단기통 엔진에서 제어 인자에 따른 마이크로 파일럿 혼소 (MPDF) 연소 특성 분석

Abstract

In this, study the effects of engine operating parameters on micro-pilot dual-fuel (MPDF) combustion characteristics in a single cylinder engine were studied. First, the diesel and methane mixture ratio was swept for metal engine experiments under high engine load. To support the explanations for the metal engine experiments, optical engine experiments were performed under low engine load. Second, to investigate the MPDF combustion characteristics under various engine operating loads, intake air flow rates, intake air temperatures, equivalence ratios, and micro-pilot (MP) injection timing were swept. Finally, based on the methane gas, additive gases—containing propane, hydrogen, and carbon dioxide gases—were added and the additive gas mixture ratio was changed.

The MPDF combustion shows the form of a mixture of diesel combustion and premixed combustion depending on the diesel and methane gas mixture ratio. Under a high diesel mixture ratio, diesel premixed combustion and diffusion combustion were mainly observed. Conversely, under a high methane gas mixture ratio, more gas premixed combustion was observed. Owing to the high diesel injection quantity, the pure diesel condition exhibited a relatively low combustion variation. However, the diffusion combustion caused by diesel fuel was the main reason for the high emissions of nitrogen oxides (NOx) and particulate matter (PM). Moreover, the advanced combustion phase and high combustion temperature deteriorated the engine performance under the high diesel mixture ratio. Conversely, an increasing methane mixture ratio effectively decreased NOx and PM emissions. Furthermore, in the premixed condition, the fuel conversion efficiency was improved by retarding the combustion phase and decreasing the combustion temperature. However, the combustion variation was significantly increased under the high methane mixture ratio. The combustion images obtained by an endoscopy system indicated that the higher diesel mixture ratio, the higher the flame temperature and soot concentration. The diesel injection quantity mainly affected the soot formation rather than soot oxidation. In addition, the bottom view combustion images revealed that the lowest combustion speed and variations of ignition position were the major reasons for the high combustion variation of MPDF combustion.

In engine experiments of intake air flow rate, the MP injection timing was altered for maintaining the same cylinder pressure at the MP injection timing. As the intake air flow rate increased, the MPDF combustion form was changed from regular premixed combustion to premixed ignition in the end-gas region (PREMIER) combustion. The ringing intensity (RI), which is a quantitative indicator of knocking combustion, was exponentially increased under the high intake air flow rate. While regular premixed combustion and PREMIER combustion maintained a low combustion variation, a high combustion variation was observed under the transient region. The combustion efficiency and NOx emissions were increased with high intake air flow rate under the same equivalence ratio; however, increasing the heat loss and negative work deteriorated the fuel conversion efficiency.

As the intake air temperature increased from 35 °C to 55 °C, auto-ignition occurred in the region of locally high temperature in the combustion chamber, resulting in knocking combustion. The main combustion period was considerably reduced under high intake air temperature. The RI and combustion variation were proportional to the intake air temperature. Because of the advanced combustion phase and high heat loss, the fuel conversion efficiency was reduced by increasing the intake air temperature. Even though the intake air temperature was increased by only 20 °C, the NOx emissions increased by ~100%.

Depending on the equivalence ratio, various MPDF combustion forms were observed. The reference equivalence ratio (i.e. lambda 2.0) exhibited PREMIER combustion. Decreasing and increasing equivalence ratios from the reference condition led to misfiring and knocking combustion, respectively. Under misfiring, a low RI and high combustion variation were observed. Furthermore, knocking combustion increased both the RI and combustion variation. The NOx and carbon dioxide (CO2) emissions were proportional to the equivalence ratio.

The MP injection timing experiments were conducted under intake air temperatures of 35 °C and 55 °C. The advancing and retarding MP injection timing from the before top dead center (bTDC) 27 degree led to misfiring for different reasons under low intake air temperature. The MP injection timing bTDC 27 degree and 30 degree presented the most stable combustion, resulting in the highest RI and the lowest combustion variation. However, the combustion variation was significantly increased by misfiring. Furthermore, misfiring caused incomplete combustion, thus decreasing the NOx and CO2 emissions. When the intake air temperature was 55 °C, MP injection timing was retarded from the reference condition, causing severe knocking combustion. As a result of knocking combustion, the main combustion period was deceased, and not only the RI but also the combustion variation greatly increased.

