Improvement of Emission Performances of a HSDI Diesel Engine with Partial Premixed Compression Ignition Combustion Method

Copyright

2008 KSAE 1225-6382/2008/096- 12 Transactions of KSAE, Vol. 16, No. 6, pp.88-96 (2008)

부분 예혼합 압축착화 연소기법을 적용한

HSDI

정 재 우¹⁾․강 정 호¹⁾․김 남 호¹⁾․민 경 덕²⁾․이 기 형³⁾․이 정 훈⁴⁾․김 현 옥⁴⁾․강 우¹⁾

자동차부품연구원 첨단동력/IT종합연구센터¹⁾․서울대학교 기계항공공학부²⁾․ 한양대학교 기계정보경영공학부³⁾․쌍용자동차⁴⁾

Improvement of Emission Performances of a HSDI Diesel Engine with Partial Premixed Compression Ignition Combustion Method

Jae-woo Chung¹⁾․Jeong-ho Kang¹⁾․Nam-ho Kim¹⁾․Kyoung-doug Min²⁾․Ki-hyung Lee³⁾․ Jeong-hoon Lee⁴⁾․Hyun-ok Kim⁴⁾․Woo Kang¹⁾

1)

Powertrain System R&D Center, 74 Youngjeong-ri, Pungse-myeon, Cheonan-si, Chungnam 330-912, Korea

2)

School of Mechanical & Aerospace Engineering, Seoul National University, Seoul 151-742, Korea

3)

Department of Mechanical Engineering, Hanyang University, Gyeonggi 426-791, Korea

4)

R&D Center, Ssang Young Motor Co. Ltd, 150-3 Chilgoi-dong, Pyeongtaek-si, Gyeonggi 459-711, Korea (Received 25 January 2008 / Accepted 16 May 2008)

Abstract : Currently, due to the serious world-wide air pollution by substances emitted from vehicles, emission control is enforced more firmly and it is expected that the regulation requirements for emission will become more severe. A new concept combustion technology that can reduce the NOx and PM in relation to combustion is urgently required.

This study used a split injection method at a 4 cylinder common-rail direct injection diesel engine in order to apply the partially premixed charge compression ignition combustion method without significantly altering engine specifications And it is investigated that the effects of the injection ratio and SCV(swirl control valve) to emission characteristics.

From these tests, soot(g) and NOx(g) emission could be reduced to 40% and 92% compared to base engine performance at specified engine driving conditions(6 points with weight factors) according to application of split injection and SCV(swirl control valve).

Key words : HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition 예혼합압축착화), Diesel fuel(디젤연료), NOx (Nitrogen oxide 질소 산화물), Smoke(매연)

1.

¹⁾

근래들어, 자동차 엔진의 연비 개선의 요구로 인 하여 연소원리상 효율이 높은 압축착화 디젤 엔진 에 대한 관심이 증가되고 있는 상황이다. 그러나 디 젤엔진은 NOx 및 PM(particulate matter)의 배출이 환 경오염을 유발하고 있으며, 따라서 연소 차원에서

*

Corresponding author, E-mail: [email protected]

NOx와 PM의 저감을 이룰 수 있는 신연소 기술이 절 실히 요구되어지고 있는 상황이다.

이러한 신연소방식의 중심에 있는 것이 예혼합압 축착화(이하 HCCI) 연소이다. 그러나 HCCI 연소를 실용 엔진에 적용 시에는 매우 이른 시기의 연료 분 사에 따른 실린더 벽면에의 연료 점착과 과도한 HC 의 발생 및 연비 저감 등의 문제점을 가지고 있는 상 황이다.

부분 예혼합 압축착화 연소기법을 적용한 HSDI 디젤엔진의 배기 성능 개선

따라서, HCCI 연소의 실용성 확대를 위하여 다중 연소 모드의 채용, 촉매의 적용, 직분식 연료공급계 의 채용과 함께 일부 연료만을 예혼합화하는 부분 예혼합(Partially Premixed) 연소까지 그 범위를 넓혀 가고 있는 상황이다.^1-5)

본 연구에서는 실험용 다기통 엔진의 제원 변경 을 최소화 한 상태에서 HCCI 연소를 응용하기 위하 여 2단 분사방식(이하 split 분사)^1,2)을 적용하였다.

한편, split 분사에 따른 HC 배출 증가 및 연비 성능 의 악화를 최소화하기 위하여 각 분사의 분사량 비 율을 조정하였으며, 스모크 성능의 개선을 위하여 SCV(swirl control valve)를 채용하였다.

