Effect of Swirl Control Valve and High Pressure Exhaust Gas Recirculation on Diesel/Gasoline Dual-fuel Combustion

Abstract

As the emissions regulations become stricter, various studies have been conducted to reduce the emissions. Dual-fuel combustion, which uses two fuels with different reactivity, can reduce nitrogen oxides (NOx) and particle matter (PM) emissions by increasing air-fuel premixing ratio. It can also achieve higher thermal efficiency by compression ignition process. In contrast, dual-fuel combustion involves difficulty to ensure combustion stability at low load condition as low reactivity fuel leads to less auto-ignition tendency. In this study, the effect of swirl control valve (SCV) and high pressure exhaust gas recirculation (HP-EGR) have been investigated to find the optimal operating strategy which can improve the incomplete combustion and combustion stability at low load condition. Total Hydrocarbon (THC) and Carbon Monoxide (CO) emissions can be reduced by applying SCV and HP-EGR. It can be concluded that swirl flow motion and high intake temperature improved the incomplete combustion and combustion stability. However, fast combustion with high swirl ratio and intake temperature increased NOx emission and max pressure rise rate (mPRR). Based on experimental results, the optimization experiment can derive the optimal operating strategy of SCV and HP-EGR at the four operating conditions. At low load conditions, incomplete combustion and low combustion stability is major challenge of dual-fuel combustion. High swirl ratio and HP-EGR can improve combustion stability and thermal efficiency at low load conditions. At high load conditions, satisfying mPRR and NOx emission is important to optimize dual-fuel combustion. Low swirl ratio and LP-EGR to decrease mPRR and NOx emission can be considered at the high load conditions. The experimental results show that applying the SCV and HP-EGR can improve the incomplete combustion and combustion stability on dual-fuel combustion at the low load condition.

강화되는 배기 규제에 대응하기 위하여 반응성이 다른 두 연료를 사용하는 융합 연소에 대한 연구가 진행되고 있다. 융합 연소는 저반응성 연료의 예혼합률을 높여 질소 산화물과 입자상 물질 배출량을 줄일 수 있으며 압축 점화 방식을 통하여 높을 열효율 또한 달성할 수 있다. 하지만 융합 연소는 저반응성 연료의 낮은 자발화 특성으로 인하여 저부하 운전영역에서 연소 안정성을 보장하는데 어려움이 있다. 본 연구에서는 융합 연소의 저부하 운전 영역에서 불안전 연소 및 연소 안정성을 개선할 수 있는 최적은 운전 전략을 찾기 위해 스월 컨트롤 밸브(SCV)와 고압 배기 가스 재순환(HP-EGR)의 영향에 대하여 확인하였다. 스월 컨트롤 밸브와 고압 배기 가스 재순환 시스템을 적용하여 미연탄화수소 및 일산화탄소 배출량을 줄일 수 있었다. 이는 강한 스월 유동과 높은 흡기온도를 통해 불완전 연소 및 연소 안정성의 개선 가능성을 확인하였다. 하지만 스월 비와 흡기 온도가 높은 빠른 연소는 질소 산화물 배출량과 최고 압력 상승률을 증가시키는 경향을 보였다. 위 실험 결과를 바탕으로 최적화 실험을 통하여 네 가지 운전 조건에서 스월 컨트롤 밸브와 고압 배기 가스 재순환의 최적 운전 전략을 도출할 수 있었다. 불완전 연소와 낮은 연소 안정성이 한계인 저부하 운전 조건에서는 강한 스월 유동과 고압 배기 가스 재순환을 통하여 연소 안정성과 열효율을 개선할 수 있는 최적의 운전 전략임을 확인하였다. 최고 압력 상승률과 질소 산화물 배출량을 만족시키는 것이 주요한 고부하 운전 조건에서는 최고 압력 상승률과 질소 산화물 배출량을 줄일 수 있는 약한 스월 유동이나 저압 배기 가스 재순환 운전 전략이 유리함을 알 수 있었다.