극저온의 흡기 온도 조건에서 실린더 내 디젤 연료의 분무 특성
민세훈
*ㆍ
서현규
†Spray Characteristics of Diesel Fuel in a Cylinder under
Cryogenic Intake Air Temperature Conditions
Se Hun Min and Hyun Kyu Suh
Key Words: Cryogenic intake air temperature(극저온 흡기 온도), Equivalence ratio(당량비), Fuel evaporation rate
(연료 증발률), Sauter mean diameter(SMD; Sauter 평균 직경), Spray tip penetration(분무도달거리)
Abstract
The objective of this study is to investigate the effect of cryogenic intake air temperature on the injected fuel droplet behavior in a compression ignition engine under the different start of energizing timing. To achieve this, the intake air tem-peratures were changed from -18oC to 18oC in steps of 9oC, and the result of fuel evaporation rate, Sauter mean diameter, and equivalence ratio distributions were compared. When the intake air temperature decreased in steps of 9oC, less fuel was evaporated by about 3.33% because the cylinder temperature was decreased. In addition, the evaporated fuel amount was increased with retarding the start of energizing timing because the cylinder temperature raised. However, the difference was decreased according to the retarded start of energizing timing because the cylinder pressure was also increased at the start of fuel injection. The equivalence ratio was reduced by 5.94% with decreasing the intake air temperature. In addition, the ignition delay was expected to longer because of the deteriorated evaporation performance and the reduced cylinder pressure by the low intake air temperature.
1. 서 론
압축 착화(CI; Compression ignition) 엔진은 압축 과 정에서 발생하는 높은 온도와 높은 압력 상태의 실린더 내 분사된 연료의 자발화(Auto-ignition)특성을 사용하여 동력을 얻는다. 이로 인해 연료 분사 시스템은 압축 착 화 엔진에서 배기배출물 감소와 연소 성능 증진에 있어 매우 중요하다. 최근 압축착화엔진의 연료 분사 시스템 의 발전으로 고압, 정밀 분사 제어가 가능하여 Soot과 CO와 같은 불완전 연소에 의해 발생하는 환경오염 물 질의 배출이 많이 감소(1)하였지만, 실린더 내 분사된 연 료의 자발화 특성으로 여전히 불완전 연소에 의한 물질 이 많이 배출된다. 또한, 실린더 내 국부적으로 높은 당 량비로 인해 연소과정에서 높은 온도가 형성되어 많은 양의 NOX가 생성된다(2). 