Understanding the spray combustion of low octane fuel under partially premixed condition in constant volume chamber - Conceptual model and inner stochastic behaviors

Abstract

압축 착화 엔진(CI engine)은 연소 특성상 높은 열효율을 가지고 있지만, 입자상 물질(soot)과 질소산화물(NOx)을 많이 배출하는 단점을 가지고 있다. 현재 많은 국가들에서는 자동차 배기가스에 의한 환경 문제를 줄이기 위해 엔진에서 발생하는 오염물질의 배출을 제한하는 규제를 강화하고 있다. 이러한 추세에 맞추어 압축 착화 엔진에서 입자상 물질을 줄이지 위한 많은 연구가 이루어지고 있는데 그 중 하나가 부분 예혼합 압축 착화(PPCI: Partially premixed compression ignition) 방식이다. 압축 착화 엔진에서 입자상 물질은 실린더로 직접 분사된 연료와 내부 공기가 충분히 혼합되지 못한 상태에서 생성되기 때문에 입자상 물질의 생성을 억제하기 위해서는 연소 전까지 공기와 연료의 충분한 혼합을 유도하는 것이 중요하다. 이를 위한 연소 전략 중에 하나인 PPCI는 물리적인 제어 방식을 통해 당량비가 2 이하인 혼합기의 비율을 높이는 것을 목표로 한다. 다양한 연료들 중에서 가솔린 계열의 연료는 점화 지연이 길기 때문에 연소 시작 전까지 공기와 연료가 혼합될 수 있는 충분한 시간을 보장한다. 이러한 가솔린 계열의 연료들 중에서 옥탄가가 70 전후인 저옥탄 연료의 경우, 낮은 부하, 높은 RPM에서 고옥탄 가솔린보다 연소 안정성이 뛰어나기 때문에 주목을 받고 있다. 현재 저옥탄 연료를 적용한 압축 착화 엔진에 대한 연구들이 이루어지고 있지만, 기존의 디젤 엔진을 그대로 이용한 것이 대부분이다. 압축 착화 엔진에서의 연료 스프레이 특성은 엔진의 효율, 배기 특성, 구조를 결정하는 주요 변수이지만, 저옥탄 연료의 경우, 이러한 핵심 정보들에 대한 연구가 미미하다. 따라서 저옥탄 연료를 이용한 최적화된 PPCI 엔진을 개발하기 위한 선행 단계로서 가솔린의 스프레이에 대한 연구가 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 PRF70 연료를 이용하여 정적연소실에서 저옥탄 연료의 스프레이 연소를 모사하고 계측하는 것을 목표로 한다. 우선, 다양한 조건에서의 연소 모드를 비교한 결과, 기존의 연소 모델로 설명할 수 없는 새로운 연소 모드가 존재함을 확인하였고, 이를 Partially premixed combustion zone이라고 명명하였다. 이 조건은 기존의 LTC 연소보다는 분사 기간이 길고, 일반적인 디젤 연소보다 연소 시작 지점이 다운 스트림에 위치하고 있다는 것이 가장 큰 차이점이다. 기존의 디젤 스프레이는 연소는 강한 운동량으로 인해 화염이 앞으로만 전파되는 발달 형상을 보이지만, 이 새로운 연소 모드에서는 저압 분사로 인해 다운 스트림에서의 운동량이 작기 때문에 처음 연소가 시작한 지점에서 모든 방향으로 예혼합 화염 영역의 확장이 발생한다. 화염 영역이 확장이 되면서 스프레이 상류의 특정 지점을 통과하게 되면 최종적으로 강한 발광 신호와 함께 입자상 물질이 생성된다. 반복 실험을 통해 같은 조건에서도 입자상 물질의 발광 세기에 큰 편차가 있음이 확인되었고, 이는 연소 시작 지점의 편차에 기인한 것으로 밝혀졌다. 이러한 확률적인 거동 현상을 이해하기 위해서 시뮬레이션을 통해 스프레이 내부의 열역학적 특성에 대한 정보를 계산하였다. 시뮬레이션 결과, 다운 스트림에서 발생한 화염이 상류의 당량비가 2인 지점을 통과하는지 여부가 입자상 물질의 생성을 결정하며, 인젝터 앞쪽의 온도 편차가 확률적인 거동을 결정하는 중요 변수임을 알 수 있었다. 만약 스프레이 상류의 배경 온도를 일정하게 제어할 수 있다면, 초기 연소 지점 또한 예측, 제어가 가능할 것이며, 이를 통해 입자상 물질의 생성을 줄일 수 있을 것으로 예상된다. 일반적인 LTC 운전에서는 추가적인 입자상 물질의 생성을 막기 위해 분사 기간을 짧게 가져가는 것이 일반적이지만, 본 연구를 통해서 분사 기간이 길더라도 입자상 물질의 생성을 제한하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다. 본 연구에서는 기존에 알려진 디젤 스프레이 연소와는 다른 저옥탄 연료의 새로운 연소 모드를 확인하였고, 광학계측법을 통해 화염의 발달 과정을 이해하였다. 점화 지연이 긴 연료를 저압으로 분사하였을 경우, 다운 스트림에서의 예혼합 화염이 입자상 물질을 생성을 결정하는 주요 메커니즘이며, 인젝터 앞 쪽, 즉, 스프레이 상류의 온도 구배에 큰 영향을 받는다. 온도 제어를 통해 초기 점화 지점을 충분히 다운 스트림 영역으로 제한할 수 있다면, 연소 기간 동안 상류로의 화염 영역의 확장을 예방하여 입자상 물질의 생성을 줄일 수 있다.

