Direct-injection diesel engines have expanded its market share owing to the benefit of fuel economy. The development of high pressure injection systems such as common-rail system enables reduction of emissions and improvement of fuel consumption. The operational excellence of diesel combustion could be potentially extended to achieve better emission performance through homogeneous charge compression ignition (HCCI) combustion. It has the advantages of reduced $NO_x$ emission resulting from the low combustion temperature under homogeneous charge lean burn conditions, and reduced particulate matter(PM) by the lean premixed combustion.
HCCI combustion has been investigated with a variety of fuel injection parameters e.g. compression ratio, engine speed, injection timing, exhaust gas recirculation (EGR), boost pressure and number of injection. Low compression ratio (14.8) with the advanced injection timing earlier than -50°CA ATDC was applied for achieving well-mixed charge and appropriate combustion phasing. The variation of injection timings was tested for two different engine speeds (800 and 1200 rpm) and the results showed that 6.2 ms of ignition delay was required to reduce engine-out $NO_x$ emissions to a negligible level regardless of engine speed. A sudden increase of power-output was observed around the injection timing of -70°CA ATDC. The visualized spray images showed that the power-output was high due to the increased air utilization by the spray directing the bowl-lip area resulting in improved mixture preparation and combustion efficiency.
In an attempt to control the combustion phase for HCCI operation, exhaust gas recirculation (EGR) up to 45% has been applied to control the combustion phase with 160℃ intake air temperature to assist evaporation of diesel fuel. The boost pressure up to 1.2 bar also has been applied to increase power-output. Moreover, the two-stage injection injecting most of the fuel at early timing followed by a small amount of near TDC injection provided guidance to increase the power-output. Finally, an optimal EGR rate in high power-output was observed at around 30% due to the trade-off characteristics between the combustion efficiency and the work conversion efficiency.
직접분사식 디젤엔진이 갖는 연료 경제성때문에 시장규모가 커지는 추세이다. 커먼레일과 같은 고압분사시스템의 개발은 배출가스를 줄이고 연료소모율을 감소시켰다. 그리고 디젤연소의 우수한 운전성능으로 인해 예혼합압축착화를 구현 할 경우 배기성능을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 즉, 예혼합압축착화를 통한 저온희박연소를 구현함으로써 질소산화물과 입자상물질을 동시에 저감하는 전략이다.
예혼합압축착화 연소는 연료분사방식에 관한 다양한 변수와 과급압력 압축비, 배기가스재순환 그리고 분사횟수를 달리하며 연구가 진행되었다. 상사점 이전 50o 보다 조기분사를 적용하여 저압축비가 연소상에 미치는 영향을 확인하였고, 엔진스피드(800,1200rpm)를 달리하며 분사시기가 연소상에 미치는 영향을 또한 확인하였다. 그 결과 착화지연기간이 6.2ms이상 확보될 경우 배기중의 질소산화물의 함량이 "0"로 수렴하는것을 확인하였다. 그리고 상사점 이전 70도 부근에서 입자상물질과 불완전 연소의 대표적 산물로 알려진 HC,CO 가 배출량이 줄어드는 현상을 확인하고 분사시기에 따른 분무 충돌위치 가시화를 통하여 원인을 규명하였다.
디젤의 기화특성을 개선하여 예혼합압축착화를 구현하기위하여 흡기온도를 160℃로 상승시켰고, 연소상제어를 위해 배기가스를 45%까지 적용하여 실험하였다. 배기가스재순환에 의해 떨어진 출력을 보상해주기 위해 과급압렵도 1.2bar까지 적용하였고 후분사를 적용하였다. 결론적으로 최고 출력은 연료량 부하에 관계없이 20~30% 인근의 배기가스재순환율에서 나타났는데, 그 원인은연소효율과 일변환효율의 상충효과에 의한 것이다.