앞서 언급한 바와 같이 압축착화엔진에서 분사된 연 료의 자발화 특성과 흡기 공기의 온도, 연료 액적의 미 립화 특성은 연소 성능 증진과 배기배출물 감소에 많은 영향을 미친다. 연료 액적의 미립화 성능을 증진시키기 위해서 Park 등(3)과 Min 등(4)은 인젝터의 형상을 변경하 여 미립화 성능 증진에 관한 연구를 진행하였다. Han 등(5)과 Yao 등(6)은 분사 압력이 증가할수록 분사된 연료 의 미립화 성능이 증진된다고 보고하였다. 이러한 증진 된 미립화 성능으로 인하여 압축착화엔진에서 연소 성
(Received: 8 Jan 2021, Received in revised form: 28 Jan 2021, Accepted: 3 Feb 2021)
*공주대학교 기계공학과 대학원
†서현규, 회원, 공주대학교 기계자동차공학부
E-mail : [email protected]
능이 향상되고, 동시에 불완전 연소에 의한 배기배출물 이 감소된다고 보고하였다. Park 등(7)은 연소 증진과 배기배출물을 감소시키기 위 하여 흡기 온도가 증가할수록 분사된 연료의 증발 성능 이 증진되어 연소 성능이 향상된다고 보고하였다. 또한, 많은 선행연구들(8~10)에서도 흡기 온도가 상승하면 분사 된 연료의 증발 성능이 증진되어 최대 실린더 압력이 증가하고, 착화 지연(Ignition delay)이 짧아져
CO(Car-bon monoxide)와 PM(Particle matter), HC(Hydrocarbon)
과 같은 불완전 연소에 의한 물질이 저감된다고 하였다. 하지만, 높은 압력과 높은 연소 온도로 인하여 NOX가 많이 생성된다고 보고하였다. 일반적인 흡기 온도와 높은 흡기 온도 조건에서의 압 축 착화 엔진의 분사된 연료의 미립화 증진에 관한 연 구는 많이 진행되었다. 하지만, 낮은 흡기 온도에 따른 압축 착화 엔진의 분사된 연료의 거동에 관한 연구는 아직 미흡한 실정이다. 앞서 언급한 선행연구와 같이 고온의 흡기 조건에서 는 증발 성능이 향상되지만, 저온의 흡기 조건의 경우 실린더 내 분사된 연료의 증발 성능이 악화될 것으로 예상된다. 연료의 증발 성능 악화로 연소 성능 또한 저 하되어 불완전연소에 의한 물질이 많이 배출되며, 고온 의 조건에서 생성되는 NOX의 경우 낮은 흡기 온도와 저하된 연소 성능으로 적게 생성될 것으로 판단된다. 악화된 증발 성능으로 인한 저하된 연소 성능을 보완 하기 위하여 저온 흡기 조건에서의 실린더 내 분사된 연료의 분무 거동 특성에 대한 분석은 필수적이다. 또한, 최근 발달한 수치 해석적 접근방법을 이용하면, 실험적 연구에서는 구현하기 힘든 극저온 조건이 실현가능하다. 일반적인 대기온도 조건인 20oC에서 구동되는 실제 엔 진에 유입되는 흡기의 온도는 엔진의 높은 온도로 인하 여 약 60~80oC까지 상승하게 되는데, 수치 해석에서는 영하 수십 oC의 조건의 흡기온도까지 구현가능하다. Shin 등(11)이 보고한 바에 따르면 저온의 흡기 조건의 경 우 실린더 온도 저하로 연소 성능이 악화된다고 보고하 였으나, 분사된 연료가 연소에 직접적으로 영향을 주는 인자인 실린더 내 당량비 분포도(Equivalence ratio distri-bution), SMD 분포도(Sauter mean diameter distribution) 등 과 같은 인자들의 정확한 분석은 전무한 실정이다.
따라서, 본 연구에서는 수치 해석을 활용하여 극저온 흡기 조건에서 연소 성능 및 배기배출물 성능에 대한 연구에 앞서, 압축 착화 엔진에서 가장 중요한 연료의 분무 거동에 대한 연구를 흡기 온도(Intake air
tempera-ture)와 통전시기(start of energizing timing)를 변경하여
진행하였다. 동시에 흡기 온도 감소가 증발률(Evapora-tion rate) 특성과 SMD 특성, 당량비 분포도에 미치는 영향을 알아보는 것을 목표로 하였다.
