Diesel engine is a promising power source of vehicles because it has higher torque and better fuel efficiency than gasoline engine due to its high compression ratio and lean combustion. Also, better efficiency means that diesel engines have lower level of carbon dioxide($CO_2$) known as a kind of greenhouse gas(GHG). Thus diesel engine has higher potential which could be met $CO_2$ regulation which is getting stricter worldwidely. But diesel engine has drawbacks of high level of nitric oxides(NOx) and particulate matter(PM) emissions. So, many researches have been conducted from new combustion technologies to aftertreatmen technologies for reduction of NOx and PM emissions. Homogeneous charge compression ignition (HCCI) combustion, which is one of new combustion technologies, is known as that it has the potential of low NOx and PM emissions because homogeneous, premixed charge which is prepared by early direct injection or port injection with intake heating is combusted. However if early direct injection is chosen for charge preparation, the fuel wall wetting phenomena increases due to inferior evaporation characteristics of diesel fuel compared to gasoline fuel, and it leads to increase of unburned hydrocarbon (UHC) emission. Also, the combustion phase controllability worsens because the start of combustion is governed by chemical kinetics such as hydrocarbon decomposition, oxidation and start of chain reaction. So, the power output deteriorates compared to conventional diesel combustion.
Partially premixed charge compression ignition (PCCI) combustion is an alternative way to resolve the problem of high UHC, CO emissions and low power output of HCCI combustion while reducing NOx and PM emissions. Partially PCCI combustion has a retarded injection timing compared to HCCI combustion. So the mixing time is shorter than that of HCCI but it could be compensated by applying of exhaust gas recirculation (EGR). Retarded injection could help to decrease fuel wall wetting and secure the combustion phase controllability.
In this study, pilot injection, EGR and boosting were applied to partially PCCI combustion for better mixture preparation and increase of power output. A single-cylinder direct injection diesel engine which has displacement volume of 500 cc was used for this study. The injection timing of partially PCCI combustion was fixed at 20 ~ 40 crank angle degree before top dead center (CAD BTDC) under various engine speed and load conditions(The injection timing of HCCI was 45 ~ 80 CAD BTDC). In this injection timing range, the ignition delay of partially PCCI combustion without EGR was about 6 ~ 10 CAD longer than that of conventional diesel combustion. The level of NOx emission of partially PCCI combustion showed lower than that of conventional diesel combustion due to reduction of near-stoichiometric region which is well known as main source of NOx formation. However IMEP, UHC and CO emissions deteriorated compared with conventional diesel combustion because low in-cylinder charge density and temperature led to increase of fuel wall wetting. Also, advanced combustion phase due to early injection timing compared with conventional diesel combustion caused the reduction of IMEP due to increase of negative work during compression stroke. To increase IMEP by retarding the combustion phase, hot EGR has been applied to partially PCCI combustion. As EGR rate increased, IMEP was increased due to decrease of negative work during compression stroke. EGR was also effective to reduce NOx emission. Lowered combustion temperature due to thermal and dilution effects of EGR resulted in reduction of NOx emission which is same level of HCCI combustion.
The effect of pilot injection including a variation of split ratio and dwell time was also explored to enhance the mixing of fuel and fresh air. The split ratio was varied from 10% to 50% and the dwell time which is interval of the start of injection signal between pilot injection and main injection was also varied from 5 CAD to 45 CAD. Certain pilot injection conditions were helpful to improve the characteristics of IMEP, UHC and CO emissions because in-cylinder temperature was raised advanced to start of main injection due to pilot injection, and it enhance evaporation of main injected fuel.
Boosting with 1.5 bar of intake pressure was also beficial to increase IMEP and decrease emissions including NOx, PM, UHC and CO because boosting made the turbulent intensity of in-cylinder stronger and it led to better mixing of fuel and air.
Consequently, the characteristics of IMEP and emissions could be improved by applying pilot injection, EGR and boosting simultaneously in partially PCCI combustion.