Engine experiments were performed under various propane gas mixture ratios. Because propane gas has a low octane number (OCN), knocking combustion was observed under a high propane gas mixture ratio, and it increased the RI and combustion variation. NOx emissions were proportional to the propane mixture ratio. Furthermore, CO2 emissions increased because the carbon number of propane is three times that of methane gas.

Unlike propane gas, hydrogen gas has a high OCN, which suppresses misfiring and knocking combustion. Because of the high flame propagation speed, the ignition delay was significantly reduced by adding hydrogen gas, and the RI and combustion variation were maintained.

Carbon dioxide gas dose not participate in the combustion reaction and has a large heat capacity, suppressing premixed combustion. Under a high carbon dioxide gas mixture ratio, misfiring occurred, and the combustion variation increased. While propane and hydrogen gases caused heat loss and negative work, carbon dioxide gas impaired the combustion efficiency.

Finally, the optimum engine operating conditions for MPDF combustion were derived by summarizing the engine experimental results. A diesel mixture ratio of 10.0% and a methane mixture ratio of 90.0% was the most effective in improving the combustion variation. As the diesel mixture ratio was further increased, there was negligible effect on the reduction in combustion. Furthermore, the fuel conversion efficiency deteriorated and NOx emissions increased. Therefore, this study regarded the above experimental condition as the optimum diesel and methane mixture ratio.

The MPDF combustion forms can be classified by the RI and combustion variation. The regular premixed combustion and misfiring occurred in the low RI regime. While the regular premixed combustion presented the lowest combustion variation, the combustion variation was increased by misfiring. The middle RI regime represented PREMIER combustion. In this region, the combustion variation was relatively low. As knocking combustion occurred, the RI and combustion variation were increased. Therefore, the experimental results showed that knocking combustion occurred in the high RI regime.

In marine engines, the stability of engine power is the most important factor. Therefore, the middle RI regime, which leads to low combustion variation, is the basic condition for optimum MPDF combustion. In the middle RI regime, the engine operating conditions that showed a RI of 4 MW/m2 were chosen as the optimum conditions for MPDF combustion strategies. |선박용 엔진에서 널리 사용되는 마이크로 파일럿 혼소 (MPDF) 연소의 단점인 높은 연소 편차를 개선하고 엔진 성능을 향상시키기 위하여, 본 연구는 단기통 엔진에서 제어인자가 MPDF 연소 특성에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 먼저, 디젤 연료와 메탄 가스의 혼합 비율을 변화시켰으며 메탈 엔진과 가시화 엔진 실험을 수행하였다. 그리고 다양한 엔진 부하 조건에서 MPDF 연소의 특성을 파악하기 위하여 흡기 유량, 흡기 온도, 당량비 그리고 디젤 분사시기를 변화시켰다. 마지막으로 예혼합 가스 조성이 MPDF 연소 특성에 미치는 영향을 파악하기 위하여 메탄 가스를 기반으로 프로판, 수소 그리고 이산화탄소 가스를 첨가하였으며, 다양한 예혼합 가스 조성 조건에서 엔진 실험을 수행하였다.

