Effects of engine operating parameters on combustion and emission characteristics in a single cylinder light duty diesel engine

Abstract

입자상 물질은 환경과 인체에 악영향을 끼쳐 압축 점화방식의 (CI) 엔진이 갖는 가장 큰 문제점 중 하나이다. 최근에는 디젤 엔진으로부터 배출되는 입자상 물질 개수 (PN)의 형성 과정을 이해하고 인체에 미치는 영향과 PN을 저감하기 위한 여러 전략들을 파악하기 위하여 여러 연구들이 수행되었다. 본 연구는 소형 디젤 엔진의PN배출량을 저감하기 위한 다양한 기법들을 탐구하였다. 이를 위하여 현대 R엔진 기반의 배기량 0.5리터급 단기통 디젤 엔진을 사용하였다. 엔진을 구동하기 위하여 55kW급 AC 동력계를 사용하였으며, 연료 분사시기, 통전기간 등 엔진의 인자를 제어하기 위하여 NI LabVIEW 와 CompactRIO 시스템을 활용하였으며, NI DAQ 보드를 사용하여 실험 데이터를 저장하였다. 연소 가시화 실험을 위하여, 별도로 개조된 엔진과 피스톤을 사용하였으며 가시화 실험을 통해 연소 이미지를 취득하고 분석하였다. 본 연구는 연료 분사시기, 배기 가스 재순환 (EGR) 비율이 PN에 미치는 영향을 분석하였으며, 서로 다른 엔진 부하 조건에서 엔진 실험을 수행하였다. (저부하 조건, 중부하 조건 그리고 고부하 조건) 연료 분사시기는 모든 실험조건에서 기준 연료 분사시기로부터 크랭크 각 2도를 간격으로 6도를 진각 및 지각하였다. 마찬가지로, EGR 비율은 기준 EGR 비율로부터 5% 간격으로 -10% 부터 +5%까지 변화시켰다. 실험 결과, 연료 분사 시기가 지각되면서 질소산화물 (NOx) 배출량은 현저히 감소하였으나, 예혼합 연소 비율이 감소하여 soot 그리고 PN 배출량은 증가했다. EGR 비율이 증가할 경우, 연소 온도가 낮아져 NOx 배출량이 감소하였다. 이를 통해, EGR 비율은 NOx 배출량 감소에 유리한 것을 알 수 있었으나, 반대로, PN 배출량은 EGR 비율이 증가함에 따라 급격히 증가하였다. 다음으로, 노즐 설계 인자, 즉 노즐 유압유량 (HFR)과 노즐 홀 수 (INHN)가 PN 배출에 미치는 영향을 분석하였다. 노즐의 HFR 변화 실험에는 HFR 310, 350, 390 노즐이 사용되었고 7홀, 8홀, 9홀과 10홀의 노즐이 노즐 홀 변화 실험에 사용되었다. 노즐 HFR 낮은 것은 노즐의 홀 직경이 작다는 것을 의미하므로, 연료의 미립화가 우수하고 착화지연이 감소하였으며, 모든 HFR 노즐 중 PN 배출량이 가장 적었다. Soot과 PN 배출량은 노즐 홀이 9홀까지 증가할 동안 감소하였으나, 그 이상으로 홀 수가 증가할 경우, 노즐 홀에서 분사되는 화염과 화염 간의 간섭 현상이 증가하여 soot과 PN배출량이 감소하지 않았다. 이러한 경향은, 가시화 실험을 통해 취득한 화염 이미지를 통해 검증되었다. 선회 유동의 강도는 2개의 흡기 포트 중 하나에 장착된 선회 유동 조절 밸브(SCV)를 통해 제어하였다. SCV 편향은 최저 0도에서 최대 90도(0은 완전 개방, 90은 완전 폐쇄)까지 변경하였다. SCV 각도 0도부터 30도까지 증가한 조건에서는 입자상 물질의 배출에 거의 영향을 미치지 않았으며, 이후 SCV각도가 더욱 증가하여 선회 유동이 강화되어 모든 실험 조건에서 soot과 PN 배출량이 현저히 감소한 것을 알 수 있었다.; Particulate emissions are one of the biggest challenges for compression ignition (CI) engines because of their effects on environment and human health. Detailed research has been carried out during last decade to understand the evolution of particle number (PN), their effects on human health and their reduction strategies. This study was carried out to explore various techniques for reduction of PN emissions from a light duty diesel engine. For this purpose, a 0.5L single cylinder diesel engine (based on Hyundai R-engine) was used. This engine was powered by a 55kW AC dynamometer. A comprehensive program written in a commercial software was used to control the engine parameters such as injection timing and duration with the help of compatible hardware. Realtime experimental data was recorded and stored for further post procesing. For combustion visualization experiments, the engine was modified with an optically accessible piston and extension. This modification was used to visualize the combustion process and combustion images were captured for further analysis. This study was sequentially carried out starting with the effect of injection timing and exhaust gas recirculation (EGR) rate on particle number. Three testing cases with different engine loading were selected for this study (low, medium, and high loading condition). Injection timing was varied to 6 degrees on both sides of the reference injection timing with a step of 2 degrees for all the test cases. Similarly, EGR rate was varied from reference-10% to reference+5% with a step of 5%. With injection timing being retarded, NOx emissions were substantially reduced but soot and PN emissions increased due to reduced premixed combustion. Increasing EGR rate had a positive effect on NOx emissions reduction. It was due to reduced combustion temperature with increasing EGR %. PN emissions were also drastically increased with increasing EGR rate. In the next step, effects of nozzle design parameters namely injector hydraulic flow rate (HFR) and injector hole number (INHN) on PN emissions were investigated. Three different nozzles with HFR values of 310, 350 and 390 were selected. Similarly, to see the effects of nozzle hole number, 4 different nozzles with hole number of 7,8,9 and 10 holes were selected. Lower HFR corresponding to a smaller hole size resulted in lesser ignition delay due to better fuel atomization. Lowest PN emissions were recorded with lowest HFR nozzle for all loading cases. Soot and PN emissions reduced with increasing hole number till 9-hole nozzle. Further increase in hole number resulted in flame-flame interference and did not show any further reduction in soot and PN emissions. These phenomena were also verified with optical engine results of these experiments. In the next stage of this study, effects of swirl intensity on PN emissions were investigated. Swirl intensity was controlled with the help of a swirl control valve (SCV) installed in one of the two intake ports. SCV deflection was varied from 0 deg to 90 deg (0 being completely open and 90 being completely closed). Increasing swirl ratio had initially no or very little effect on particulate emissions from 0 deg toll 30 deg SCV deflection for all cases. Further increase in swirl ratio resulted in appreciable decrease in soot and PN emissions for all loading cases. Higher swirl intensity on the other hand resulted in increased pumping losses and lower fuel conversion efficiency thereby increasing the fuel consumption.