Compression ignition (CI) engines are widely used in transportation field, especially for high duty vehicles, because of their high thermal efficiency and torque. However, they have emission problems with soot (particulate matter) and NOx (nitrogen oxide). Many countries make effort to reduce the environmental problems resulted by vehicle emissions by strengthening regulation. Among the several attempts to satisfy the new regulation, partially premixed compression ignition (PPCI) is being given attention. In CI type engines, fuel-rich zone during combustion duration is cause of soot production. Therefore, to reduce the soot production, it is important to lead to more mixing of direct injected fuel and ambient air to decrease local equivalence ratio before start of combustion (SOC). In PPCI strategy, by adjusting injection timing or adopting alternative fuels, it is possible to induces enough mixing time, and then makes more premixed charge before SOC. Among the various commercial fuels, gasoline-like fuels having high resistance to auto-ignition have advantages of mixing because they have longer ignition delay than conventional diesel fuel. Especially, low octane fuels having 70 – 80 octane numbers are more effective than high octane gasolines in low load, high RPM and high EGR conditions. To apply low octane fuels and develop optimized CI engines, it is necessary to understand fundamental characteristics of fuel spray and combustion, because they are dominant factors to determine efficiency, emissions, and geometry of CI engines. Recently, although there are several works to demonstrate the superiority of low octane fuel in CI engines, those works are conducted with conventional diesel engine with little optimization. Thus, there is not enough physical information and spray combustion model of low octane fuel yet. In this study, to understand the spray combustion of low octane fuel in PPCI condition as a precedent step to develop new type of CI engine, fundamental researches were conduct on fuel spray. Instead of commercial fuel, spray combustion of primary reference fuel 70 (surrogate fuel for low octane fuel) was analyzed empirically in constant volume chamber by high speed imaging including filtered natural luminosity and shadowgraph. Firstly, from the comparison of combustion modes in operating regime, it is verified that there exists new combustion mode. This new combustion mode is designated as partially premixed combustion zone. This new combustion mode has longer injection duration than conventional low temperature combustion (LTC) model and combustion occurs at more downstream than quasi-steady diesel combustion model. As different with conventional diesel combustion where flame goes forward with high momentum, this mode shows expansion of combustion zone to all radial direction in downstream region where momentum is low enough. When combustion zone expands and finally passes the certain upstream location, soot with intensive luminosity begins to appear. In some cases, there is little soot or no radiation signal during combustion duration even at same operating condition. From the stochastic analysis, it is verified that whether soot intensity is high or low comes from variation in initial combustion location. To understand these stochastic behaviors, validated 1-D computational model was used to calculate the thermodynamic properties of mixture in spray. From the combination of experimental and computational results, it is verified that case by case variation in temperature near the injector tip has significant effects on first ignition location. Namely, as temperature near the tip is high, combustion location becomes close to injector tip and then chance of intensive soot production becomes high. If it is possible to control temperature in upstream region in reasonable range, it is also possible to predict initial combustion. Additionally, if combustion zone is restricted to downstream enough not to expand to certain upstream location, soot production can be reduced. It general, to reduce the soot during combustion duration, short injection duration is recommended, but it is shown that it is possible to limit the soot production even with extreme long injection duration. In this work, it is confirmed that it is possible to achieve distinctive combustion mode with low octane fuel. When low octane fuel is injected with low injection pressure and long injection duration, expansion of initial combustion zone in downstream is dominant mechanism to determine soot production. In this case, temperature in front of injector tip has significant effect on initial combustion location and resultant soot production. If temperature is well regulated and combustion zone can be restricted to downstream, it prevents reaction zone from producing soot in upstream.