For the past few decades, diesel engines (also known as compression ignition engines) have been widely used for transportation and power-generation applications because of their high efficiency. However, diesel engines cause environmental pollution, owing to their high nitrogen oxide (NOx) and soot emissions. Therefore, considerable effort has been devoted toward reducing pollutant emissions. Revolutionary in-cylinder combustion strategies and exhaust emission aftertreatment devices are required to meet stringent emission regulations. Emission aftertreatment devices, however, have some problems in terms of cost and durability. In-cylinder combustion technology has therefore been the focus of intense investigation.
Diesel combustion can be controlled by the amount of exhaust gas recirculation (EGR), as inert gases with increased heat capacity can dilute the intake charge. EGR induces low flame temperature and affects combustion and emissions. Traditionally, low combustion temperatures are thought to reduce NOx emissions but increase soot emissions due to a reduction in soot oxidation rate. However, as EGR rates increase to very high levels (approximately 60% or greater), NOx-soot trade-off is broken by achieving local temperatures below 1500 K, at which the formations of NOx and soot are suppressed. This combustion strategy that uses a high rate of EGR has been called low temperature diesel combustion (LTC). LTC has demonstrated strong potential to reduce emissions of both NOx and soot to levels acceptable for future emission regulations. However, LTC results in increased fuel consumption and emissions of carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (HC) because of incomplete combustion and lack of oxidation reaction. A low combustion temperature also limits the operating range at low to medium load. In this study, various tests were performed to overcome these kinds of problems of LTC in a compression ignition engine.
The effects of pilot injection on characteristics of combustion and exhaust emissions in LTC were investigated. Combustion characteristics and exhaust emissions under different pilot injection timings, pilot injection quantities and injection pressure were analyzed. Retarding pilot injection timing, increasing pilot injection quantity and higher injection pressure advanced the phase of main combustion and increased peak heat release rate of main combustion. As a result of these strategies, CO and HC emissions were reduced due to the enhanced combustion. Soot emission was slightly increased with retarded pilot injection timing while the effect of pilot injection on NOx emission was negligible under low combustion temperature condition. Spatial distribution of fuel through the spray targeting visualization was also investigated to provide more insight into the effect of pilot injection timing on CO and HC emissions.
The improvement of air-fuel mixing process in LTC is considered as an important issue for better engine performance as in the conventional diesel combustion. The different circumstances from each combustion regime can lead to different effects with regard to air-fuel mixing quality. A comparative study on the effects of air-fuel mixing quality on the combustion characteristics were carried out in both conventional diesel combustion and LTC regime. The injection pressure and the intake pressure were considered as variables as they are important factors which influence the in-cylinder air-fuel mixing process. The injection pressure significantly affected the combustion phase in the LTC regime due to the longer premixing time relative to the conventional diesel combustion regime. In the LTC regime, the ignition delay period and combustion duration with a higher injection pressure were shorter due to the improved atomization and enhanced evaporation of the fuel droplets. With regard to exhaust emissions, a higher injection pressure resulted in lower CO and HC emissions in both combustion regimes. These phenomena were mainly attributed to the reduced fuel-rich mixture for the LTC and higher combustion temperature for the conventional diesel combustion. The reduction of soot emissions with a higher injection pressure was predominant in the conventional combustion regime where the soot formation rate is high. The exhaust emission trends according to the intake pressure were quite similar to those observed in the test involving injection pressure. However, the emission reduction mechanisms were somewhat different. The increased intake pressure not only improved the air-fuel mixing process but also provided more oxygen and higher ambient density inside the cylinder, leading to enhanced combustion process and reduced exhaust emissions, such as CO and HC. The direct flame image was taken to correlate with the exhaust emissions and combustion characteristics according to injection pressure and intake pressure under two combustion regimes. Due to the effectiveness of improved air-fuel mixing quality, increased injection pressure and intake pressure could also extend the operating range of LTC at various engine speeds.
