단기통 디젤 엔진을 이용한 대체연료의 연소화염 및 배기 특성

Abstract

As the air pollution by diesel fueled engines is increasing, various combustion technologies and alternative fuels have been introduced for a compression ignition (CI) engine. Biodiesel and dimethyl ether (DME) have been increasingly gaining attention as clean and alternative fuels, substituting for diesel fuel. In order to apply these fuels for the CI engine, fundamental research should be preceded to improve the understanding of combustion and emission characteristics for biodiesel and DME fuels. This thesis presents research into the effects on combustion and emissions characteristics and the flame temperature distribution when the engine is operated under different engine speed, injection timing and engine load conditions. This has resulted in the improved understanding of combustion process and pollutant emissions for alternative fuels in the CI engine. Experimental investigation was conducted on a single-cylinder CI engine. Cylinder pressure, fuel consumption and gaseous and soot emissions were measured. Also, combustion flame propagation and temperature distribution were estimated using the endoscope visualization system. The results showed that engine operating conditions can highly affect combustion performance regardless of fuel types. However, the flame temperature and emission can be dependent on the physical and chemical fuel properties. DME fuel showed higher combustion performance and temperature compared to ultra-low sulfur diesel (ULSD) fuel. Due to physical properties which are similar to that of ULSD, combustion characteristics of biodiesel fuel were analogous with ULSD combustion results. DME and biodiesel, oxygenated fuels, induced complete combustion and the reduction of soot emissions. In addition, this study reveals that flame development and temperature distribution are able to affect significantly exhaust emissions. These results provide support to ideas of combustion and emission characteristics of DME and biodiesel fuels as well as the applicability for CI engines.| 높은 연비와 출력이 장점인 디젤 기관의 사용이 증대됨에 따라 심각한 환경 오염문제가 대두되고 있다. 정부에서는 환경오염 방지를 위해 자동차 배기 규제 등을 도입하였으며, 정부산하 연구소 및 기업에서도 오염물질 저감을 위해 신 연소 기술 개발 및 대체 연료 연구를 진행하고 있다. 디젤 기관의 대체 연료로는 바이오 디젤과 디메틸 에테르 (Dimethyl ether, DME)가 주목을 받고 있다. 두 연료는 디젤 기관에 적용 가능성이 높이 평가되고 배출가스 또한 기존 디젤연료에 비하여 많은 저감 효과를 가져올 것으로 기대하고 있다. 본 연구는 바이오 디젤과 디메틸 에테르 연료를 디젤 기관에 적용하기 위해 대체연료의 연소 및 배기 특성에 관해 이해를 증대시키는데 그 목적이 있다. 연소 및 배기 특성 연구를 위해 단기통 압축착화 기관을 사용하였으며, 연소 화염 발달 과정과 온도 분포 분석을 위하여 가시화 장비를 도입하였다. 실험은 엔진 속도, 분사 시기, 엔진 부하로 나누어 다양한 조건에서 연료에 따른 연소 및 배기에 미치는 영향을 살펴 보았다. 연소특성은 연소 압력, 연료 소모율 등을 취득하여 분석 하였고, 배기가스 분석 장치를 활용하여 연소 후 배출되는 배기 가스를 종류별로 수치화 하여 정보를 취득 및 분석 하였다. 또한 가시화 장비를 활용하여 실린더 내에서 발생하는 분무 거동 및 화염 발달 과정을 관측 하였고, 이미지 (image) 후 처리 장치를 활용하여 화염 온도 분포를 살펴 보았다. 연소 특성은 연료에 따른 영향보다는 엔진의 운행 조건에 따라 영향을 더 많이 받았다. 하지만 분무 거동, 화염발달, 배기특성은 대체연료의 물리적, 화학적 특성에 따른 영향이 크게 나타났다. 두 대체 연료의 실험 결과는 동일 실험조건에서의 디젤 연료 결과와 비교하여 나타내었다. 디메틸 에테르는 연소 및 화염에서 디젤과 비교하여 뛰어난 성능과 높은 온도를 보였으며, 바이오 디젤은 디젤과 유사한 물리적 특성으로 인하여 비슷한 결과를 보였다. 두 대체 연료는 모두 함산소연료로 디젤에 비하여 완전 연소에 가까운 연소를 보이며 낮은 수트(soot) 배출량을 보였다. 또한 화염 발달과 온도 분포가 배기 배출물에 큰 영향을 주는 것을 확인하였다. 본 연구는 디메틸 에테르와 바이오 디젤의 연소 및 배기 특성의 이해를 증진 시키며 압축착화 기관에서 두 연료의 적용 가능성에 대한 정보를 제공하고자 한다.; As the air pollution by diesel fueled engines is increasing, various combustion technologies and alternative fuels have been introduced for a compression ignition (CI) engine. Biodiesel and dimethyl ether (DME) have been increasingly gaining attention as clean and alternative fuels, substituting for diesel fuel. In order to apply these fuels for the CI engine, fundamental research should be preceded to improve the understanding of combustion and emission characteristics for biodiesel and DME fuels. This thesis presents research into the effects on combustion and emissions characteristics and the flame temperature distribution when the engine is operated under different engine speed, injection timing and engine load conditions. This has resulted in the improved understanding of combustion process and pollutant emissions for alternative fuels in the CI engine. Experimental investigation was conducted on a single-cylinder CI engine. Cylinder pressure, fuel consumption and gaseous and soot emissions were measured. Also, combustion flame propagation and temperature distribution were estimated using the endoscope visualization system. The results showed that engine operating conditions can highly affect combustion performance regardless of fuel types. However, the flame temperature and emission can be dependent on the physical and chemical fuel properties. DME fuel showed higher combustion performance and temperature compared to ultra-low sulfur diesel (ULSD) fuel. Due to physical properties which are similar to that of ULSD, combustion characteristics of biodiesel fuel were analogous with ULSD combustion results. DME and biodiesel, oxygenated fuels, induced complete combustion and the reduction of soot emissions. In addition, this study reveals that flame development and temperature distribution are able to affect significantly exhaust emissions. These results provide support to ideas of combustion and emission characteristics of DME and biodiesel fuels as well as the applicability for CI engines.