디젤 엔진은 가솔린 엔진 대비 높은 압축비 및 희박 운전 특성으로 인해 토크 및 연비 특성이 우수하며 온실 가스 중 하나로 알려져 있는 이산화탄소의 배출량도 낮아 향후 보급이 더 확대될 전망으로 보인다. 하지만 디젤 엔진의 경우 가솔린 엔진 대비 높은 질소산화물 및 입자상 물질 배출문제를 해결해야 하는 실정이다. 이러한 질소산화물 및 입자상 물질 배출 문제를 해결하기 위해 연소 기술에서부터 후처리 장치까지 넓은 범위에 걸쳐 연구가 진행되고 있다. 신연소 기술 중 하나인 균질 예혼합 압축 착화 연소의 경우 연료를 이른 시기에 실린더 내에 직접 분사하거나 흡기 가열을 수반한 포트분사를 함으로써 균질, 희박한 혼합기를 형성한 후 이를 압축 착화시킴으로써 질소산화물과 입자상 물질을 동시에 저감할 수 있는 것으로 알려져 있다. 하지만 직접 분사 방식을 적용할 경우 가솔린 연료 대비 디젤 연료의 나쁜 기화 특성 및 이른 분사로 인해 연료의 벽면 적심 현상이 발생하게 되어 미연탄화수소가 다량으로 배출되며 혼합기 형성 시간이 길어지게 됨으로써 연소의 시작이 화학적 효과에 의해 지배되기 때문에 연소상 제어가 어렵다는 단점이 존재한다.
부분 예혼합 압축 착화 연소는 균질 예혼합 압축 착화 연소의 단점인 높은 미연탄화수소 배출 및 낮은 출력을 해결할 수 있는 연소 방법 중 하나이다. 부분 예혼합 압축 착화 연소의 경우 균질 예혼합 압축 착화 연소 보다는 지각된 분사 시기를 적용하게 되는데 이로 인해 상대적으로 연료의 벽면 적심 현상이 줄어들게 된다. 균질 예혼합 압축 착화 연소 대비 짧아진 혼합기 형성 시간은 배기 가스 재순환을 적용함으로써 늘려주게 된다.
본 연구에서는 파일럿 분사, 배기 가스 재순환 및 과급이 부분 예혼합 압축 착화 연소에 미치는 영향에 대해 알아보았다. 500 cc의 배기량을 지니는 단기통 직접 분사식 디젤 엔진을 이용하여 실험을 수행하였으며 부분 예혼합 압축 착화 연소를 위한 연료 분사 시기는 착화 지연 및 연소 시작 시기를 토대로 20 ~ 40 CAD BTDC로 선정하였다. 이러한 분사 시기를 적용할 경우 기존 디젤 연소에 비해 약 6 ~ 10 CAD 긴 착화 지연 특성을 나타내었다. 기존 디젤 연소 대비 길어진 착화 지연으로 인해 이론 공연비의 혼합기 영역이 줄어들게 되면서 질소산화물의 배출량이 줄어든 결과가 나타났다. 하지만 연료의 벽면 적심 현상 및 이른 연소상으로 인해 기존 디젤 연소에 비해 낮은 출력 및 높은 미연탄화수소, 일산화탄소 배출량을 나타내었다. 연소상 제어를 통한 출력 상승을 위해 고온 배기 가스 재순환을 적용하였다.
배기 가스 재순환율이 증가함에 따라 압축 행정 중 발생하는 음의 일이 줄어들게 되면서 출력이 상승하는 결과가 나타났다. 또한 배기 가스 재순환 적용에 따른 연소 온도 감소로 인해 거의 0에 가까운 질소산화물 배출 특성을 보였다.
연료와 공기의 혼합 특성 향상을 위해 전체 연료량의 10 ~ 50% 범위 내에서 파일럿 분사를 적용하였다. 특정 파일럿 분사 조건에서 파일럿 분사에 의한 연소로 인해 주분사된 연료의 기화가 촉진되면서 단일 분사 대비 출력이 상승하고 미연탄화수소 및 일산화탄소 배출량이 감소한 결과가 나타났다.
과급의 경우 절대압 기준 1.5 bar의 흡기 압력을 적용하였다. 흡기 압력이 높아짐에 따라 실린더 내 혼합 강도가 증가하게 되면서 질소산화물, 입자상 물질, 미연탄화수소, 일산화탄소 배출량이 자연 흡기 조건 대비 감소한 결과를 나타내었으며 출력의 경우 증가한 결과를 나타내었다.
결과적으로 파일럿 분사, 배기 가스 재순환, 과급을 부분 예혼합 압축 착화 연소에 적용함으로써 출력 및 배기 특성을 개선할 수 있었다.
