The main purpose of the present research is to verify the feasibility of liquefied petroleum gas (LPG) under lean stratified combustion conditions as an alternative fuel for gasoline. n-butane, which is the main component of LPG in summer in South Korea, and gasoline were selected as the test fuels. The experiment conditions were designed as to focus on the low load and low speed conditions, where the fuel economy merits of the lean stratified combustion are maximized.
Firstly, macroscopic spray characteristics of n-butane and gasoline were evaluated. The results of Mie scattering test showed that n-butane spray required shorter time to be evaporated than gasoline spray and shrank while gasoline showed hollow cone spray with recirculation zone at the fore-end of spray, which is the typical spray structure from outwardly opening injector. After spray were fully evaporated, the spray characteristics were evaluated by schlieren method. The n-butane spray structure was collapsed toward the injector tip axis unlike the gasoline spray structure. The collapse trend of n-butane became severe with increases of injection pressure, ambient pressure as well as temperature, and injection quantity. On the other hand, gasoline spray just became smaller keeping its spray structure. Due to the different spray structure of n-butane, the ignitability in case of n-butane was expected to be deteriorated compared to that of gasoline unless the ignition point of the test engine is changed. To release the spray structure collapse of n-butane, injection pressure was set to be lower, and it was found that the structure of n-butane spray did not collapse. Based on the spray characteristics of n-butane, the two strategies to improve ignitability of n-butane, which were applying the lower injection pressure and deeper spark plug intrusion by 4 mm with consideration of the spray collapse, were tried in the engine test.
n-butane required shorter mixture formation time, but the range of suitable mixture formation times was narrower than that of gasoline. However, the combustion efficiency of n-butane was higher than that of gasoline under stable stratified combustion conditions. In addition, unlike gasoline, n-butane showed a similar heat release rate (HRR) distribution shape regardless of injection and ignition timings. However, combustion phase was more advanced compared to gasoline due to unstable operation at retarded injection and ignition timings, so the benefit of high combustion efficiency was not utilized in terms of indicated mean effective pressure (IMEP). As emissions characteristics, particulate matter emission of n-butane was nearly zero while nitrogen oxides (NOx) emissions were higher than those of gasoline due to the advanced combustion phase.
The stable operation range in accordance with the mixture formation time in case of n-butane was wider at a load condition of around 0.3 MPa of IMEP by using a deeper spark plug intrusion depth. Even though the minimum required mixture formation time of n-butane was longer than that of gasoline at a higher load condition (around IMEP of 0.5 MPa condition), both fuels had a sufficiently wide and stable time range for the mixture formation at both engine loads. IMEP of n-butane was higher compared to that of gasoline at lower load and higher load conditions due to more retarded combustion phase of n-butane compared to gasoline at the same operation conditions. In terms of emission characteristics, both the NOx and particulate matter emissions of n-butane were generally lower than those of gasoline. The NOx emissions of n-butane were lower than those of gasoline due to the slightly retarded combustion phase and higher charge cooling effect. Furthermore, particulate matter emission of n-butane was lower due to the fast evaporation of n-butane leading to a reduction in the locally rich mixture region, except for the case of a too short mixture formation time.
In terms of IMEP, it was concluded that faster combustion speed is beneficial based on the experiments and simple calculation. Among the means to increase combustion speed, the intake port equipped with tumble flap was applied due to its ease installation and lower cost. At first, the range of stable operation remained similar whether enhanced tumble flow or not, but coefficient of variance of IMEP became lower with the enhanced flow. IMEP was also further increased as expected. In addition, the enhanced flow can promote mixture formation process, so that local rich mixture area can be reduced. The particulate matter emission was reduced while NOx emissions was little bit increased due to fast combustion speed as results applying the tumble flow.
In case of n-butane, the spray collapse affected the flame structure. The intense soot incandescence along the axis of injector was found unlike gasoline. Therefore, it can be concluded that the spray structure of n-butane did not remain hollow cone spray. The rich mixture was formed the around the injector axis and was ignited by high ambient temperature and pressure in the post oxidation stage. On the other hand, soot incandescence of gasoline was found at the ignition point first, and the opposite location of axis symmetry in the post oxidation stage. However, the intensity and area of diffusion flame of n-butane were lower than those of gasoline, which was in accordance with the particulate matter emission trend of each fuel, except for the case of a too short mixture formation time. In main combustion stage, the flame propagation speed of n-butane was slightly lower than that of gasoline under the same condition. During flame propagation, diffusion flame of local rich mixture like droplet combustion was distributed in case of n-butane under several conditions while the droplet combustion like diffusion flame was less in case of gasoline. With applying enhanced tumble flow, flame propagation speed became faster. In addition, diffusion flame was diminished during flame propagation especially for the conditions with long mixture formation time. In addition, the intensity of diffusion flame became weaker, which was also in accordance with lower particulate emission in the metal engine test.
본 연구의 주된 목적은 성층희박연소조건에서의 가솔린의 대체 연료로써 액화석유가스의 적합성을 검증하는 것이다. LPG의 주요성분인 n-부탄과 가솔린이 시험 연료로 선정되었고 실험은 희박성층연소의 연비 측면 이점이 가장 큰 저 부하 및 저속 조건에서 수행되었다.