MPDF 연소는 디젤과 메탄 가스 혼합 비율에 따라, 디젤 연소와 가스 예혼합 연소가 혼합된 형태를 보였다. 디젤 혼합 비율이 높은 조건에서는 디젤 예혼합 연소와 확산 연소의 형태를 보였다. 메탄 혼합 비율이 증가할수록 MPDF 연소 형태는 가스 예혼합 연소 형태로 변하게 되었다. 디젤 혼합 비율이 증가할수록 연소 편차가 감소하였으나, 확산 연소로 인하여 많은 양의 질소산화물 (NOx)과 입자상물질 (PM)이 배출되었다. 뿐만 아니라, 높은 디젤 혼합 비율 조건에서는 진각된 연소 phase와 높은 연소 온도로 인해 엔진 성능이 저하되었다. 반대로, 메탄 혼합 비율이 증가할수록 연소 편차는 증가하였으며, NOx와 PM 배출량이 모두 감소하였다. 뿐만 아니라, 낮은 연소 효율을 보였음에도 손실일과 연소 온도가 감소하여 연료 전환 효율이 개선되었다. 엔도스코프 시스템으로 취득한 연소 이미지에 이색법 (Two Color Method) 이론을 적용하여 화염 온도와 PM 농도를 계산하였다. 이미지 분석 결과, 화염 온도와 soot 농도는 디젤 혼합 비율에 비례한 것으로 나타났다. 특히, 디젤 혼합 비율이 soot의 생성 과정과 산화 과정 중, soot 생성 과정에 지배적인 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 추가적으로, 연장 피스톤을 사용하여 취득한 bottom view 연소 이미지를 통해 디젤과 메탄 혼합 비율이 화염 전파 속도와 점화 위치 편차에 미치는 영향을 미치는 것을 확인하였다. 메탄 혼합비율이 증가할수록 화염면전파 속도가 감소하여 연소 편차를 증가시키는 난류 유동의 영향력이 증가하였다. 그리고 디젤 분사량이 감소한 결과, 사이클 간의 점화 편차가 증가하였다.

디젤 연료 분사 시, 연소실 내에 동일한 분위기압력을 형성하기 위하여 흡기 유량에 따라 디젤 분사시기를 변화시켰다. 흡기량이 증가함에 따라 연소 형태는 regular premixed 연소는 premixed ignition in the end-gas region (PREMIER) 연소로 변하였다. 두 연소 형태 모두 낮은 연소 편차를 보였으나, 천이 구간에서 end gas 영역에서 자발화가 발생하기 시작하여 연소 편차가 증가하였다. 노킹의 정량 지표인 ringing intensity (RI)는 흡기량이 증가함에 따라 기하급수적으로 증가하였다. NOx 배출량과 연소 효율은 흡기량에 비례하였으나 열손실과 손실일이 증가하여 연료 전환 효율은 오히려 감소하였다.

흡기온도가 섭씨 35도에서 55도로 증가함에 따라 연소실 내부의 국부적으로 높은 온도의 영역에서 자발화가 발생하여 연소 형태가 PREMIER 연소에서 노킹 연소로 변하였다. 그 결과, 주 연소 기간이 크게 감소하였고 RI와 연소 편차가 증가하였다. 뿐만 아니라, 진각된 연소 phase와 높은 연소 온도로 인해 연료 전환 효율이 감소하였다. 흡기 온도가 섭씨 20도가 증가한 결과, NOx 배출량이 100 % 증가한 것으로 나타났다.

기준 당량비 (Lambda 2.0) 조건에서는 PREMIER 연소 형태를 보였으며, 연소 편차가 가장 낮게 나타났다. 희박 당량비 조건에서는 misfiring이 발생하여 RI가 감소하고 연소 편차는 증가하였다. 반대로, 당량비를 증가시킨 결과 농후한 혼합기로 인해 노킹 연소가 발생하여 RI와 연소 편차 모두 증가하였다. 그리고 NOx와 이산화탄소 (CO2) 배출량은 당량비에 비례한 것으로 나타났다.

예혼합 가스의 자발화 여부에 따라 디젤 연료 분사시기에 따른 MPDF 연소 특성은 다르게 나타난다. 따라서, 본 연구에서는 흡기 온도 섭씨 35도와 55도 조건에서 디젤 분사시기를 변화시켰다. 흡기온도 35도 조건에서 연료 분사시기를 기준 조건으로부터 진각 그리고 지각시킨 결과, misfiring이 발생하였다. 디젤 분사 시기가 진각된 경우, 연료 분사 시점에서의 연소실 압력이 낮아 디젤이 빠르게 착화 되지 못하고 균질한 혼합기를 형성한다. 그 결과, 디젤은 착화원의 기능을 상실하여 misfiring이 발생한다. 반대로, 디젤 분사시기를 지각시키면, 가스 예혼합 연소가 상사점 (TDC) 이후까지 지속되어 팽창 행정 기간 동안 PREMIER 연소가 억제되어 misfiring이 발생한다. 흡기 온도 55도 조건에서는 디젤 분사시기를 지각시킨 결과, 디젤이 착화되기 전에 예혼합 가스가 자발화 되어 노킹 연소가 발생하였다.

