As emissions from automotive vehicles are increased, the emission regulations are becoming more restricted than before. Also, interests of development of high efficiency engines and alternative fuels are increased, because of exhaustion of fossil fuels and a high demand for energy. In this situations, liquefied petroleum gas (LPG) receives attention as one of alternative fuels for the spark ignition engines. LPG has advantages for emissions compared to gasoline which is representative fuels for spark ignition engines, and already has better infrastructures globally than other alternative fuels. Therefore, LPG is adjusted as automotive fuels successfully. As increased interests of LPG as automotive fuels, researches about LPG injector systems are being carried out. As a result, liquefied petroleum direct injection (LPDI) system is developed. According to the development of LPDI systems, spray characteristics of LPG affect combustion and emissions. Also, according to the environment or countries, the composition ratio of LPG is different and influences on the characteristics of spray, combustion and emissions.
In this study, experimental researches were carried out to investigate characteristics of spray, combustion and emissions. Tested fuels are n-butane (99.5%), propane (99.5%) which are main components of LPG, and gasoline. Firstly, experiments for spray visualization were studied at a constant volume chamber. Experiment parameters such as ambient pressure, injection pressure, ambient temperature, and fuel temperature were used to copy environment of in-cylinder. In order to understand of spray characteristics, mie-scattering method and shadowgraph method were used. While the spray penetration length of each fuel was similar, the spray angle of each fuel was different. The spray angles of propane and n-butane were bigger than gasoline’s. Vaporization characteristics of propane and n-butane are better than gasoline. As fuels evaporate, axial spray momentum is lost and spray tend to move radially. Consequentially, the propane had biggest spray angle. However, as injection pressure was increased, evaporation of propane and n-butane was too well up. The pressure inside of hollow cone spray structure was decreased by evaporation of spray inside fuels, spray moved to inner part. As a result, spray was collapsed, area was smaller and spray could be leaner. From these results, ignition instability of propane and n-butane were predicted.
Secondly, experiments for understanding of combustion and emissions characteristics were performed in a single cylinder metal engine. The test engine was spray guided direct injection spark ignition (DISI) engine under lean stratified combustion conditions. Control parameters were injection timing, injection pressure, and ignition timing. According to the injection timing, in-cylinder conditions were changed. Consequentially, spray structures could be different each injection timing and injection pressure, thus combustion stability and characteristics of combustion and emissions were affected. Operation range of n-butane was wider than gasoline and propane. In case of n-butane, spray structures were not substantially changed by in-cylinder conditions because of excellent vaporability of n-butane. Therefore, combustion stability of n-butane was better than others at all injection timing. Although propane has outstanding vaporability, mixture could be formed too lean at advanced injection timings. Also, in case of injection pressure 20 MPa, mixture could be formed too lean at all injection timings, therefore, stability of combustion was worse than injection pressure 10 MPa. Spray structures of propane and n-butane, mixtures were homogeneous. From these results, HRR rise rates were slower and peak heat release rate was lower than gasoline, therefore, propane and n-butane showed lower indicated mean effective pressure (IMEP) compared to gasoline. Although, IMEP of propane and n-butane was lower than gasoline, emission characteristics of propane and n-butane were improved. Emissions of nitrogen oxides (NOx) and particulate matter (PM) in n-butane were lower than gasoline, because of slower HRR rise rate and locally homogeneous mixtures. In case of propane, NOx emission was better than others, however, PM was more generate. Although propane had more homogeneous mixture and slower combustion speed, combustion temperature was too low to oxidize PM. As a result, efficiency of post oxidation was decreased, PM emission of propane was highest.
In conclusion, different fuel characteristics affect characteristics of spray, combustion and emissions. LPG is mainly composed of butane and propane. According to the composition ratio of LPG, LPG has different fuel characteristics; therefore, operation strategy and hardware optimization should be changed by composition ratio. From this study, operation strategies for propane and n-butane were established, and also operation strategies of various composition ratio could be predicted.
심해지는 지구온난화와 환경에 대한 관심이 증가하면서 배기규제는 나날이 강화되고 있으며, 화석연료 고갈에 대한 우려와 에너지 수요의 증가로 엔진 효율 증가 및 대체연료 적용에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한 상황 속에서, LPG (액화석유가스)는 SI (Spark ignition) 엔진의 대체연료로써 큰 주목을 받고 있다. LPG는 전 세계적으로 기반시설이 잘 갖추어져 있고, SI 엔진의 대표 연료인 가솔린과 비교하여 다양한 장단점이 있어, 자동차의 연료로써 성공적으로 자리매김 하였다. LPG에 대한 관심이 증가하면서, LPG 분사 시스템에 대한 연구 역시 활발하게 진행 중에 있으며, 그에 따라 액상의 LPG를 연소실 내부에 직접 분사하는 LPDI (Liquiefied petroleum direct injection) 시스템이 개발되었다. LPDI 시스템의 개발에 따라 LPG의 분무특성은 엔진의 연소 및 배기특성에 커다란 영향을 미치게 되었다. 또한 지역 및 환경에 따라 LPG의 조성 비율이 다르고, 그에 따라 LPG의 연료특성이 달라지는데, 이는 연료의 분무, 연소 및 배기특성에 영향을 주게 된다.