In spite of the extended operating range of LTC with increased injection pressure and intake pressure, operating range of LTC could not occupy the entire engine operating range. This fact requires the combustion mode transition between LTC and conventional diesel combustion. An experimental study on the mode transition between LTC and conventional diesel combustion was carried out. The characteristics of combustion mode transition with various operating parameters including rate of EGR change, residual gas, EGR path length, injection pressure, and engine speed were analyzed based on the in-cylinder pressure and HC emission of each cycle. In the case of mode transition from LTC to conventional combustion, rapid decreases in indicated mean effective pressure (IMEP) and HC emission occurred due to the improper injection timing and the decrease of the EGR rate. On the other hand, IMEP and HC emission changed slowly during mode transition from conventional combustion to LTC owing to the thermal effect of hot residual gas from the conventional combustion. Faster mode transition could be achieved by the use of a shorter EGR path. Although the trends of mode transition in terms of IMEP were similar, the noise level as represented by the maximum pressure rise rate (MPRR) and HC emission were significantly affected by residual gas, injection pressure, and engine speed. In addition, smooth combustion mode transition could be achieved by cycle-by-cycle injection modulation. As a consequence of gradually retarding injection timing, gradually decreasing injection duration and adding a pilot injection, MPRR was significantly reduced, while IMEP maintained stable.
디젤 엔진 (또는 압축 착화 엔진)은 높은 효율로 인해 지난 수십 년간 수송이나 발전용으로 널리 이용되어 오고 있다. 하지만, 디젤 엔진은 질소산화물 (NOx; nitrogen oxide))과 검댕 (soot)을 많이 배출하며 이는 환경 오염을 불러 일으킨다. 따라서, 이러한 유해 배기 배출물의 규제가 강화되고 있으며 이를 만족시키기 위해서는 획기적인 연소 기술이나 배기 후처리 기술의 개발이 필요하다. 하지만, 배기 후처리 기술은 여전히 비용과 내구성 측면에서 볼 때 쉬운 방안이 될 수 없기 때문에 연소 기술 개선을 통한 배기 배출물 저감을 이루고자 하는 연구들이 활발히 이루어지고 있다.
디젤 엔진의 연소 과정은 열용량이 높은 비활성 가스를 통해 흡기를 희석하는 배기가스 재순환 (EGR; exhaust gas recirculation)을 통해서 제어될 수 있다. EGR은 연소 온도를 낮추어 연소 과정과 배기 배출물에 큰 영향을 준다. 일반적으로, 낮은 연소 온도는 NOx를 저감시키는 대신 soot의 산화율을 감소시켜 soot 배출량을 증가시킨다고 알려져 왔다. 하지만, EGR율을 매우 높은 수준 (60% 이상)으로 증가시킬 경우, 연소 온도가 NOx와 soot의 생성이 제한되는 1500K 이하로 떨어지면서 NOx와 soot이 동시에 저감되는 것이 밝혀졌다. 이렇게 다량의 EGR을 이용하여 연소 온도를 낮추는 연소 기술을 저온 디젤 연소 (LTC; low temperature diesel combustion)라 한다. 하지만, 저온 디젤 연소는 낮은 연소 온도로 인해 발생하는 불완전 연소 때문에 일산화탄소(CO; carbon monoxide)와 탄화수소 (HC; hydrocarbon)의 배출량이 증가할 뿐 아니라 연비 또한 악화되는 문제점을 안고 있다. 또한, 실린더 내 낮은 산소 농도로 인해 연소 될 수 있는 연료의 양이 제한되며 이는 곧 운전 영역의 한계를 불러일으킨다. 본 연구에서는 압축 착화 엔진에서 저온 디젤 연소의 문제점들을 개선하기 위한 다양한 방법의 실험을 수행하였다.
저온 디젤 연소에서 파일럿 분사가 연소 및 배기 배출물에 미치는 영향을 살펴보았으며, 다양한 파일럿 분사 시기, 파일럿 분사량, 분사 압력 조건에 실험을 수행하였다. 파일럿 분사 시기의 지각, 파일럿 분사량의 증가 및 분사 압력의 증가에 따라 주 연소의 연소상이 진각되고 최고 열방출률이 증가하는 결과를 나타냈다. 또한, 이러한 전략을 통해 주 연소를 활성화 시킴으로써 CO와 HC 배출량이 저감되었다. 저온 디젤 연소에서 파일럿 분사가 NOx에 미치는 영향은 크게 나타나지 않았으며, soot 배출량은 낮은 수준을 보였지만 파일럿 분사 시기가 지각됨에 따라 다소 증가하는 경향을 나타냈다. 분무 충돌 가시화 실험을 통해서 연료의 공간적인 분포를 살펴보았으며 이를 통해 파일럿 분사 시기에 따른 CO와 HC 배출 결과를 설명할 수 있었다.