2. 실험 및 수치 해석적 연구 방법
2.1 실험 장치 극저온의 흡기온도가 분사된 연료의 분무 거동에 미 치는 영향을 확인하기 위한 수치해석연구의 신뢰성을 확보하기 위해 실험을 진행하였다. Fig. 1에 나타낸 실 험 장치 개략도와 같이 Common-rail 분사 시스템을 적 용하였으며, Ar-ion 레이져, ICCD(Intensifiedcharge-coupled device) 카메라를 사용하여 연구를 진행하였다. 본 연구에 Mini-sac 타입의 분사각도 154 deg, 홀직경 0.168 mm 5홀을 갖는 인젝터를 적용하였다. 분사압력은 100 MPa, 분사량은 14 mg으로 고정하였으며, 분위기 압력은 2.5 MPa에서 3.5 MPa까지 변경하였다. 수치 해석 에 사용할 분사율 데이터는 Bosch가 제안한 장관법(12)을
Fig. 1 Schematic of experimental setup(11)
사용하여 분사율 데이터를 취득하였으며, Fig. 2와 같다. 2.2 수치 해석적 모델 극저온 흡기가 분사된 연료의 분무 거동에 미치는 영 향을 확인하기 위해서 엔진 해석 전용 프로그램(AVL Fire)를 사용하였다. 실린더 내 분사된 디젤 연료(C13H23) 의 물리적 현상을 표현하기 위한 Sub-model을 프로그램 내 라이브러리(13,14)를 참조하여 Table 1과 같이 적용하 였다. 분열(Break-up) 모델인 Wave 모델은 시간의 흐름에 따라 분사된 연료의 분열이 진행되는 모델이며, 분사된 연료의 시간에 따른 분열로 감소하는 액적의 반지름 감 소율(dr/dt)은 다음 식 (1)과 같다. (1) 여기서, r은 초기액적의 반지름은 말하며, rstable은 감 소한 액적의 크기를 말한다. rstable은 파장 (Λ)에 의해 결 정되며, 다음 식 (2)와 같다. (2) 여기서 C1은 Reitz 상수인 0.61이다. 또한 파장 (Λ)는 다음 식 (3)과 같다. (3) 또한, 식 (1)에서 τa는 분열 시간을 말하며, 다음 식 (4)와 같다. (4) 여기서 Ω는 파장의 성장률을 의미하며, 다음 식 (5) 와 같다. (5) 식 (5)에서 We는 Webber 수, Oh는 Ohnesorge 수이며,
이다. 본 연구에서 적용한 Sub-model의 신뢰성 확보를 위한 수치 해석과 압축 착화 엔진에서 극저온의 흡기 온도가 분사된 연료 액적 거동에 미치는 영향은 서로 다른 2가지 격자를 적용하여 수치 해석을 진행하였다. Sub-model의 신뢰성 확보를 위한 격자는 실험에서 사용한 실린더 형태 의 지름 140 mm, 실제 분무 영역을 고려하여 길이는 50 mm로 1,105,920개의 격자를 생성하여 적용하였다. 압 축 착화 엔진에서 극저온 흡기 온도가 분사된 연료의 분 무 거동에 미치는 영향을 알아보기 위한 형상으로 실린더 내 연료가 분사되는 영역인 1/5의 영역에서만 격자를 생 성하여 적용하였다. 격자의 개수는 TDC(Top dead center) 상태에서 94,896개의 격자를 가지며, BDC(Bottom dead center) 상태에서는 200,808개를 갖는 유동 격자를 적용 하여 실린더의 압축과 팽창을 모사하였다. 본 연구에 적 용한 엔진과 인젝터의 자세한 제원은 Table 2에 나타내 었다. 2.3 실험 및 수치 해석 조건 Sub-model의 신뢰성 확보를 위하여 동일한 실험과 수 치 해석 조건을 설정하였으며, 분사압력과 분사량은 엔 진 수치 해석과 동일하도록 각각 100 MPa과 14 mg으 로 고정하였다. 분위기 압력은 2.5 MPa에서 3.5 MPa까 지 변경하여 엔진 시뮬레이션에서 통전시기에 따른 압 력 변화에도 오차가 없도록 하였다. Table 3은 극저온 흡기 온도가 분사된 연료의 분무 거 dr dt --- (rstable–r) τa ---= rstable=C1Λ Λ 9.02 r(1 0.45 Oh+ ⋅ 0.5) 1 0.4 T( + ⋅ 0.7) 1 0.87+ Weg 1.67 ⋅ ( )0.6 ---⋅ = τa 3.726 C⋅ ⋅2 r Λ Ω⋅ ---= Ω ρdr 3 σ ---⎝ ⎠ ⎛ ⎞0.5 0.34 0.38 Weg 1.5 ⋅ + 1 Oh+ ( ) 1 1.4 T( + ⋅ 0.6) ---= T=Oh We⋅ 0.5 Table 1 Sub-model for numerical analysis
Phenomenon Model
Turbulence k-zeta-f
Break-up Wave
Evaporating Dukowicz
Wall interaction Walljet-1
