브옥탄 가솔린에 에탄올과 부탄올의 구성비가 7:3인 바이오 알코올을 혼합한 연료의 분사 특성을 실제 GDI 엔진 운전 조건에서 분석하였다. 분사 배경 조건은 정적 연소실을 이용하여 모사하였으며, 미 산란 기법과 슐리렌 기법을 이용해 스프레이 가시화를 수행하였다. 이를 통해 바이오 알코올 혼합비에 따라 총 6종의 연료(EB 0, 6, 15, 30, 60, 88)의 분사 특성을 비교 분석하였다. 그 결과, GDI 엔진 운전 조건이 플래시보일링 관점에서 전이 영역에 주로 위치하고 있으며, 플래시보일링 발생 정도에 따라 스프레이 형상이 크게 변화하는 것이 확인되었다. 플래시보일링 발생 정도는 알코올 함량에 따라 변화하는데, 특히 EB30 연료에서 플래시보일링이 가장 강하게 일어나는 것이 관측되었다. 이를 알코올 혼합에 따른 초기 증기압 변화와, 분사 후 증발에 의한 혼합 연료의 구성비 변경에 따른 증기압 변화로 해석하였다. 배경 온도와 압력에 따라 바이오 알코올 혼합 연료의 스프레이 침투 거리와 투영 면적을 정량 계측하였으며, 플래시보일링이 강하게 발생하여 단일 플룸이 형성되는 현상이 스프레이 특성에 미치는 효과를 고찰하였다.