Direct injection spark ignition (DISI) engine is one of the promising concepts to improve performance and reduce the exhaust emissions in future gasoline engines. The DISI engine injects liquid fuel directly inside the combustion chamber and lowers intake air temperature by cooling effect when the fuel vaporizes inside the combustion chamber which results in an increase of volumetric efficiency. The increase in volumetric efficiency enables to reduce the total engine displacement while maintaining the same output power as large size engines, so called downsizing.
The DISI engine has a capability to run with both stratified charge and homogeneous charge. The stratified charge is a strategy on which injected fuel exists near the spark plug when ignition takes place. It usually uses small amount of fuel to make combustible mixture around the spark plug, so the overall excess air ratio is quite high. The intake throttle is not required in the stratified charge operation, which can prevent significant pumping loss during intake stroke. The stratified charge DISI engine has potential to reduce the fuel consumption even more than DISI homogeneous charge engine at the low operating loads and speeds. However, it is hard to make robust stratified charge especially in high operating loads and speeds because the mixture formation process is affected by the in-cylinder air motion. NOx and Soot emissions from stratified charge combustion are higher than those from homogeneous premixed charge combustion due to its high density of fuel and air mixtures.
There are two types of DISI engines, the wall-guided and spray-guided engines. About a decade ago, many researches were focused on the wall-guided DISI engines which can realize direct injection concepts in cost effective way. However, the stratified charge operating region was limited because the mixture formation process was largely affected by in-cylinder air motion. Using guides on the top of the piston to stratify the mixtures around the spark plug cause wall wetting which results in HC and Soot emissions. Therefore, recently, a lot of researches are concentrating on the spray-guided DISI engine concept to comply with stringent emission regulations.
In this study, the emission characteristics of a single cylinder spray-guided DISI experimental engine were investigated by using gasoline and LPG fuels under lean stratified conditions. LPG is a well adopted as alternative fuel to gasoline in SI engines to reduce NOx, Soot and CO2 emissions due to its high vapor pressure and low carbon contents.
The split injection strategy has been used widely to reduce the catalyst light-off time and increase stra-tified charge operating range in mode transition region. However, the split injection is also a way to change the mixing timings by modifying dwell timings between two injections. The 7:3, 5:5, and 3:7 split ratios were used in this study by fuel mass. From the results, for gasoline, there was certain dwell time about 8 CAD for the highest IMEP with the split injection strategy. If the dwell time was increased, the density of stratified charge was decreased. Therefore, the lean premixed charge combustion occurred, which results in the retarda-tion of combustion phase in both fuels. Retardation of combustion phase increased the IMEP. However, the dwell time which was longer than 8 CAD reduced the combustion efficiency which results in the decrease of IMEP. NOx and Soot emissions were reduced with split injection due to the fact that the local fuel rich area was decreased especially when the quantity of the first injected fuel was larger. However, the HC and CO emissions were increased due to overmixing of the mixtures. The mixture homogeneity of LPG was increased by its high fuel vaporization pressure compared to gasoline, which resulted in the decrease of NOx and Soot emissions. However, the penetration length of LPG were reduced and failed to make stable stratified charge combustion.
As a result, with split injection strategy, the NOx and Soot emissions were reduced while the IMEP was maintained with gasoline single injection case. However, the HC and CO emissions were increased by overmixing. Similarly, by using LPG in spray-guided DISI engine, the NOx and Soot emissions were also reduced compared to gasoline single injection. However, the IMEP was reduced which resulted from the limi-tation of stable combustion in retarded injection timings.