Table 2 Specifications of test engine
Contents Value Eng ine e Displacement [cc] 498 Bore × Stroke [mm] 83 × 92 Compression ratio 17.7 Valve timing IVC (BTDC deg) 145
EVO (ATDC deg) 128
In
jecto
r
Inclined spray angle [deg] 154
Hole diameter [mm] 0.168
동에 미치는 영향을 확인하기 위한 조건이다. 엔진의 회 전 속도는 1,800 RPM으로 모든 조건에서 동일하도록 고정하였으며, 본 연구에서는 흡기 온도가 분무 거동에 미치는 영향을 확인하기 위하여 실린더 내 공기의 질량 을 고정하고, -18oC에서 18oC까지 9oC 간격으로 변경하 였다. 통전시기 또한 BTDC 18 deg에서 BTDC 06 deg 까지 변경하여 흡기 온도와 통전시기가 분사된 연료의 분무 거동에 미치는 영향을 비교 분석하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 수치 해석의 신뢰성 검증 본 연구에서 수치 해석에 적용한 Sub-model의 신뢰성 을 확보하기 위하여 동일한 조건에서 실험 및 수치 해 석의 분무 발달 과정(Spray evolution)과 분무 도달 거리(Spray tip penetration)를 비교 분석하여 수치 해석의 신
뢰성을 확보하였다.
Figure 3은 분위기 압력에 따른 분무 발달 과정을 나타
내었다. 분무 초기에 홀 크기에 비례하는 큰 크기의 액적 이 분사되고, 시간이 지남에 따라 항력(Drag force)에 의한 액적이 분열하여 작은 크기의 액적이 관찰된다. 또한, 분 위기 압력이 증가할수록 분무 각도(Spray cone angle)가 실험에서는 2.5 MPa은 16.5도, 3.0 MPa은 17.3도, 3.5 MPa
18.9도로 증가하였으며, 수치해석에서는 16.4도, 17.3도 19.0도로 실험과 같이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 분위기 압력이 높아질수록 항력 또한 증가하여 액적 분열이 빠르게 일어나 증가한 것으로 판단된다. Fig. 4는 분위기 압력에 따른 실험 및 수치 해석의 분무 도달 거리 를 비교한 그래프이다. 그래프에서 확인할 수 있듯이 실 험과 수치 해석에서의 오차율은 모든 조건에서 최대 5.64%로 수치해석이 실험 결과와 매우 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로부터 본 연구에 적용한 Sub-model의 신뢰성은 확보되었다고 판단된다.
3.2 연료 증발률(Fuel evaporation rate) 특성 압축 착화 엔진에서 분사된 연료의
증발률(Evapora-tion rate)을 확인하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서
연료 증발률은 분사된 연료 질량 대비 증발한 연료의 질량을 백분율로 정의하였으며, 다음 식 (6)과 같다.
Fuel evaporation rate (%) =
(6)
--- 100Evaporated fuel mass×
Injected fuel mass Table 3 Analysis conditions for engine simulation
Item Conditions
RPM 1,800
Injection pressure [MPa] 100
Injection mass [mg] 14
SOE [BTDC deg] 18, 12, 06
Intake air temperature [oC] -18, -9, 0, 9, 18
Fig. 3 Validation results of spray evolution characteris-tics (Pinj= 100 MPa, minj= 14 mg)
Fig. 4 Comparison of spray tip penetration characteris-tics (symbols and lines indicate experimental and numerical results, respectively)