따라서 본 연구에서는 LPG의 주요 구성성분인 n-butane (99.5%)과 propane (99.5%), 그리고 SI엔진의 대표 연료인 가솔린을 대상으로 분무특성과 연소 및 배기특성을 알아보기 위한 실험적 연구를 진행하였다. 분무특성을 알아보기 위해서 정적챔버에서 분무가시화 실험을 진행하였다. 실험인자는 분위기압력, 분사압력, 분위기온도, 연료온도 등이며 실험인자의 제어를 통하여 실제 엔진에서의 연소실내 환경을 모사하며 동시에 각 인자의 영향을 파악하였고, mie-scattering 가시화 기법과 shadowgraph 가시화 기법을 이용하였다. 연료별로 분무침투거리의 차이가 거의 없었지만, 분무각은 propane과 n-butane이 가솔린보다 큰 것을 확인하였다. 이는 propane과 n-butane의 기화특성이 가솔린보다 우수함에 따라 나타난 결과로, 기화특성이 우수할수록 분무진행방향으로의 모멘텀을 잃고 방사상의 방향으로 분무가 진행하는 경향이 커져, 분무각이 커지게 되는 것이다. 하지만 propane과 n-butane의 경우 높은 분사압력조건에서는 연료 기화에 따라 중공형 원추 모양의 분무 내부의 압력이 떨어지게 되어 분무가 내부로 수축하는 현상이 발생하였다. 그 결과 분무 영역이 좁아지고, 상대적으로 더욱 희박해져 propane과 n-butane의 경우 고압으로 연료를 분사할 경우 연소안정성이 떨어질 것으로 예상되었다.
이후, 연소 및 배기특성을 알아보기 위해서 연구용 단기통 엔진을 대상으로 실험을 진행하였다. 대상 엔진은 분무 유도식 직접분사 엔진이며 실험영역은 성층 희박연소 조건으로 선정하였다. 실험인자는 분사시기, 분사압력, 점화시기 등이다. 분사시기에 따라 연소실 내부의 환경은 바뀌게 되고, 그 결과 분무특성이 바뀌어 연소안정성과 연소특성 및 배기특성에 영향을 미치게 된다. 운전영역의 경우 n-butane이 가솔린 및 propane과 비교하여 넓은 것으로 확인되었다. n-butane의 경우 연소실 내부 환경의 변화에 따라 분무구조가 크게 변하지 않는 것을 분무가시화 실험을 통해 확인하였고, 그에 따라 넓은 분사시기 영역에서 안정적인 연소를 보였다. 그러나 propane의 경우 이른 분사시기에서 낮은 분위기 압력과 우수한 기화특성으로 인하여 희박한 분무를 형성하고 그에 따라 연소 안정성이 떨어지는 것을 확인하였으며, 이러한 현상은 20 MPa 분사압력 조건에서 n-butane과 propane 모두에서 발견되었다. n-butane과 propane의 경우 가솔린과 비교하여 균질하고 희박한 혼합기를 형성하였으며, 그에 따라 느리고 낮은 열방출률 특성을 보였으며 연소효율도 낮은 모습을 보였다. 이러한 열방출률 특성 및 연소효율은 IMEP (Indicated mean effective pressure)에 영향을 미쳐 가솔린, n-butane, propane 순서로 높은 IMEP 값을 보이는 것을 확인하였다. n-butane과 propane이 가솔린과 비교하여 IMEP는 낮게 나왔지만, 배기특성은 가솔린보다 우수한 모습을 보였다. n-butane의 질소산화물과 입자상물질의 배출량은 가솔린보다 낮았다. 그러나 propane의 경우 질소산화물은 n-butane 및 가솔린과 비교하여 적게 배출되었지만, 입자상물질의 경우 가장 많이 배출되었다. 이는 낮은 연소효율에 의해서 연소실 내부의 온도가 낮게 올라가 후산화 과정의 효율이 떨어져 결과적으로 입자상 물질의 배출이 많은 것으로 예상된다.
연료특성의 차이는 분무와 연소 및 배기특성에 영향을 주게 된다. LPG는 주요 구성성분인 n-butane과 propane의 조성 비율에 따라 연료특성의 차이를 갖게 되고, 결과적으로 LPG는 조성비율에 따라 운전전략 및 하드웨어의 최적화가 필요하다. 본 연구에서는 n-butane과 propane을 대상으로 최적의 운전전략을 수립하였으며, 이러한 결과를 토대로 LPG 조성비율에 따른 최적의 운전전략을 예상해볼 수 있을 것이라고 기대한다.
