Dimethyl-ether (DME; CH3OCH3) is one of the most promising alternative fuels for compression ignition (CI) engines. DME is an oxygenated synthetic fuel derived from natural gas, coal, and biomass. Near-smokeless combustion can be achieved with DME through the almost instantaneous vaporization with low boiling point, absence of C-C bonds and soot oxidation with oxygen. DME enables to use the liquefied petroleum gas infrastructure because of the similar physical properties. Many researchers are investigating DME fueled CI engines to make good use of advantages of DME, and many proto type vehicles, especially heavy and medium duty trucks, are developed. With near-smokeless combustion of DME, engine-out emission control is easier than conventional diesel. However, the emission standard requires much less emissions. Therefore, the technology development to reduce engine-out emissions, such as cooled exhaust gas recirculation, in-cylinder control, and aftertreatment, are very important problems.
Multiple-injection strategy is an effective means of controlling engine combustion. In this method, fuel is injected several times per cycle, and its spatial and temporal distribution is controlled. The multiple-injection strategy consists of pilot, main and post injection. Significant emission reduction can be achieved with multiple-injection strategy at a low cost. Pilot combustion increases in-cylinder pressure and temperature, which hastens the auto-ignition of the injected fuel. The shortened ignition delay and increased in-cylinder pressure and temperature change the configuration of heat release, influencing engine performance and exhaust emission. Post injection is injected after the main injection, and used to reduce engine-out emissions, especially soot. Post injection improves air entrainment with split fuel injection, and increases temperature at the end of the combustion process. Higher soot oxidation rate under higher combustion temperature and better fuel/air mixing reduce soot emissions. NOx emissions can be reduced with multiple-injection strategy by maintaining a lower in-cylinder gas temperature during main combustion and use of the split flame phenomenon. However, the effect of each injection stage is very sensitive to injection timing, fuel quantity, and engine operating conditions. Therefore, good knowledge and a reliable database of experimental results are needed for engine optimization.
In this study, DME was selected as a clean fuel for CI engine combustion and multiple-injection strategy was applied as a control method for the combustion optimization and exhaust emissions reduction. The effects of multiple-injection strategy on DME combustion were investigated in a single-cylinder direct-injection CI engine with a common-rail injection system at low load and low speed.
The ignition delay decreased as the pilot injection timing was retarded for diesel fuel, while, it kept almost constant for DME. The indicated mean effective pressure increased whenever the diesel was pilot-injected, while it increased when DME was pilot-injected at 20 crank angle degree (oCA) before the main injection timing. DME showed more reduction in emissions than diesel fuel, such as particulates, hydrocarbon, carbon monoxide and nitric oxides. The hydrocarbon and the carbon monoxide emissions were increased when the pilot injection timing was advanced. The nitric oxide emission was increased by more than 27% with diesel pilot injection. Bigger amount of DME pilot-injection decreased nitric oxide emission.
The fuel quantity from main injection with post injection was smaller than that of single injection because the fuel injection was split into two. This reduced the pressure rise rate and the heat release rate during main combustion. The effects of post injection on main combustion diminished as post injection timing retarded. Hydrocarbon and carbon monoxide emissions were reduced with post injection close to the main injection. As the post injection timing was retarded, the post combustion temperature was lowered due to volume expansion during the expansion stroke. This increased the hydrocarbon and carbon monoxide emissions for late post injection timing. Despite decreased in-cylinder gas temperature with retarded post injection, hydrocarbon and carbon monoxide emissions declined at 20oCA post injection, and minimum fuel consumption was noted at 25oCA post injection. The fuel spray was placed on the top outside corner for post injection at 20 and 25oCA, and this improved the remaining air usage after main combustion. Oxides of nitrogen emissions were reduced with a post injection. The post combustion reduced the main fuel quantity by the split injection. This reduced oxides of nitrogen production during the main combustion. Post combustion occurred at low in-cylinder gas temperature and released small amount of heat. Therefore, post combustion did not contribute in the production of oxides of nitrogen emissions.
In addition to this, the advanced engine combustion, which is homogeneous charge compression ignition (HCCI) engine combustion, was studied with two-stage injection strategy. Two-stage injection strategy was studied in DME HCCI engine combustion. An early direct injection, main injection, was applied to form a premixed charge followed by the second injection after the start of heat release. Experiments were carried out in a single-cylinder direct-injection diesel engine equipped with a common-rail injection system, and the combustion performance and exhaust emissions were tested with the various second injection timings and quantities.
From the results, two-stage injection strategy showed the possibility to overcome the disadvantages of HCCI such as high hydrocarbon and carbon monoxide emissions and difficult combustion phase control. Heat release rate and pressure rise rate were reduced with the second injection. The decreased premixed charge concentration by the second injection lowered the heat release from low temperature reaction and high temperature reaction. The second injection showed the separated heat release with the third peak in heat release rate curve as the fuel quantity exceeded 3 mg. This contributed to the power stroke enhancement, and fuel consumption reduction. Peak in-cylinder pressure was decreased as the second injection timing was retarded and the quantity was increased. The portion of the heat release after top dead center was increased, and the pressure rise rate was reduced as the combustion phase was delayed and the burn duration was lengthened. However, the lowered bulk gas temperature with dropped in-cylinder pressure caused the carbon monoxide emission level rise.
