Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) combustion is an advanced technology that produces higher thermal efficiency and lower emissions of nitric oxides (NOx) and particulate matters(PM) than that in conventional system. In direct-injection diesel engines, the most serious problem in HCCI operation is a spray impingement to the cylinder liner that results in low combustion efficiency. Dimethyl ether (DME) which is a most attractive alternative fuel of diesel has benefits in HCCI application because of its easy evaporation that resolves the impingement problem.
In this study, a single cylinder DME engine with two different compression ratios of 18.7 and 14.8 equipped with a common-rail fuel injection system has been used to investigate the combustion processes and emissions of DME HCCI. And the effect of the hydrogen addition in intake air on DME HCCI combustion has been studied as well. Results showed that the ignition timing of DME HCCI was not affected by the start of injection (SOI) when the SOI was more advanced than 50 ?CA before top dead center (BTDC). The increase of hydrogen fraction retarded the DME ignition timing. IMEP was increased due to the retardation of the combustion phasing. HC and CO emissions were initially decreased as a result of partially exchanging DME to H2. However, HC and CO emission were increased by lowered combustion temperature by the hydrogen addition of more than 40%.
In addition, a single cylinder DME engine with compression ratio of 13 operated with a direct injection spark ignition (DISI) system has been used to investigate the knocking of DME HCCI under high load condition and the effect of hydrogen on the knocking. As a result, the knocking was eliminated by hydrogen addition due to the retardation of ignition timing.
전 세계적으로 산업이 발달됨에 따라 각국의 에너지 소모량이 급격하게 많아지고 있다. 특히 석유 자원의 의존도가 높은 우리나라는 석유자원의 고갈에 따른 정치, 경제적인 영향을 크게 받고 있다. 또한 세계는 환경적인 측면에서 이산화탄소 배출량의 증가로 인한 지구 온난화라는 환경적인 위기에 놓이게 되었다. 따라서 청정 대체 연료의 필요성이 강력하게 대두되고 있다.
청정 대체 연료 중 하나인 DME(dimethyl ether)는 천연가스, 석탄, 바이오 매스 등의 원료를 가지고 합성제조가 가능하고 사람에 무해하고 발암물질이나 돌연변이를 유발하지 않으며 수송 에너지뿐만 아니라 발전소나 연료전지등 다른 목적을 이용 가능한 다목적 에너지다. 특히, 디젤자동차에 적용하는 경우에는, 디젤의 가장 큰 장점인 고효율을 그대로 유지하면서, 가장 큰 단점인 입자상 물질(PM: particular matter)을 제거할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 LPG(liquid petroleum gas)와 유사하게 상온 약 6기압에서 액화가 가능하므로, 기존의 LPG인프라를 그대로 활용할 수 있다는 것도 다른 하나의 장점이다. 본 연구에서는 고압 분사가 가능하고 분사압력과 분사량, 분무시기를 독립적으로 제어할 수 있는 커먼레일 분사 시스템을 사용하여 DME 분사시기에 따른 연소특성을 확인하고, 연료를 이른 시기에 분사하여 공기와 예혼합한 상태에서 압축 착화하는 예혼합 압축착화(HCCI: homogeneous charge compression ignition)로 DME를 연소하였을 때 특성을 알아보고자 한다. 또한 HCCI연소에서 나타나는 대표적인 문제점인 점화시기 제어를 첨가제(수소)를 사용하여 극복해 보고자 한다. 실험결과, DME 분사시기가 50 CAD BTDC 보다 이른 시기로 갈수록 연료분사시기에 관계없이 착화시기가 나타나는 특성을 나타내었고, 수소의 첨가율을 증가시킴에 따라 착화시기가 지각되면서 연소상 지각에 따른 IMEP 상승을 보였다. 수소첨가율이 증가함에 따라 탄화수소계열 연료가 줄어들어 초기에 HC, CO의 감소를 보였지만, 수소첨가율이 20%를 넘어서면서 낮은 연소온도로 인해 다시 증가하는 현상을 나타내었다.
또한 직접분사가 가능하고 분사량, 분무시기를 독립적으로 제어할 수 있는 DISI(direct injection spark ignition) 분사 시스템을 사용하여 운전 속도 증가에 따른 DME 균일 예혼합 압축착화 연소시 발생하는 HCCI 노킹을 파악하고자 한다. 실험결과 운전속도 1500 rpm에서 노킹현상이 관찰되었으며, 이때 수소를 첨가함에 따라 착화시기가 지각되면서 노킹이 사라지는 것을 볼수 있었다.