결과적으로 본 연구를 통하여 다양한 디젤엔진의 연소 및 배기 개선 기술 중 split 분사를 이용한 부분 예혼합압축착화연소의 응용 방안을 일부 제시하고 자 하였다.

2.

본 연구에서는 그간의 단기통엔진에서의 연구결 과³⁾의 다기통엔진에의 적용이 이루어졌으며, 한편 으로는 향후의 개선 방향을 설정하는 것을 주요 목 적으로 하고 있다.

2.1

Split분사의 경우 기존의 조기분사에서 가지는 단 점을 일부 가지고 있으며, 가장 대표적인 것으로 비 교적 많은 HC 배출 및 조기분사에 따른 오일팬으로 의 연료 누설 그리고 실린더 라이너의 파손등의 문 제점이 지적되고 있는 상황이다.⁵⁾

이의 원인과 분사방식의 개선을 통하여 기존의 인젝터의 활용성을 높이고자 split 분사에서의 각 분 사량비의 영향을 단기통 엔진 상에서 검토하여³⁾ 다 기통 상용 엔진에 적용하였다.

다기통엔진에서의 분사량 비율 적용 실험조건은 과급과 EGR이 배제된 상태에서 첫 번째 분사된 연 료량이 전체 공급 연료량에 대하여 60%, 70%, 80%

의 비율이 되도록 설정하였으며, 이로부터 적정한 분사량 비율을 설정하였다.

실험 시 분사연료량은 엔진의 회전속도와 엔진의 가속 페달의 위치에 따라 설정된 3차원 데이터에 의

하여 결정되었으며, 설정된 분사량과 분사압력에 따라 split 분사의 각 분사기간은 결정되었다. 단, 분 사압력조건과 연료량과 관련한 3차원 데이타는 자 동차 제작사에서 제공한 분사압력조건을 바탕으로 하였다.

그리고 모든 실험에서 split 분사의 첫 번째 분사 시기는 BTDC 55 °CA 그리고 두 번째 분사는 ATDC 5 °CA로 고정하였다.

2.2

인젝터의 변경 없이 연료공기의 혼합을 개선하기 위한 방법으로는 분사압의 증가 및 유동의 증가가 있을 수 있다.

시뮬레이션을 통한 split 분사에서 연료와 공기 간 혼합의 문제점이 제시되었으며, 이의 해결방안 으로 가변 스월 유동제어 장치(Swirl control valve, 이하 SCV)의 적용을 수행하여 그 성능 특성을 제 시하였다.

2.3 Base 디젤엔진과의 성능 비교

Split 분사방식의 배기성능을 평가하기 위하여 동 일 사양 엔진의 base map 조건과 비교 평가를 수행 하였다.

실험 시 토크와 회전속도조건은 자동차의 운전상 태를 고려한 엔진 보정점 중 일부를 적용하였다. 총 합 평가 시에는 Fig. 1에 제시된 운전점들의 배기 및 연비를 가중치(weight factor)를 적용하여 합산하여 제시하였다. 참고로 Fig. 1의 각 운전점은 차량상태

Fig. 1 Performance test condition considering engine cali- bration

Jae-woo Chung․Jeong-ho Kang․Nam-ho Kim․Kyoung-doug Min․Ki-hyung Lee․Jeong-hoon Lee․Hyun-ok Kim․Woo Kang

Table 1 Specification of test system

항 목 제 원 또는 제조사

엔진동력계 AVL, AC type, 126kW

배기분석계 Horiba MEXA 9100DEGR

스모크메타 AVL 415S

연소해석기 Devetron

Table 2 Specification of a 4-cylinder test engine

항 목 제 원

형식 및 연료공급계 4기통 common rail 디젤

직경× 행정(mm) 86.2 85.6

행정 체적(cc) 499.5

압축비 17.5

과급 및 EGR 진공압 제어 VGT

진공압 제어 EGR valve

의 배기시험모드(NEDC)에서 엔진이 가장 많이 운 전되는 조건을 기준으로 설정되었다.

다음의 Table 1에는 실험에 사용된 주요 실험장치 의 제작사 또는 제원을 나타내었으며, Table 2에는 실험에 사용된 4기통엔진의 제원을 나타내었다.

3.

3.1 split 분사기법의 개선-분사량비의 조정

이상인 경우, 기존의 인젝터로도 연비의 손실을 최 소화하면서 HC, CO, Smoke 및 NOx 성능을 개선할 수 있는 결과가 제시되었다.

