The Study of Emission Redcution using a Close Post Injection Strategy with a Modified Nozzle and Piston Bowl Geometry for a Heavy EGR Rate

Abstract

As EURO-6 regulations will be enforced in 2014, the reduction of NOx emission while maintaining low PM emission levels becomes an important topic in current diesel engine research. EGR is the most effective way to reduce the NOx emission because EGR has a dilution and thermal effect as a means to reduce the oxygen concentration and combustion temperature. Although EGR is useful in reducing the NOx emission, it suffers from a higher level of CO and THC emissions, which indicates a low combustion efficiency and poor fuel consumption. Therefore, in this research, a close post injection strategy, which is implemented using main injection and post injection, is introduced to improve combustion efficiency and to reduce PM emission under a high EGR rate. In addition, a modified hardware configuration using a double-row nozzle and two-staged piston bowl geometry is adapted to improve the effect of the close post injection. As a result, the CO, THC and PM emissions were reduced up to half of what is seen in conventional cases, while holding the NOx emission level low due to a synergistic effect of the hardware combination and the close post injection strategy for diesel combustion with a large EGR rate.

최근 배기 규제가 강화됨에 따라 이에 대응하기 위한 배기저감 기술들이 개발되고 있다. 특히 2014년부터 시행되는 EURO-6 배기 규제에서는 질소산화물의 배출을 현행보다 55 % 더 저감해야 하므로, 엔진 자체에서 나오는 배기를 줄일 신연소 기술의 중요성이 대두되고 있다. 이에 질소산화물을 효과적으로 줄이기 위한 기술 중 하나가 배기재순환 시스템이다. 배기재순환에 의한 열적 효과와 희석 효과에 의해 질소산화물의 배출이 감소된다. 그러나 다량의 배기재순환을 이용하여 질소산화물을 감소시킬 수 있는 반면, 낮은 연소 온도와 희박한 산소 농도에 의해 불완전 연소에 의한 일산화탄소와 미연탄화수소의 발생이 증가하고, 입자상 물질의 발생도 크게 증가하는 단점을 지니고 있다. 따라서 본 연구에서는 다량의 배기재순환을 이용하여 질소산화물의 생성을 억제하는 한편, Close post injection 전략을 이용하여 연소효율을 높이고 입자상 물질의 배출을 감소시키는 것을 목표로 한다. 본 Close post injection 전략은 주 분사와 포스트분사 사이의 간격을 최소한으로 좁혀 분할 분사하는 전략으로써, 근접 포스트분사에 의해 예혼합 기간을 늘리고, 미연소 물질의 산화작용을 증가시킨다. 또한 연소실 형상의 수정을 통해 Close post injection 전략의 효과를 극대화하고, 배기저감을 꾀한다. 이에 따라 Close post injection 전략과 변경된 연소실 형상과 노즐을 통해, 다량의 배기재순환을 사용하는 상황에서 연소 효율을 증대시키고 입자상 물질을 감소시켜 강화된 배기 규제에 대응할 수 있는 연소 전략을 제시한다.