In internal combustion engine industry, diesel engines, which adopt compression-ignition (CI) combustion have got popular because of their high thermal efficiency and torque. However, environmental issues, the emission of particulate matter from high temperature fuel rich area and nitrogen oxide from high temperature fuel lean area in the diesel combustion, is emerging. To address this, many researchers have studied advanced combustion concepts which adopting premixed air-fuel mixture formation.
It was considered that the gasoline fuel is more suitable for advanced combustion concepts because of its high anti-auto ignition quality and volatility. Accordingly, the gasoline compression ignition (GCI) combustion, which was adopting gasoline to compression ignition engine, was introduced. The preceding study reported that high fuel economy and low emission characteristics could be achieved with GCI under mid to high load operating condition. However, under the low load operating condition, combustion stability was deteriorated because of gasoline’s high anti-auto ignition quality and extremely lean air-fuel mixture. The previous study used the intake air heating strategy and reported that the higher ambient temperature and the equivalent ratio of the air-fuel mixture improved the combustion stability. However, with heated intake air, combustion temperature was increased and increased combustion temperature resulted in higher NOx emission.
The object of this study was improved combustion stability using intake heating, single injection strategy, and split injection strategy, while keeping the low emission characteristics under low load condition. In single injection strategy, NOx emission decreased with advanced gasoline injection timing because of more homogeneous air-fuel mixture. On the other hand, combustion stability was deteriorated with the higher homogeneity of the mixture and that meant combustion stability and NOx emission had trade-off relation. To resolve the trade-off relation, higher intake temperature and more advanced gasoline injection timing were applied to improve the combustion stability and reduce the NOx emission simultaneously. Furthermore, in case split injection strategy was applied and 1st injection timing was set at -360 CAD aTDC, the air-fuel mixture’s reactivity was increased resulting in improved combustion stability and mixture homogeneity was increased resulting in lower NOx emission.
과거에서부터 디젤 엔진은 높은 열효율과 토크를 바탕으로 오랜 기간 동안 수송용 에너지원으로 활용되어 왔다. 그러나 디젤 엔진 연소 특성상 발생되는 높은 입자상물질 및 질소산화물 배출이 문제시 되었고, 이를 해결하기 위하여 압축착화 엔진에서 예혼합 혼합기를 적용하는 여러 형태의 신연소 기술들이 연구되어 왔다. 그 중 가솔린 연료의 높은 착화 저항 특성 및 기화 특성이 예혼합 혼합기 형성에 유리하다고 판단되어, 가솔린을 압축착화 엔진에 적용하는 가솔린 압축착화 연소 기술이 소개되었다. 선행 연구는 가솔린 압축착화 연소 기술을 통해 중, 고부하 운전 영역까지 낮은 입자상물질과 질소산화물 배출 특성과 고효율 성능이 가능하다고 보고하였다. 그러나 가솔린 압축착화 연소 기술은 연료를 적게 주입하는 저부하 운전 영역에서는 과도하게 희박한 공기-연료 혼합기를 형성하기 때문에 연소 불안정성이 악화되고, 그로인해 저부하 운전 영역 확장에 불리하다는 단점이 있다. 선행 연구에서는 흡기 온도를 가열하여 혼합기의 온도가 증가시키고, 흡기 유량 감소로 인한 연료-공기 혼합기의 당량비가 증가의 효과로 연소 안정성이 개선되었다고 보고하였다. 그러나 이 경우 연소 온도가 증가하기 때문에 질소산화물 배출량이 증가하여 신연소 기술 본연의 장점을 잃게 된다. 본 연구에서는 가솔린 압축 착화 저부하 운전 영역에서 흡기 온도 가열, 가솔린 단일 분사 전략 및 가솔린 다단 분사 전략을 적용하여 연소 안정성을 개선하는 동시에 저배기 특성을 유지하는 연구를 진행하였다. 가솔린 분사 시기가 연소에 미치는 영향 분석한 결과, 분사 시기를 진각시킬수록 혼합기의 균질도가 증가하고 혼합기의 국소 당량비가 낮아져서 질소산화물 배출량이 감소하였다. 그러나 이 경우 연소 안정성이 악화되었고, 이렇게 흡기 온도와 가솔린 분사 시기는 연소 안정성과 질소산화물 배출에 배반 관계를 형성하였다. 이 배반 관계를 해결하기 위해 가솔린 분사 시기를 진각하여 질소산화물 배출량을 저감하고, 흡기 온도를 높여 연소 안정성을 확보하도록 흡기 온도와 가솔린 분사 시기 적용 방향성을 제시하였다. 그 결과 연소 안정성과 질소산화물 배출량을 동시에 개선할 수 있었다. 더 나아가 가솔린 다단 분사 전략을 적용하고, 첫 번째 가솔린 분사 시기를 배기 행정 말기에서 흡기 행정 초기로 이어지는 시기인 -360 CAD aTDC 에 위치시켰을 때 연소 안정성이 크게 개선되었다. 또한 가솔린 다단 분사 전략은 연료-공기 혼합기의 균질도를 높이기 때문에 질소산화물 배출량이 감소하였다. 그리하여 다단 분사 전략을 적용하고 연료 분사 비율 및 두 번째 분사 시기를 최적화 하였을 때, 단일 분사 전략을 적용한 경우보다 연소 안정성과 질소산화물 배출량을 저감할 수 있었다.