최근 가솔린 엔진에서는 점차적으로 강화되고 있는 배출가스 규제를 만족시키면서 연비 향상과 성능향상에 대한 시장의 수요를 충족시키기 위한 방안으로 직접 분사 가솔린(Direct injection spark ignition, DISI) 엔진에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
DISI 엔진은 특히 저부하 영역에서 분사된 연료를 스파크 플러그 주변으로 성층화 시킴으로써, 희박연소를 구현하여 연료 경제성을 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.[1] 성층연소는 혼합기 주변의 공기가 단열작용을 하여 실린더 벽면에서부터 외부로의 열손실을 줄이는 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 또한 스로틀이 없기 때문에 흡기 행정 중 펌핑손실을 줄여 전체적인 열효율이 증가하는 등의 장점을 가지고 있다. 고부하 영역에서는 실린더 내부에 액상으로 직접 분사된 연료가 기화되면서 증발잠열에 의한 혼합기 냉각 효과로 추가적인 압축비(1.5~2)를 상승시킬 수 있고, 혼합기의 밀도가 증가하게 되어 충진효율이 상승해 동일 배기량 대비 높은 출력을 낼 수 있는 것으로 알려져 있다.[1] 특히 최근 들어 터보차저를 결합한 다운사이징 엔진으로 출력을 유지함과 동시에 엔진 사이즈를 줄여 저부하 영역의 연료경제성을 향상시키고 이로 인한 온실 가스인 CO2 배출 저감의 가능성을 여러 기관에서 제시하였다.[2~4]
DISI 엔진에는 크게 벽면 유도식(Wall-guided) 과 분무 유도식(Spray-guided) 엔진이 있다. 직접 분사의 개념으로 처음 소개되었던 벽면 유도식 DISI 엔진은 실린더 측면에 인젝터가 위치하며 분사된 연료는 피스톤 상단의 분무 유도 부위를 타고 점화플러그 쪽으로 이동되어 연소가 일어나게 된다. 하지만 이와 같은 벽면 유도식 엔진은 분사된 연료가 피스톤에 적층 되어 연료가 농후한 영역에서 발생하는 Soot 과 불완전 연소에 따른 HC, CO 배출이 문제시 되는 단점을 가지고 있다. 또한 엔진의 회전수가 증가할수록 실린더 내부 유동의 변화로 인해 점화 플러그 주변으로 혼합기를 형성하지 못해 연소 불안정성이 증가하는 문제가 있는 것으로 알려져 있다.[5]
따라서 최근에는 인젝터에서 분사된 연료의 운동량을 이용해 혼합기를 형성 하는 분무 유도식 DISI 엔진에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 분무 유도식 DISI 엔진은 인젝터와 스파크 플러그 사이의 간격이 좁아 내부 유동에 의한 영향을 감소시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 하지만 압축행정 말기에 연료가 분사되므로 혼합기 형성 시간이 짧아 연료와 공기의 혼합을 촉진하기 위해 분무의 높은 미립도와 증발성이 요구됨에 따라 고압 연료 분사 시스템을 구성해야 하는데 이는 시스템의 단가를 증가시키는 단점이 있다. 고압으로 직접 분사된 연료는 높은 밀도의 혼합기가 연소되므로 열방출율이 높고 짧은 연소기간이 나타난다. 따라서 이와 같은 성층연소에서 다량의 NOx 와 Soot 이 발생된다고 알려져 있다.[6]
엔진이 성층연소로 운전되는 경우, 배기가스 중 늘어난 산소 농도에 따라 기존에 후처리 장치로 주로 사용하는 삼원촉매에서 NOx 의 환원 효율이 급격하게 감소하는 특징이 나타난다. 이로 인해 배출규제를 만족시키기 위해서는 Lean NOx Trap(LNT) 등, 별도의 후처리 장치가 추가로 요구된다.[7] 하지만 LNT 의 경우, 그 단가가 높고 전환 효율이 낮아 NOx의 배출을 저감시키는 데에는 한계가 따른다. 또한 성층연소시 증가한 Soot 을 처리하기 위해 별도의 Gasoline particulate filter(GPF) 등도 필요하게 되는데, 이와 같이 앞서 언급한 고압분사 시스템과 여러 가지 후처리 장치들은 분무 유도식 DISI 엔진의 단가를 높여 현재는 BMW 와 Mercedes-Benz 사 등 일부 고급 차량에만 적용되는 한계가 있다.
여러 가지 문제점들에도 불구하고 현재까지의 가솔린 엔진에서는 연비 및 출력 향상을 위해 분무 유도식 DISI 엔진이 큰 잠재력을 가지고 있는 것으로 알려져 있다.[8] 따라서 분무 유도식 DISI 엔진의 보급을 활성화 시키기 위해서는 우선 성층연소시 발생하는 NOx 와 Soot의 배출 양을 저감시키는 기술의 확보가 필요하다.
분할 분사 기법은 기존 촉매의 light-off time 줄이거나 성층연소구간 확대를 위해 주로 사용되던 분사 기법이다.[9] 이러한 분할 분사 기법은 두 분사 사이 시간인 dwell time을 조절하여 혼합기 형성 시간을 제어할 수 있으므로 성층연소시 발생하는 배기가스 배출 제어에 효과적일 것으로 판단된다. 그러나 저부하의 성층연소 구간에서 분할 분사의 배기가스 배출에 대한 영향은 아직 연구가 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 연비저감에 장점을 가지고 있는 분무 유도식 DISI 엔진의 저부하 영역에서 분할 분사를 할 경우 그 연소특성과 배기 배출특성에 대하여 고찰해 보고자 하였다. 또한 혼합기의 균질도를 향상시키기 위하여 증발특성이 가솔린 보다 우수한 가솔린의 대체 연료인 LPG 를 분무 유도식 DISI 엔진에 적용하여 그 결과를 살펴보았다.