또한 Fig. 2에서 제시된 바와 같이 두 번째 분사량 비율의 증가는 첫 번째 분사된 연료의 착화를 억제 하여 저온 반응 상태로 유지시키는 특성을 제시하 였으며, 한편으로 두 번째 분사된 연료의 증발잠열 의 흡수로 인하여 연소실내의 온도의 저감(Fig. 2의 (c)참조)과 이에 의한 착화지연의 증가로 smoke 배 출성능이 개선되는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 2의 (a)와 (b)참조).³⁾

결과적으로 두 번째 분사된 연료 비율의 증가는 두 번째 분사의 착화지연을 증가시킴으로서 smoke 발생을 억제하는 역할을 수행하는 것으로 평가되 었다.

(a) Start of combustion(2nd injection) according to injection fuel ratio

(b) Smoke number according to Start of combustion(2nd injection)

(c) Bulk temperature in a cylinder according to injection ratio

number and bulk temperature in a cylinder(single cylinder engine tests)

따라서, 4기통 디젤엔진에서도 분사량비 변화실 험을 제한된 범위에서 수행하여, 연비 및 배기 특성 을 조사하였다.

다음의 Fig. 3에는 4기통 실험 엔진을 이용한 base

Improvement of Emission Performances of a HSDI Diesel Engine with Partial Premixed Compression Ignition Combustion Method

(a) Example of BSFC results

(b) Comparisons of BSFC at 1000rpm

(c) Comparisons of BSFC at 1500rpm

(d) Comparisons of BSFC at2000rpm

Fig. 3 Comparisons of BSFC according to injection ratio of split injection

(a) NOx

(b) Smoke number

Fig. 4 Comparisons of NOx and smoke emissions according to split injection ratio

분사조건(pilot injection)에서의 연비와 split 분사의 분사량비 변화(main 분사량비 60%, 70%, 80%)에 따 른 연비변화를 제시하고 있다.

1000rpm과 1500rpm의 경우 토크가 80Nm 이하의 경우 split 분사 적용에 따른 연비악화는 그리 심각 하게 나타나고 있지 않으나, 2000rpm에서는 연비 악 화가 증가되는 특성을 나타내고 있다.

특히 두 번째 분사량비가 60%인 경우 연비의 악 화는 매우 심각하게 나타나는 것을 알 수 있다.

한편으로 Fig. 4에 나타낸 NOx와 Smoke의 발생 특성 비교에서는 두 번째 분사량 비율이 70%정도에 서도 비교적 양호한 smoke 저감성능을 나타내는 것 을 알 수 있다.

이러한 실험결과를 토대로 연비 및 배기성능을 종합적으로 판단한 결과, split 분사에서는 두 번째 분사량 비율이 70% 또는 80%인 경우를 주된 분사 량비로 선정하였다.

정재우․강정호․김남호․민경덕․이기형․이정훈․김현옥․강 우

3.2

계산 시 두 번째 분사량 비율은 60%였으며, 첫 번 째 분사시기는 BTDC55 그리고 두 번째 분사 시기 는 ATDC5로 하였다.

3차원 시뮬레이션을 통한 연구결과인 Fig. 6으로 부터 본 엔진의 smoke 및 NOx는 연소실의 squish area에서 발생되는 것으로 판단되었으며, 따라서 피

Fig. 5 Simulation conditions and shape of calculation mashes

Fig. 6 Simulation results(NOx and Soot)

(a) Types of SCV installation

(b) Results of steady state flow test (flow coefficiency)

(c) Results of steady state flow test (swirl ratio)

스톤의 형상 변경 및 유동을 이용한 연료공기의 혼 합성능 개선을 도모하였다. 특히 smoke의 발생은 연 료공기의 혼합의 개선에 의하여 저감될 수 있음이 지적되어 이의 연구 결과를 토대로 하여 가장 손쉽 게 접근이 가능한 SCV의 장착효과에 대한 연구를 수행하였다.

위의 Fig. 7에는 SCV의 장착 형태와 각 경우에 대 한 정상유동 실험결과를 제시하였다.

정상유동 실험결과 Type4의 경우가 SCV 장착시 의 유량저감에 대한 스월 강화 특성이 가장 우수한 것으로 평가되어 엔진실험에 적용되었다.