Figure 5는 흡기 온도에 따른 증발률 특성을 나타내었 다. 흡기 온도가 9oC씩 감소할수록 평균 3.33% 증발하 는 연료량이 감소하였으며, 흡기 온도가 -18oC일 때 18oC에 비해 약 12.23% 낮은 증발률 값을 가졌다. 이는 Min 등(15)이 보고한 바와 같이 흡기 온도가 9oC 감소할 수록 실린더 내 온도는 평균 약 14.5oC씩 감소하여 분 사한 연료의 증발 성능이 악화되고, 낮은 증발률 값을 가지는 것으로 사료된다. Figure 6은 동일한 흡기 온도에서 통전시기에 따른 증 발률 특성을 나타내었다. 통전시기가 진각될수록 많은 낮은 증발률 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이는 통 전시기가 진각될수록 연료가 분사하는 시점에서 실린더 내 온도가 낮아 천천히 증발한 것으로 사료된다. 또한, 통전시기가 BTDC 18 deg의 경우 통전시기 BTDC 06 deg 대비 평균 41.57% 낮은 증발률이 관찰되는 반면, BTDC 12 deg의 경우 통전시기 BTDC 06 deg 대비 16.14%로 상대적으로 그 차이가 줄어들었다. 이는 통전시기가 BTDC 12 deg의 경우 연료가 분사되는 시점에서 피스 톤 상승에 따른 실린더 내 압력상승에 의한 온도 상승으 로 그 차이가 줄어든 것으로 판단된다. Fig. 5과 Fig. 6에 서 분사 후 CA 10 deg에서 모든 조건에서 같은 100% 로 수렴하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 피스톤 상승 으로 높은 온도와 압력으로 인하여 분사된 연료가 다 증발하여 동일한 값으로 수렴하는 것으로 판단된다.
3.3 SMD(Sauter mean diameter) 특성
흡기 온도가 분사 후 연료 액적 크기에 미치는 영향을 확인하기 위하여 흡기 온도에 따른 SMD(Sauter mean diameter) 분포도 특성을 Fig. 7에 비교 분석하였다. Figure 7에서 확인할 수 있듯이 흡기 온도가 감소할수 록 실린더 내 분사된 연료 액적의 크기가 증가하지만, 그 차이가 1% 미만으로 미비하였다. 하지만, 분사된 연료 가 피스톤 벽면에 부딪히고 난 후의 시점인 tASOI= 8 deg 에서는 흡기 온도가 감소할수록 SMD가 급격히 작아지 는 것을 확인할 수 있었다. 이는 Fig. 8의 흡기 온도에 따른 액적 크기 히스토그램에서 확인할 수 있다. Fig. 8 은 분사 후 08 deg 시점에서 흡기 온도에 따른 액적 크 기 분포를 흡기온도가 18oC를 기준으로 비교한 그래프 이다. 분사 후 피스톤 벽면에 부딪힌 액적은 Lee 등(16) 이 보고한 바와 같이 피스톤 벽면과의 충돌 효과(Colli-sion effect)로 인하여 매우 작은 액적으로 분열된다. 분
Fig. 5 Effect of intake air temperature on the difference of evaporation rate characteristics in CI engine (Pinj
= 100 MPa, minj= 14 mg, teng= BTDC 12 deg)
Fig. 6 Effect of start of energizing timing on the differ-ence of evaporation rate characteristics in CI engine (Pinj= 100 MPa, minj= 14 mg, Ti= -18oC)
Fig. 7 Effect of intake air temperature on the SMD distri-butions in CI engine (Pinj= 100 MPa, minj= 14 mg, teng= BTDC 12 deg)
열된 작은 액적은 Park 등(7)이 보고한 바와 같이 흡기
온도가 감소할수록 연료 액적의 증발 성능이 악화된다. 따라서, 작은 크기로 분열된 액적이 잘 증발하지 못하여 실린더 내 많이 잔류하므로 SMD 값에 포함되어 작은 값을 갖는 것으로 판단된다.
3.4 분무 도달 거리(Spray tip penetration) 특성 흡기 온도에 따른 분무 도달 거리 특성을 Fig. 9에 나 타내었다. 앞선 SMD 특성에서 언급한 바와 같이 흡기 온도에 따른 SMD의 차이가 1% 정도로 그 차이가 없었 다. 이로 인하여 분사된 연료 액적이 갖는 운동 에너지
(Kinetic energy) 또한 Fig. 10에 나타낸 바와 같이 흡기
온도에 따라 차이가 약 1.72%로 미비하여 분무 도달 거 리의 차이가 없었다. 하지만, Fig. 11과 같이 통전시기에 따른 분무 도달 거 리에서는 통전시기가 진각될수록 피스톤 벽면에 빠르게 도달하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 증발률 특성에서 언급한 바와 같이 연료가 분사되는 시점에서 통전시기 가 진각될수록 실린더 내 압력이 낮아 항력이 줄어들어 빠르게 피스톤 벽면에 도달한 것으로 판단된다.