저온 디젤 연소에서 공기와 연료의 혼합기 특성 개선은 기존 디젤 연소에서와 마찬가지로 엔진 성능을 향상시키기 위한 중요한 요소이다. 각기 다른 연소 모드에서 공기와 연료의 혼합 특성에 따른 영향은 서로 다른 연소실 환경으로 인해 다르게 나타날 수 있다. 따라서, 기존 디젤 연소와 저온 디젤 연소에서의 혼합기 특성이 연소 특성에 미치는 영향에 대한 비교 연구를 수행하였으며, 혼합기 특성에 직접적으로 영향을 미치는 분사 압력과 흡기 압력을 실험 인자로서 선택하였다. 기존 디젤 연소에 비해 상대적으로 긴 예혼합 시간을 갖는 저온 디젤 연소에서 분사 압력이 연소상에 미치는 영향이 크게 나타났다. 저온 디젤 연소에서 고압 분사를 적용할 경우, 미립화 및 증발 특성의 향상으로 인해 착화 지연 기간과 연소 기간이 짧게 나타났다. 배기 배출물의 경우에는 두 연소 모드 모두에서 고압 분사를 통해 CO와 HC 배출량이 저감되었다. 기존 디젤 연소에서의 저감 원인은 높은 연소 온도에 기인하는 반면, 저온 디젤 연소에서의 저감 원인은 혼합 특성 향상에 따른 농후한 영역의 감소 때문이다. 고압 분사에 따른 soot 배출물의 저감은 soot 생성율이 높은 기존 디젤 연소에서 두드러지게 나타났다. 흡기 압력에 따른 배기 배출물 결과는 분사 압력에 따른 결과와 비슷한 경향을 나타냈지만 그 원인은 다소 다르다. 흡기 압력의 증가는 공기와 연료의 혼합 특성을 향상시킬 뿐 아니라 실린더 내 산소의 양을 많게 하고 주변 밀도를 높게 한다. 이러한 환경은 연소를 더욱 활성화시키고 불완전 연소의 산물인 CO와 HC 배출물을 저감시키는 결과를 가져왔다. 이러한 각 연소 모드에서 분사 압력과 흡기 압력에 따른 연소 특성과 배기 배출물 간의 상관 관계를 화염 이미지 분석을 통해 파악하였다. 또한, 고압 분사와 흡기 과급에 의한 혼합 특성 향상을 통해 다양한 엔진 회전수 조건에서 저온 디젤 연소의 운전 영역을 확장시킬 수 있었다.
저온 디젤 연소에서 고압 분사 및 흡기 과급을 적용하여 운전 영역을 확장하였지만, 확장된 운전 영역으로도 전체 엔진 운전 영역을 대체할 수 없음을 확인하였다. 이러한 상황은 저부하 영역에서는 저온 디젤 연소의 적용을 통해 배기 배출물 저감을 꾀하고 고부하 영역에서는 기존 디젤 연소로 운전하여 높은 출력을 유지할 수 있도록 하는 연소 모드 전환을 필요로 하게 한다. EGR 율을 변화시키며 연소 모드 전환을 수행하였으며 다양한 운전 변수 (EGR 율 변화, EGR 경로 길이, 잔류 가스, 분사 압력, 엔진 회전수)에 따른 연소 모드 전환 특성을 살펴 보았다. 각 운전 변수에 따른 과도 상태에서 각 사이클의 연소 압력 데이터와 HC 배출물을 기반으로 그 특성을 분석하였다. 저온 디젤 연소에서 기존 디젤 연소로의 모드 전환 시에는 부적절한 분사 시기와 EGR율의 감소로 인해 출력과 HC 배출물의 급격한 감소가 나타났다. 반면, 기존 디젤 연소에서 저온 디젤 연소로의 모드 전환 시에는 기존 디젤 연소에서 발생하는 뜨거운 잔류 가스의 열적 효과로 인해 출력과 HC 배출물이 급격한 변동없이 서서히 변화하였다. 또한, 짧은 EGR 경로 길이를 적용함으로써 더욱 빠른 연소 모드 전환을 이룰 수 있었다. 잔류 가스, 분사 압력, 엔진 회전수에 따라 출력 측면에서는 비슷한 추이를 보이더라도 연소 소음 및 HC 배출량에 있어서는 큰 차이를 보였다. 또한, 연소 모드 전환 과정 중 발생하는 급격한 출력 변동과 연소 소음을 저감시키기 위해 사이클 별 분사 전략이 적용되었다. 분사 시기를 점차적으로 지각시키고, 분사 기간을 점차적으로 감소시키는 것을 기본적인 전략으로 하며 이에 파일럿 분사 전략까지 더함으로써 출력은 일정한 수준으로 유지하고 연소 소음을 상당히 저감시킬 수 있었다.