디메틸에테르 (Dimethyl-ether, DME)는 압축 착화 엔진용 대체 연료 중 하나로, 천연 가스, 석탄, 바이오매스 등 다양한 원료로부터 합성 가능한 함산소 연료이다. 상온, 상압에서 기체 상태로 존재하는 액화 연료로서, 낮은 끓는점을 지녀 기화 특성이 매우 우수하고, 분자 내 탄소-탄소 간 결합이 없고, 산소를 포함하고 있어 soot의 생성이 거의 없다. DME는 액화 석유 가스 (liquefied petroleum gas, LPG)와 유사한 물성치를 지니고 있어 기존 LPG의 인프라를 이용할 수 있다는 장점 또한 지니고 있다. 이에, 많은 연구자들이 기존 디젤 연료를 대체할 수 있는 친환경 연료로서 주목하였으며, 현재 일본을 중심으로 한국, 중국, 유럽 등지에서 DME 실차 개발을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
다단분사는 메인 (main) 분사 이전에 이루어지는 파일럿 (pilot) 분사와 메인 분사 이후에 이루어지는 포스트 (post) 분사로 이루어진다. 파일럿 분사는 메인 분사 이전에 이루어져, 실린더 내부의 압력과 가스 온도, 그리고 혼합기 내부의 활성 라디칼 (radical)의 농도를 높여 메인 분사 시기의 실린더 내부의 열역학적, 화학적 조건을 변화시킨다. 이러한 변화를 통해 메인 분사된 연료의 자착화가 앞당겨지고, 연소상이 변화하여 출력 및 배기 특성에 영향을 미치게 된다. 후 분사는 메인 분사 후에 소량의 연료를 분사함으로써 분할 분사를 통한 공기 이용률을 높이고, 메인 연소 후반부의 연소 온도를 높여 연소 과정 중에 발생한 HC (hydrocarbon), CO (carbon monoxide), soot 등의 불완전 연소 생성물을 산화시킨다. 연소 온도의 상승을 통해 soot의 산화율을 높이고, 연료-공기 혼합을 향상시킴으로써 soot 배출량의 저감에 매우 유용하다. 또한 분할 분사를 통한 메인 연소 시의 화염온도를 낮추어 NOx (oxides of nitrogen) 배출량 저감에도 효과가 있다. 그러나 다단분사의 효과는 엔진의 운전 조건 뿐만 아니라, 각 단의 분사되는 시기와 연료량에 따라 변화가 크므로, 이에 대한 기본적인 연구 및 엔진 최적화를 위한 실험 데이터의 축적이 필요하다.
본 연구에서 디메틸에테르 (dimethyl-ether, DME) 압축착화 엔진에서 파일럿 분사 적용을 통한 배기 및 효율 개선의 가능성을 확인하였다. DME 압축 착화 엔진에서 다단분사 전략의 적용을 통해 기존 압축 착화 엔진 연소에서뿐만 아니라, 예혼합 압축 착화 엔진에서도 배기 배출물과 연료 소비량의 동시 개선이 가능하였다.
먼저, DME 압축 착화 엔진 연소에서 엔진 운전 속도 800 rpm, 부하 0.4 MPa의 저속 저부하 운전 시 파일럿 및 포스트 분사의 영향을 살펴보았다. 메인 분사 시기는 단일 분사 시 가장 적은 연료 소비량을 나타낸 2oCA (crank angle degree)로 고정하였다. 파일럿 및 포스트 분사는 시기와 분사량을 메인 분사 시기로부터 10oCA에서 50oCA 간격까지, 1 mg에서 3 mg까지 변화시켜가며 실험하였으며, 열방출률과 배기 배출물의 변화를 살펴보았다.
파일럿 분사의 적용으로 메인 분사 시기에서의 실린더 내부 압력과 가스 온도가 상승하여 메인 분사의 자착화 시기가 앞당겨 졌다. 그러나 착화 지연의 감소량에서 파일럿 분사 시기와 분사량의 영향은 미미하였다. 파일럿 분사 시기가 지각된 경우 메인 연소의 활성화로 HC와 CO의 배출량을 줄일 수 있었다. 그러나 이른 시기에 파일럿이 분사된 경우, 길어진 착화 지연 기간으로 인해 소량의 연료가 연소실 전체에 균일하게 혼합된다. 이로 인해 실린더 벽면 및 틈새 체적으로의 연료-공기 혼합기의 유입률이 늘어나, 연소 효율이 떨어지고 HC와 CO 배출량이 증가하였다. NOx 배출물은 짧아진 메인 연소의 착화 지연으로 메인 연소에서의 예혼합 연소 과정에서 발생하는 NOx의 양이 크게 감소시킬 수 있어, NOx 배출량을 74%까지 감소시킬 수 있었다. 그리고 soot은 배출되지 않았다.
