Dual-fuel (DF) combustion using natural gass(NG) and diesel has been recently receiving attentions in the freight transportation areas owing to its potential use in achieving better fuel economy and cleaner combustion. In this work, a full-metal engine test and optical engine test were conducted to characterize the combustion process of NG/diesel DF combustion in a 1.0 L optically-accessible single-cylinder engine. The optical engine test utilized high-speed visualization of natural-luminosity flame and OH*/HCHO* chemiluminescence. The diesel injection timing and NG substitution ratio (NGSR) were varied to implement diverse in-cylinder blending conditions. A novel flame regime separation method based on color image segmentation in a hue-saturation-value (HSV) color space was used to quantitatively compare the spatial distributions of premixed and diffusion flame regimes. Because NG has a lower carbon content and higher auto-ignition resistance compared with diesel, the natural luminosity images for larger NGSRs revealed a significant reduction in the diffusion flame regime accompanied by retarded flame development. An earlier injection of the liquid diesel shifted the location of the early flame growth toward the piston bowl wall and created a rapid influx of propagating flame, while effectively suppressing the formation of intense soot radiation through longer ignition delay. The calculation of reaction zone growth speed from the chemiluminescence imaging confirmed that the flame kernels in DF combustion with larger premixed grade initially develop by means of sequential auto-ignition, followed by flame propagation towards ignitable background mixture. In the performance engine test, these observations were verified by the exhaust emissions measured using the full-metal version of the engine and the same fuel supply parameters, specifically regarding the compliance of the smoke and nitrogen oxide emissions with the Euro VI regulation. The NG/diesel RCCI operation successfully demonstrated a cleaner and more efficient combustion compared to the conventional diesel engine. However, the reduction in NOx emission was realized at the cost of combustion loss penalty and combustion phasing delay. The modified piston bowl geometry in bathtub shape could reduce heat transfer loss and suppress the unburned hydrocarbon emission at the same time, leading to improve the NOx-efficiency trade-off relationship in the design of the DF engine.
천연가스/디젤 이종연료 압축착화 엔진은 배기 저감과 동시에 고효율 달성이 가능하여 도로 및 비도로 수송 부문에서 지속적인 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 가시화 모듈 설치가 가능한 1리터급 단기통 압축착화 엔진에서 복잡한 특성의 이종연료 연소과정을 분석하기 위해 성능 엔진 시험과 엔진 내 화염 가시화 시험을 수행하였다. 가시화 엔진 실험에서는 자연발광 화염 신호 취득과 OH*/HCHO* 화학발광 신호를 초고속 촬영으로 취득하였다. 이 때 연소실 내 혼합기 형성을 제어하기 위해 디젤 분사시기와 천연가스 대체율을 변경하였다. 이종연료 연소과정 중 발생하는 자착화 반응과 화염 전파, 확산 연소 현상을 분리하여 분석하기기 위해 HSV 색 공간의 영상 분할 기법을 활용하여 예혼합 화염과 확산 화염 영역을 정량적으로 비교하였다. 천연가스는 디젤에 비해 탄소함유량이 낮고 착화저항성이 큰 관계로, 천연가스 대체율 증가 시 휘염의 발생 강도 및 영역이 크게 감소하는 것을 확인하였다. 디젤 분사시기를 진각한 경우, 초기 화염 발달 위치가 피스톤 보울 바깥 영역으로 이동하였고, 이로부터 빠르게 중심부로 화염 전파가 발생하였으며 긴 점화지연으로 인해 휘염 형성이 감소하였다. 상기 혼합기 제어 인자의 변화에 대해 화학발광 가시화 결과로부터 반응면 성장속도를 계산한 결과, 천연가스 대체율 증가 및 분사시기 진각 시 초기 화염핵 발생 후 연쇄적 자착화에 의한 연소가 발생하고, 이후 주변부 가연 혼합기를 향해 화염 전파가 발생하는 것을 확인하였다. 성능 엔진 시험에서 연소지표 및 배기 배출물 분석을 통해 상기 가시화 엔진에서의 관찰 결과를 확인하였다. 천연가스/디젤 반응성제어 압축착화 연소는 기존 디젤 엔진 대비 질소산화물 및 입자상 물질을 현행 유로 VI 규제치 수준으로 저감하면서 동시에 효율 향상을 달성하였다. 그러나 질소 산화물의 배출 감소는 연소 손실 증가와 연소상이 지연되는 결과를 야기하였다. 반응성제어 압축착화 적합의 새로운 피스톤 설계 형상은 열전달 손실을 감소시킴과 동시에 미연 탄화수소의 배출량을 효과적으로 저감하여, 이종연료 엔진의 설계에서 질소산화물과 엔진 효율 간의 상충 관계를 개선하는 결과를 보였다.