프로판 가스가 MPDF 연소에 미치는 영향을 분석하기 위하여 메탄 가스에 프로판 가스를 첨가하였으며, 다양한 혼합비 조건에서 엔진 실험을 수행하였다. 프로판 가스는 옥탄가가 낮아 예혼합 가스의 자발화를 유발한다. 실험 결과, 프로판 가스 혼합 비율이 증가할수록, 노킹 연소가 발생하여 주 연소 기간이 급격히 단축되었으며 엔진에서 소음과 진동이 발생하였다. 프로판 가스는 예혼합 연소를 촉진하며 메탄 가스에 비해 탄소 수 가 많기 때문에 높은 프로판 혼합비 조건에서는 NOx와 CO2 배출량이 모두 증가하였다.

수소 가스는 화염 전파 속도가 빠를 뿐만 아니라 옥탄가가 높아 misfiring과 노킹 연소와 같은 이상 연소의 발생을 억제하였다. 수소 가스로 인해 착화지연이 크게 감소하였으나, 주 연소 속도는 프로판 혼합 가스를 사용한 조건에 비해 느리게 나타났다. 수소 가스는 예혼합 연소를 촉진하므로 수소 혼합 비율 30% 조건에서 가장 많은 양의 NOx 배출량을 보였으며, 열손실과 손실일이 증가하여 연료 전환 효율이 감소하였다.

이산화탄소 가스는 연소 반응에 참여하지 않는 불활성 가스이며, 공기에 비해 높은 열용량이 갖고 있다. 많은 양의 이산화탄소 가스는 연소실 온도를 크게 감소시켜 end gas 영역에서의 자발화가 억제되고 misfiring이 발생하였다. 그 결과, RI는 감소하였으며, 연소 편차는 크게 증가하였다. 프로판과 수소 가스는 연소 온도를 증가시켜 열손실을 유발하였으나, 이산화탄소는 연소 효율을 감소시켜 연료 전환 효율을 감소시켰다.

마지막으로, 앞서 수행한 실험 결과를 정리하여 MPDF 연소를 위한 최적 운전 조건을 도출하였다. 메탄 혼합 비율 90%, 디젤 혼합 비율 10% 조건이 가장 효과적으로 연소 편차를 저감하는 동시에, 연료 전환 효율과 NOx 배출량에서 우수한 성능을 보였다.

MPDF 연소는 운전 조건에 따라 다양한 연소 형태를 보이며, 본 연구에서는 RI와 연소 편차를 통해 MPDF 연소 형태를 정량적으로 구분하였다. 실험 결과를 RI의 크기에 따라 low RI, middle RI 그리고 high RI 영역으로 나눌 수 있었다. Regular premixed 연소와 misfiring은 공통적으로 low RI 영역에 존재하였지만, regular premixed 연소는 연소 편차가 낮은 반면에, misfiring은 연소 편차를 증가시켰다. Middle RI 영역은 PREMIER 연소를 보인 실험 결과들이 위치하였으며, 안정적인 연소로 인해 연소 편차가 가장 낮게 나타났다. 노킹 연소를 보인 실험 결과는 high RI 영역에 위치하였으며, 높은 연소 편차를 보였다.

선박용 엔진에서는 엔진 출력을 안정적으로 유지하는 것이 중요하기 때문에, middle RI 영역 내에서 최적 운전 조건이 선정되었다. 해당 영역 내에서는 RI에 따른 연소 편차의 차이가 거의 없기 때문에, 연료 전환 효율과 NOx 배출량이 가장 중요한 지표로 고려되었다. 최종적으로, RI 값 4 MW/m2을 나타내는 제어인자 조합이 최적 운전 조건으로 선정되었다. 본 연구에서는 3개의 운전 조건을 확인하였으며, 이 외에도 제어 인자를 조합하여 다양한 최적 운전 조건들을 도출할 수 있다.