부분 예혼합 압축착화 연소기법을 적용한 HSDI 디젤엔진의 배기 성능 개선

(a) Smoke (at 1500rpm)

(b) NOx (at 1500rpm)

(c) Smoke (at 2000rpm)

(d) NOx (at 2000rpm)

Fig. 8 Effects of the SCV(swirl control valve) on the emis- sion performances

Fig. 8에는 특정 엔진회전속도조건 (1500rpm 및 2000rpm)에서 SCV 적용에 따른 NOx 및 smoke 배출 특성을 각각 토크와 A/F에 대하여 제시한 그림이다.

실험결과 SCV 적용에 따라 smoke 저감효과가 뚜렷 이 나타나는 것을 확인할 수 있었으나, NOx 배출은 약간 증가되는 경향이 나타났다. 한편으로 실험 조 건 중 엔진의 회전속도가 높으며(2000rpm), 연료량 이 많은 경우 SCV 장착에 따른 smoke 저감 성능은 약화되는 특성을 보이고 있다.

기존의 단기통 엔진의 연구에서 split 분사시의 smoke의 배출은 첫 번째 분사된 연료의 연소열량의 증가, 두 번째 분사된 연료의 착화지연저감등에 영 향을 받게 됨을 제시한바 있다. 특히 첫 번째 분사된 연료의 연소의 활성화는 smoke 특성을 악화시키는 경향이 있기 때문에, 본 실험결과를 분석하여 SCV 의 장착에 따른 첫 번째 분사연료의 연소특성의 변 화를 고찰하였다.

Fig. 9는 SCV 장착에 따른 질량연소율의 비율을 비교하여 제시한 결과이다.

Fig. 9의 (a)와 (b)는 1500rpm에서의 실험결과이 며, (c)와 (d)는 2000rpm에서의 실험결과를 나타낸 다. 실험결과 SCV 장착에 따라 1500rpm의 경우 엔 진의 토크와 관계없이 첫 번째 분사된 연료의 연소 는 억제되었으며, 이 후 전체 연소의 속도는 증가되 는 경향을 나타내었다. 그러나 (c)와 (d)에 나타낸 2000rpm의 경우에서는 SCV의 장착효과가 미미한 것을 확인할 수 있다. 이러한 현상을 좀더 개괄적으 로 제시하기 위하여 Fig. 10에는 SCV 장착전후의 ATDC 5도와 ATDC25도에서의 질량연소율의 비를 비교하여 제시하였다. ATDC5도는 두 번째 분사시 기를 나타내며, ATDC25도는 대부분의 연소가 진행 되는 크랭크각도 부근이다.

Fig. 10(a)의 결과에서 보이듯이 1500rpm에서는 SCV의 장착에 따라 ATDC 5도까지의 연소가 활성 화되지 않는 특성을 보여주고 있으나, 2000rpm의 경 우 ATDC5도에서의 연소에 SCV의 장착은 큰 효과 를 나타내지 못하고 있음을 확인할 수 있다.

한편 Fig. 10(b)의 결과에서는 ATDC 25도에서의 질량연소율의 비를 참조로 하여 1500rpm의 경우 SCV 장착에 따라 전체 연소기간은 축소되는 경향

Jae-woo Chung․Jeong-ho Kang․Nam-ho Kim․Kyoung-doug Min․Ki-hyung Lee․Jeong-hoon Lee․Hyun-ok Kim․Woo Kang

(a) Test condition = 1500rpm, 30Nm

(b) Test condition = 1500rpm, 97Nm

(c) Test condition = 2000rpm, 30Nm

(d) Test condition = 2000rpm, 96Nm

Fig. 9 Effects of the SCV(swirl control valve) on the fraction of mass burning rate

(a) Fraction of mass burning rate at ATDC5

(b) Fraction of mass burning rate at ATDC25

Fig. 10 Comparisons of fraction of mass burning rate at ATDC 5 and ATDC 25 according to engine rpm variation and SCV installation

을 제시하고 있으나, 2000rpm의 경우 그 효과가 적 게 나타나는 것을 알 수 있다.

3.3

단, 본 연구에서는 PM의 측정은 수행되지 않았으 며, smoke number의 측정만이 수행되었으므로, 다 음의 관계식을 사용하여 smoke number의 측정결과 를 soot(g)로 환산하여 제시하였다.

Soot(mg/m³) = (-134FSN-727.5)log(1-FSN/10) (1)

Improvement of Emission Performances of a HSDI Diesel Engine with Partial Premixed Compression Ignition Combustion Method

여기서,

FSN = Filter smoke number

(a) NOx(g)

(b) Soot(g)

(c) THC(g)

(d) Fuel consumption(g)

Fig. 11 Comparisons of test results at each mode points

그림 Fig. 11은 Fig. 1에 제시된 엔진 운전점에서 의 각종 성능을 비교하여 제시한 것이며, 각 운전점 은 Mode number로 구분하여 제시하였다.