먼저 n-butane과 가솔린의 거시적 분무 특성을 평가했다. Mie 산란법 결과, n-butane 분무는 가솔린 분무 대비 짧은 시간에 모두 기화 되었고 가솔린은 외향개방형 분사기의 전형적인 분무 구조인 분무 선단에 와류가 존재하는 중공 원추형 분무 구조를 보였다. 이후 기상 분무 특성을 분석하기 위해 슐리렌 방법을 적용하여 연료간 분무 특성을 비교하였다. n-butane 분무는 가솔린 분무와 달리 분사기 축을 중심으로 수축한 것을 알 수 있었다. 이러한 n-butane의 분무 수축은 분사 압력과 분위기 압력, 그리고 분사량이 증가할수록 심해졌다. 반면, 가솔린은 조건과 크게 상관 없이 분무 구조를 유지하였다. 결국 n-butane의 가솔린과 상이한 분무 구조에 의해 기존 점화 위치를 변경하지 않을 경우 점화 안정성이 가솔린 대비 낮을 것으로 예상되었다. 이러한 n-butane의 점화 안정성을 개선하기 위해 낮은 분사 압력을 적용하여 n-butane의 분무 수축을 방지하는 전략과, 4mm 깊은 침투 거리를 가지는 점화 플러그를 이용하여 분무 수축을 고려한 점화 위치 변경 전략을 적용시켜 n-butane의 점화 안정성을 개선해보았다.
먼저 저압분사압력 적용 전략을 적용한 결과, n-butane은 보다 짧은 혼합기 형성 시간을 요구하였지만, 안정 연소가 구현되는 혼합기 형성 시간의 범위는 가솔린 대비 좁았다. 하지만 n-butane의 연소 효율은 안정 성층 연소 조건 하에서 가솔린 대비 높았다. 또한, 가솔린과 달리 n-butane은 분사 및 점화 타이밍에 관계없이 유사한 열방출율 분포 형태를 보였다. 그러나, 지각된 분사 및 점화 시기 조건에서 발생한 연소 불안정성에 의해 가솔린에 대비 연소상이 과다 진각 되어 높은 연소효율에도 불구하고 연료 간 도시평균유효압력 차이는 크지 않았다. 유해배기배출물 특성을 살펴보면 n-butane 분사 시, 입자상 물질이 가솔린과 다르게 거의 배출되지 않았으나 질소 산화물 배출량은 과다 진각된 연소상에 의해 가솔린 대비 많았다.
점화 위치 변경 전략을 적용 시, n-butane의 경우 상대적 저부하 조건(도시평균유효압력 기준 약 0.3 MPa 조건)에서 혼합기 형성 시간을기준으로 안정적인 운전 조건범위가 가솔린 대비 더 넓었다. 상대적 고부하 조건 (도시평균유효압력 기준 약 0.5 MPa 조건)에서는 n-butane의 최단 요구 혼합기 형성 시간이 가솔린의 경우보다 소폭 길었지만, 두 연료 모두 충분히 넓은 안정 연소 구현이 가능한 혼합기 형성 시간 범위를 보였다. n-butane의 도시평균유효압력은 동일한 운전 조건에서 n-butane의 연소상이 상대적으로 지각되어 가솔린 대비 더 높았다. 배출 특성을 살펴보면 전반적으로 n-butane의 질소 산화물 및 입자상 물질 배출량이 가솔린 보다 낮았다.
실험과 간단한 계산을 통해 보다 빠른 연소 속도가 출력의 지표인 도시평균유효압력의 관점에서 유익하다는 결론을 얻었다. 본 연구에서는 여러 연소 속도를 높이는 방법 중에 설치가 쉽고 적은 비용이 요구되는 텀블 플랩이 장착 된 흡기 포트가 적용하여 강화 텀블 유동이 연소 속도, 성능, 그리고 배기 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 그 결과로써 강화 텀블 유동의 적용과 크게 상관없이 충분히 넓은 운전 조건 범위를 보였고 도시평균유효압력의 변동 계수는 텀블 적용에 따라 낮아졌다. 또한 도시평균유효압력 역시 예상한대로 빨라진 연소속도에 의해 증가하였다. 또한 강화 텀블 적용에 의해 촉진되었을 혼합기 형성 과정에 의해 국부적 농후 혼합기 영역이 감소, 그 결과 입자상 물질 배출량은 감소하였다. 하지만 증가된 연소 속도로 인해 질소산화물 배출량은 소폭 증가하였다.
직접화염가시화 실험 결과, n-butane의 분무 수축은 화염 구조에도 영향을 준 것으로 확인되었다. n-butane의 분무 수축 발생 조건에서 가솔린과 다르게 분사기 축을 중심으로 강한 휘염이 발생하였다. 따라서, 분무 수축 시 n-butane은 중공원추형 분무 구조를 유지하지 못하고 분무 내측에 농후한 혼합기 영역이 존재하는 것을 유추할 수 있다. 이러한 농후한 혼합기는 후 산화 과정에서 높은 연소실 내부 온도 및 압력에 의해 착화 되어 높은 입자상 물질을 생성하게 된다. 반면, 가솔린의 경우 연소 초기에 점화 위치에서의 농후 혼합기의 연소로 인한 휘염이 발생하였고 이후 후 산화 과정에서 기 발생한 휘염의 분사기 축 기준 대칭의 위치에서 휘염이 발생하였다. 연료 간 휘염 영역과 강도를 비교해 보면 혼합기 형성 시간이 지나치게 짧은 경우를 제외하고는 n-butane의 휘염의 강도 및 영역이 가솔린 보다 낮았다. 또한 주 연소 과정에서, n-butane의 화염 전파 속도는 동일한 조건에서 가솔린의 화염 전파 속도보다 약간 낮았다. 화염 전파 중, n-butane 분사 시, 가솔린과 다르게 액적 연소와 같은 국부적 농후 혼합기의 확산 연소가 일부 발견되었다. 강화 텀블 유동 적용시, 화염 전파 속도가 증가하였고 긴 혼합기 형성 시간이 주어질 경우 화염 전파 과정에서의 휘염의 강도가 낮아졌다. 이는 성능 엔진 실험에서의 강화 텀블 적용시 낮아진 입자상 물질 배출량과 일치하는 결과였다.
