Combustion and Emission Reduction Characteristics of Oxygenated Fuels in Compression Ignition Engines

Abstract

압축착화 엔진은 열효율이 높고 내구성이 우수하여 수송장치, 전력생산, 산업용 등의 동력원으로 다양하게 사용되고 있다. 이러한 높은 열효율은 다른 동력장치에 비하여 지구온난화의 원인인 CO2 농도를 저감시킬 수 있는 장점이 있어 압축착화 엔진에 대한 관심은 날로 증가하고 있다. 그러나 압축착화 엔진에서 배출되는 질소산화물 (NOx)과 입자상물질 (PM)은 대기오염의 주범으로 인식되고 있으나, 이 두 가지 배출가스의 농도를 동시에 저감시키는 것은 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 또한, 원유 매장량의 고갈로 인한 에너지 부족 및 유가 급등 등의 원인으로 세계각국에서는 기존 석유계 연료를 대체할 수 있는 청정 대체연료를 찾기 위해 노력하고 있다. 그 중, 함산소 연료인 바이오 디젤과 DME (Dimethyl ether)는 연료 중 산소를 포함하고 있어 입자상 물질을 대폭적으로 저감시킬 수 있으며, CO2 배출량을 감소시킬 수 있는 것으로 알려져 있어, 최근 이들 연료를 압축착화 엔진에 적용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 전자 제어식 압축착화 엔진에 함산소 연료인 바이오 디젤과 DME를 적용하여 분사율, 연소, 배기 배출물 등에 미치는 영향을 규명하였으며, 이들 함산소연료와 저유황 경유 (ULSD)의 결과를 비교하여 연료의 물성이 미치는 영향을 분석하도록 하였다. 또한, 미세 입자의 크기분포를 측정할 수 있는 SMPS (scanning mobility particle sizer) 장치를 이용하여 다양한 운전조건 및 연료의 적용에 따른 입자상 물질의 크기별 분포 특성에 대한 연구도 수행하였다. DME의 경우, 입자상 물질 혹은 매연의 발생량이 매우 적은 것으로 밝혀졌으며, 따라서 DME에 대한 연구는 NOx 저감에 중점을 두어 수행하였다. 이를 위하여 파일럿 분사 (pilot injection), 분할 분사 (split injection), 부분 예혼합 연소 (partial premixed charge compression ignition) 등의 다단분사를 적용하였으며, 각각의 분사방식이 엔진출력 및 배출물 저감에 미치는 영향을 분석하고 최적의 분사조건을 도출하였다. 또한 NOx의 획기적인 저감을 위하여 조기분사 방식을 적용하였으며, 이를 위하여 조기분사 60°의 좁은 분무각 인젝터를 사용하였다. 또한 이러한 형상의 인젝터에 최적화하기 위하여 피스톤 형상을 수정하였으며, 조기분사된 연료가 압축과정 중에 과도하게 진각된 시기에 착화되는 것을 방지하기 위하여 압축비를 15:1로 낮추었다. 이 경우, 낮은 당량비에서는 매우 낮은 NOx 농도와 높은 출력성능을 보여주었으나, 당량비가 어느 이상으로 높아질 경우 예혼합 연료의 노킹에 의한 NOx 발생량 증가와 출력저하가 관찰되었다. 이에 대한 대안으로는 배기가스 재순환 (EGR) 혹은 다단분사 적용을 통하여 연료의 일부분을 조기에 분사하여 예혼합 연소시키고 나머지는 상사점 이후의 늦은 시기에 분사함으로써 높은 출력과 낮은 NOx 배출량을 동시에 이룰 수 있을 것으로 판단된다. 바이오 디젤은 압축착화엔진에 적용하였을 경우에 매연, 탄화수소 (HC), 일산화탄소 (CO)의 배출량을 대폭적으로 줄일 수 있는 것으로 나타났으며, 입경이 큰 미세입자의 배출량을 감소시킴으로 인하여 매연농도를 감소시키는 것으로 분석되었다. 그러나 연료중의 산소의 영향으로 인하여 NOx의 배출량은 저유황 경유 (ULSD)에 비하여 다소 증가하는 경향을 보였다. 이에 대한 대안으로서 본 연구에서는 파일럿 분사 (pilot injection)와 분할분사 (spilt injection)를 적용하여 NOx 및 매연의 동시 저감이 가능함을 확인하였으며, 이러한 다단분사 적용이 미세입자의 크기분포를 미치는 영향을 밝히고, 그 결과와 매연농도와의 상관관계를 규명하였다. 이와 같이 본 연구를 통하여 얻어진 함산소 연료의 연소 및 배출물 특성과 배출가스 저감방법에 관한 연구 및 고찰은 향후 대체연료 엔진 개발 및 청정연소 기술의 확립에 유용하게 적용 될 수 있을 것으로 기대된다.; Two oxygenated fuels used as a substitute for petroleum diesel fuel, namely biodiesel and dimethyl ether (DME), were experimentally investigated in a single-cylinder diesel engine equipped with a common-rail fuel injection system. The effects of oxygenated fuels on the injection rate, combustion, exhaust emission, and particle size distribution were examined in order to find a way to achieve the effective reduction of exhaust emissions. In addition, two low emission strategies, multiple injection and premixed charge compression ignition (PCCI) combustion, were investigated as part of efforts to explore possible solutions when it comes to meeting future emission regulations. In addition, the injection rate, combustion, and emissions were examined under various operating conditions in order to study the effect of biodiesel fuel. The scanning mobility particle sizer (SMPS) system was used for the size distribution analysis. To this end, a mobility equivalent particulate diameter in the range of 10.4 to 392.4 nm was identified. The effect of various operating conditions and multiple injection parameters on the particle size distribution of biodiesel and conventional diesel fuel was also investigated. Combustion and the emission characteristics of DME as a fuel for compression ignition (CI) engines were evaluated by comparing the results of DME with those obtained from conventional diesel fuel. In terms of DME fuel, most efforts were devoted to reducing NOx emission as DME fueled engines were found to emit virtually no soot. Multiple injection strategies that included pilot injection, split injection, and partial premixed charge compression ignition (PPCCI) combustion were applied to this end, and the optimum injection parameters for multiple injection strategies were derived. In addition, a new combustion concept known as a narrow angle direct injection (NADI) strategy was attempted in order to achieve a dramatic reduction in NOx. In order to achieve this concept, a narrow spray angle injector, modified piston geometry, and reduced compression ratio were implemented. The study revealed that while the use of biodiesel simultaneously reduced soot, hydrocarbon (HC), and carbon monoxide (CO) emissions, a slight increase in nitrogen oxide (NOx) emissions occurred. Compared to diesel fuel, the combustion of biodiesel fuel reduced a relatively larger diameter range of particulate concentration where most of the particulate mass is found. Multiple injections of biodiesel fuel also resulted in a simultaneous reduction in NOx. Moreover, the pilot injection of biodiesel at optimum timing was also found to reduce larger size particles. Undetectable soot emission was indicated throughout the operating conditions when the engine was fueled with DME. However, DME also increased NOx emissions at the same injection timing as diesel fuel. The multiple injection strategies of split injection and pilot injection made significant decreases in NOx emission with a slight expense of the indicated mean effective pressure (IMEP) possible. PPCCI combustion created by dividing injection event into two injections, namely early and late injection, allowed the most significant reduction in NOx emission. However, the inordinate advance of the combustion phase ushered in by early injection had the effect of deteriorating the IMEP. The implementation of the NADI configuration and early injection resulted in extremely low NOx emissions and a moderate IMEP in the case of both diesel and DME fuel.