실험결과 저부하의 경우 split 분사와 SCV의 적용 을 통하여 smoke 저감성능은 비교적 우수한 것을 알 수 있었다.

Fig. 11의 결과를 바탕으로 각 연소방식(base, split, split injection with SCV 등)의 조합을 통하여 NOx 배출량이 가장 적은 경우, smoke 배출이 가장 적은 경우, 연소방식의 변환이 가장 적은 3가지의 방식을 Table 3과 같이 구성하여 결과를 비교하였을 때, Table 4와 같은 종합적인 결과를 얻을 수 있다.

모드 총합 평가결과 pilot 분사방식인 기본 연소 방식에 대하여 최소 soot 배출 조건에서 soot는 약 40% 그리고, NOx의 경우는 92% 정도가 배출되는 결과를 제시하였다.

Table 3 Combustion modes Comb

type Mode

1

Mode 2

Mode 3

Mode 4

Mode 5

Mode 6 Min.

NOx Split (main 70%)

split (main70%)

+SCV

Split (main70%)

Split (main80%)

+SCV Min.

Soot Split(main70%)+SCV

Split (main80%)

+SCV Split (main 70%)

Base (pilot) Min.

comb.

mode

Split(main70%)+SCV Split (main80%)+SCV

Table 4 Performance comparisons according to combustion modes

(Case./Base)×100 (%) NOx (%)

Soot (%)

Fuel Consump.(%)

Min. NOx type 78 62 105

Min. Soot type 92 40 101

Min. comb. mode 84 56 102

4.

본 연구에서의 결과를 정리하면 다음과 같다.

1) 다기통 실용엔진에 2단분사를 적용하여 기본 특 성을 확인하였으며, 특히 2단분사시의 분사량의 비율 변화를 통하여 두 번째 분사량이 전체 분사 량의 70% 또는 80%일 때가 연비 및 배기 성능 측

정재우․강정호․김남호․민경덕․이기형․이정훈․김현옥․강 우

면에서 유리한 것을 확인할 수 있었다.

2) 대상엔진의 연소시뮬레이션 결과 부분예혼합압 축착화 연소시 연료공기의 혼합을 개선할 필요 가 있음이 제시되었으며, 이의 개선을 위하여 SCV(swirl control valve)를 적용하여 smoke 성능 을 개선하는 결과를 얻을 수 있었다.

3) 다기통엔진에서의 SCV 적용결과, 저속구간에 서는 SCV에 의한 smoke 저감효과가 우수하였으 나, 고속구간(2000rpm 이상)에서는 smoke 배출 에 대한 개선효과가 떨어지는 것을 확인할 수 있 었다.

4) 모드 시험결과 최소 soot 발생조건의 경우 base 성능 대비 soot양은 40% 정도로 감소되었으며, NOx의 경우 약 92%정도의 배출 특성을 나타내 었다.

후 기

본 연구는 산업자원부에서 지원하는 자동차기반 기술개발사업의 일환으로 수행되었으며, 이에 관계 기관에 감사를 드립니다.

Reference

1) H. Yokota, H. Nakajima, T. Kakegawa and T.

Suzuki, “A New Concept for Low Emission Diesel Combustion,” SAE 970891, 1997.

2) H. Yokota, H. Nakajima and T. Kakegawa, “A New Concept for Low Emission Diesel Com- bustion (2nd Rep.: Reduction of HC and CO Emission, and Improvement of Fuel Consump- tion by EGR and MTBE Blended Fuel),” SAE 981933, 1998.

3) J. W. Chung, J. H. Kang, N. H. Kim, W. Kang and B. S. Kim, “Effects of the Fuel Injection Ratio on the Emission and Combustion Per- formances of the Partially Premixed Charge Compression Ignition Combustion Engine App- lied with the Split Injection Method,” Int. J.

Automotive Technology, Vol.9, No.1, pp.1-8, 2008.

4) R. Hasegawa and H. Yanagihara, “HCCI Com- bustion in DI Diesel Engine,” SAE 2003-01- 0745, 2003.

5) N. Dronniou, M. Lejeune, I. Balloul, P. Higelin,

“Combination of High EGR Rates and Multiple Injection Strategies to Reduce Pollutant Emis- sions,” SAE 2005-01-3726, 2005.