포스트 분사를 적용할 경우, 분할 분사 효과로 메인 분사량이 감소하여, 메인 연소 동안의 압력 상승률 및 열방출률이 감소하였다. 포스트 분사 시기가 지각될수록, 포스트 연소가 메인 연소에 미치는 영향은 감소하였다. 특히 포스트 분사가 50oCA에 이루진 경우, 포스트 연소는 실화되어 유효일 생성에 기여하지 못하였다. 포스트 연소가 실화됨에 따라 동일한 출력을 내기 위해서 메인 분사량은 단일 분사 조건과 비슷해졌다. 따라서, 포스트 분사가 적용되었음에도 메인 연소는 단일 분사 조건과 유사하게 나타났다. HC와 CO 배출량은 포스트 적용을 통해 저감 가능했다. 그러나 포스트 분사가 메인 분사에서 멀어짐에 따라 팽창 행정에 의해 포스트 연소 온도가 낮아져 HC와 CO 배출량이 크게 증가하였다. 부피 팽창에 의한 온도 강하에도 불구하고, HC와 CO 배출량은 20oCA 포스트 분사의 경우 이전보다 감소하였으며, 총 연료 분사량은 25oCA 포스트 분사에서 최소값을 나타내었다. 20oCA와 25oCA 포스트 분사의 경우 연료 분무가 피스톤 크라운 위쪽에 위치하고, 이는 공기 이용률을 높이게 된다. 메인 연소로 산소 농도가 낮은 포스트 연소 단계에서는 연소 온도가 어느 조건 이상이 될 경우 공기 이용률이 중요한 인자가 됨을 알 수 있다. NOx 배출량은 포스트 분사의 적용으로 저감 가능하였다. 포스트 분사를 통한 메인 분사량 감소로 메인 연소 동안의 NOx 생성량이 감소하였다. 포스트 분사량이 매우 적고 연소 온도가 낮아 포스트 연소에서 생성되는 NOx 생성량은 무시할 만 하다.
다음으로 DME 예혼합 압축 착화 엔진 연소에서 2차 분사 시기 및 분사량을 변화시켜가며 2단 분사 전략이 연소 성능 및 배기 배출물에 미치는 영향을 살펴보았다. 엔진 운전속도는 1200 rpm, 부하는 0.2 MPa IMEP, 그리고 메인 분사 시기를 -80oCA로 고정한 상태에서 2차 분사 시기를 -19oCA에서 TDC (top dead center)까지, 그리고 분사량을 1에서 5 mg으로 변화시켜 가며 그 영향을 확인하였다.
2단 분사를 통해 열방출률과 압력상승률이 감소하였다. 분할 분사를 통한 예혼합기의 농도가 감소로 예혼합 연소의 LTO (low temperature oxidation)와 HTO (high temperature oxidation)에서의 열방출이 감소하였다. 2단 분사를 통한 연소상 지각과 연소기간의 연장으로 팽창 행정 중 유효일이 증가하여 연료소비량이 감소하였으며, 이는 CO2 배출량 감소로 이어졌다. 최고 실린더 내부 압력은 2단 분사로 인해 감소하였다. 연소상이 지각되고 연소기간이 연장됨에 따라 TDC 이후의 열방출이 증가하게 되고, 이는 압력상승률을 감소시켰다. 그러나 실린더 내부 가스 온도가 낮아져 CO 배출량이 증가하였다. 2단 분사 적용을 통하여 연료소비량과 HC, CO2 배출량은 감소하였으나, NOx와 CO 배출량은 증가하였다. NOx와 CO 배출물은 2단 분사 시기에 대해 반대의 경향을 나타내었다.
추가적으로 이 2차 분사를 2회로 분할, 추가적인 개선 가능성을 확인해 보았다.
포스트 분사 분할에 의해 포스트 분사 이후 열방출률이 감소하였다. 포스트 분사 이전의 메인 연소는 메인 분사량에 의해 결정되었다. 3단 분사의 경우 2차 분사 시기가 TDC 이후로 지각되기 때문에, 팽창 행정에 의해 3차 연소의 열방출이 감소하게 되고, 동일 부하 기준 메인 분사량이 증가, 오히려 연소상이 진각었다. 3단 분사에서의 연소상 진각으로 총 연료 분사량이 단일 분사 대비 감소하나, 2단에 비해 증가하였다. 메인 연료 분사량 변화로 HC 배출량이 결정되게 되는데, 동일한 2차 분사 시기 기준, 2단 분사에 비하여 3단 분사에서 연료 소비량 및 HC 배출량이 증가하였다. NOx 배출량은 2차 분사를 분할하여 혼합기 농도 성층화 정도가 낮아졌기 때문에 3단 분사의 경우 오히려 단일 분사 대비 NOx 배출량이 절반 수준으로 감소하였다
