The combustion, emission and knock characteristics in an engine were investigated under homogeneous charge compression ignition (HCCI) operation. Liquefied petroleum gas (LPG) and gasoline were used as the main fuels and injected at the intake port using port fuel injection equipment. Di-methyl ether (DME) was used as an ignition promoter and was injected directly into the cylinder during the intake stroke. A commercial variable valve timing device was used to control the volumetric efficiency and the amount of internal residual gas. Different intake valve timings and fuel injection amounts were tested to verify the combustion, emission and knock characteristics of the HCCI engine. To investigate the advantages and disadvantages of the LPG HCCI engine, experimental results for the LPG HCCI engine are compared with those for the gasoline HCCI engine.
Combustion pressure, heat release rate, and indicated mean effective pressure (IMEP) were investigated to characterize combustion performance. In the case of gasoline HCCI, the start of combustion was independent of the intake valve open (IVO) timing. The burn duration and the rate of combustion pressure rise depending on the fuel injection quantity and the IVO timing. The IMEP was determined by the fuel injection quantity. In the case of LPG HCCI, the optimal intake valve open (IVO) timing for the maximum IMEP was retarded as $\lambda_{TOTAL}$ was decreased. The start of combustion was affected by the IVO timing and the mixture strength $(\lambda_{TOTAL})$ due to the volumetric efficiency and latent heat of vaporization. At rich operating conditions, the $\theta_{20-90}$ of the LPG HCCI engine was longer than that of the gasoline HCCI engine.
The knocking probability was also used to determine the high load operation limit. The knocking probability was derived from the cylinder combustion pressure. The knocking probability increased as the peak combustion pressure increased. The knocking probability can be predicted by two derived equations. The ringing intensity (RI) was used to define the intensity of knock according to the operating conditions. The RI of the LPG HCCI engine was lower than that of the gasoline HCCI engine at every experimental condition. The indicated mean effective pressure (IMEP) dropped when the RI was over 0.5 MW/㎡ and the maximum combustion pressure was over 6.5 MPa. There was no significant relationship between RI and fuel type. The RI can be predicted by the crank angle degree (CAD) at 50 CA.
In the case of gasoline HCCI, the HC emission increased as the IVO timing was retarded and $\lambda_{TOTAL}$ was decreased. The $CO_2$ emission was influenced mainly by $\lambda_{TOTAL}$. This is because of the injection quantity. In the case of LPG HCCI, hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) emissions increased as the IVO timing was retarded. However, $CO_2$ decreased as the IVO timing was retarded. $CO_2$ emission of the LPG HCCI engine was lower than that of the gasoline HCCI engine. However, CO and HC emissions of the LPG HCCI engine were higher than those of the gasoline HCCI engine. Carbon monoxide (CO) and hydrocarbon (HC) emissions were minimized at high RI conditions. The shortest burn duration under low RI was effective in achieving low HC and CO emissions.
본 논문은 예혼합 압축 착화(HCCI: homogeneous charge compression ignition)엔진에서 연소, 배기 배출물, 노킹(knocking) 특성에 관한 연구를 수행하였다. 주 연료인 액화 석유 가스(LPG: liquefied petroleum gas)와 가솔린(gasoline)은 흡기 포트(intake port)를 통하여 연소실에 공급하였고, 착화 촉진제인 디메틸 에테르(DME: di-methyl ether)는 흡기 행정 중 연소실에 직접 분사 하였다. 가변밸브 기구(VVT: variable valve timing)를 이용하여 연소실 내의 잔류가스율(internal residual gas)과 체적 효율(volumetric efficiency)를 제어하였다. 각각 다른 5조건의 흡기밸브 열림(IVO: intake valve open)시기와 5조건의 공기연료비에 대하여 엔진 실험을 수행하였으며 LPG HCCI의 장점과 단점을 분석하기 위하여 가솔린 HCCI와 비교 분석을 수행하였다. 또한 연소 특성을 분석하기 위하여 연소 압력, 열방출율, 도시평균유효압력(IMEP: indicated mean effective pressure)을 이용하였다. IVO시기가 진각됨에 따라 체적효율과 잔류가스율이 증가하여 착화가 촉진되어 탄화수소(HC: hydrocarbon)와 일산화탄소(CO: carbon oxide) 배출물은 저감되나 이른 시기의 연소로 인하여 노킹이 발생한다. 저탄소 대체 연료의 한 종류인 LPG를 이용한 HCCI 연소는 가솔린을 연료로 한 HCCI에 비하여 이산화탄소(CO2: carbon dioxide)배출물은 저감되었으나 저하된 연소율로 인하여 팽창행정 중 산화반응의 부족으로 HC와 CO 배출물은 다소 증가하였다. 또한 질소산화물(NOx: nitrogen oxide)는 모든 실험 조건에서 50ppm 이하의 낮은 수치를 나타내었다. LPG HCCI의 경우 가솔린 HCCI에 비하여 옥탄가(octane number)와 증발잠열(latent heat of vaporization)이 높아 연소가 지각되며 이에 따라 공기과잉율이 낮은 영역에서 IMEP이 증가하였다. IMEP를 기준으로 판단한 HCCI 엔진의 운전 가능 영역은 노킹강도인 RI(ringing intensity)가 0.5 MW/m2 이하인 영역으로 규정할 수 있으며 LPG HCCI가 가솔린 HCCI에 비하여 높은 옥탄가와 증발잠열로 인하여 가솔린 HCCI에서 운전이 불가능한 공기과잉율이 2.4 이하인 영역에서 운전이 가능하였다. 가솔린 HCCI의 경우 LPG 대비 낮은 증발잠열과 옥탄가로 인하여 이른 시기에 착화되며 노킹강도가 높은 경향이 있다. LPG HCCI와 가솔린 HCCI의 노킹발생 확률을 연소최고압력에 대하여 선형적으로 보간하여 연소최고압력으로 노킹발생 확률을 예측할 수 있었다. 또한 노킹강도는 질량연소분율(MFB: mass fraction burned) 50%의 위치로 보간하여 노킹강도를 예측할 수 있었다. RI는 질량연소분율 20% ~ 90% 기간인 연소기간이 2 CAD(crank angle degree)이하에서 0.5 MW/m2로 증가하였다. HC와 CO 배출물은 가솔린 HCCI와 LPG HCCI 모두 노킹강도인 RI가 0.5 MW/m2 부근에서 엔진이 운전되어야 최소로 저감되었다. LPG와 가솔린의 물성치와 실험 결과를 바탕으로 LPG를 연료로 사용하는 HCCI 엔진은 가솔린을 연료로 사용하는 HCCI 엔진에 비하여 높은 공기과잉율에서 늦은 시기의 연소로 인한 낮은 연소 온도가 CO와 HC의 산화 반응을 둔화시키고 배출량을 증가하게 하여 운전 영역을 제한하지만, 낮은 공기과잉율에서는 연소 압력이 낮고, 노킹이 감소하여 더욱 낮은 공기과잉율에서 운전이 가능하여 고 부하 HCCI 엔진에 LPG가 적합함을 알 수 있었다. 가변밸브기구를 이용하여 체적효율과 잔류가스율을 제어할 수 있으며 운전조건에 따른 체적효율과 잔류가스율 제어를 통하여 노킹강도를 0.5 MW/m2 이하로 억제하면서 배기 배출물이 최소로 저감되는 운전조건에서 운전할 수 있음을 알 수 있었다.