3.5 당량비 분포(Equivalence ratio distributions) 특성
CI 엔진에서 동일한 통전시기에서 흡기 온도에 따른
당량비 분포(Equivalence ratio distributions) 특성을 Fig. 12 에 나타내었다. 분사 초기에는 적은 양의 분사량으로 인하여 흡기 온 도에 따른 당량비의 차이가 매우 미비하지만, 분사 후 시간이 지남에 따라 흡기 온도가 9oC 감소할수록 당량 비가 평균 5.94%씩 감소하였다. 이는 앞서 증발률 특성 에서도 언급한 바와 같이 흡기 온도가 감소할수록 분사 Fig. 8 Effect of intake air temperature on the difference
of droplet number in CI engine (Pinj= 100 MPa, minj= 14 mg, teng= BTDC 12 deg)
Fig. 9 Effect of intake air temperature on the spray tip penetration characteristics in CI engine (Pinj= 100 MPa, minj= 14 mg, teng= BTDC 12 deg)
Fig. 10 Effect of intake air temperature on the maximum kinetic energy characteristics in CI engine (Pinj=
100 MPa, minj= 14 mg, teng= BTDC 12 deg)
Fig. 11 Effect of start of energizing timing on the spray tip penetration characteristics in CI engine (Pinj=
된 연료의 증발 성능이 악화되어 낮은 당량비 특성을 갖는 것으로 판단된다. 또한, 흡기 온도가 감소할수록 실린더 내 온도 감소와 낮은 당량비로 인하여 착화 지 연(Ignition delay)이 길어질 것으로 예상된다. 하지만, Lee 등(16)이 보고한 바와 같이 분사된 연료의 긴 착화 지연으로 인하여 공기와 혼합에 많은 시간을 확보할 수 있어 Soot과 CO와 같은 불완전 연소에 의한 물질이 적 게 배출될 것으로 예상되며, 낮은 실린더 온도로 인하여 NOX또한 적게 배출될 것으로 예상된다. 본 연구에서는 흡기온도가 분무 거동에 미치는 영향에 대한 연구이므 로 흡기 온도가 연소 및 배기배출물에 미치는 영향에 대해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 CI엔진에서 극저온의 흡기 온도가 실 린더 내 분사된 연료의 분무 거동에 미치는 영향을 확 인하기 위한 연구로써 다음과 같은 결론을 얻을 수 있 었다. 흡기 온도가 9oC 감소할수록 낮은 실린더 온도로 인 하여 동일한 시점에서 평균 3.33%의 증발하는 연료량 이 감소하였다. 통전시기가 지각될수록 분사 후 피스톤 상승에 따른 높은 실린더 내 온도로 인하여 많은 양의 연료가 증발 하였다. 분사 초기에는 SMD의 차이가 1% 정도로 미비하지 만, 충돌 후 충돌 효과에 의한 작은 크기의 액적이 낮은 흡기 온도로 인해 증발 성능이 악화되어 실린더 내 많 이 잔류하고, 상대적으로 작은 SMD 값을 가지는 것으 로 판단된다. 분사 후 시간이 지남에 따라 흡기 온도가 감소할수록 평균 5.94%의 당량비가 감소하였다. 낮은 흡기 온도에 따른 낮은 실린더 온도와 증발 성능 악화로 긴 착화 지 연이 예상되나, 긴 착화지연으로 공기와 연료의 혼합되 는 시간이 확보되어 Soot과 CO와 같은 불완전 연소에 의한 물질이 적게 배출될 것으로 예상된다.후 기
이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한 국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(NRF-2020R1A2C1011641).참고문헌
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