Optimization of Ethanol Content in Gasoline-Ethanol Blend Fuel with RON100 for Knock Suppression in Spark Ignition Engine

Abstract

본 논문에서는 리서치옥탄가(Research octane number; RON)가 100으로 고정된 상황에서 가솔린-에탄올 혼합 연료 내 에탄올 함량을 최적화하여 불꽃점화(Spark ignition; SI)엔진에서의 노킹을 억제하는 방법에 관해 논하였다. 이를 위해 에탄올표준연료(Ethanol reference fuel; ERF) 내 에탄올 함량 혼합을 바꾸어가며 총 4가지 테스트연료를 선정한 다음, 급속압축장치를 이용하여 해당연료의 점화지연을 측정하였다. 측정결과를 바탕으로 각 ERF의 노킹특성이 엔진운전조건에 따라 어떻게 변화하는지를 분석하였으며, 이를 통해 임의의 엔진운전조건에서 최적의 에탄올 함량을 도출하는 방법을 제시하였다. 본 연구의 첫 번째 목표는 엔진운전조건에 따라 실린더 내 온도-압력 프로파일이 변화할 시, 서로 다른 ERF연료들의 노킹 특성이 각각 어떻게 변화하는지를 분석하는 것이다. 이를 위해 온도, 압력 및 에탄올 함량 변화에 따른 점화지연을 측정하고, 회귀분석을 통해 이에 대한 경험식을 도출하였다. 그 후, 0-D 2구역 SI엔진 시뮬레이션을 사용하여 다양한 엔진운전조건 변화에 따른 온도-압력 프로파일의 편차를 계산한 뒤, 온도-압력 프로파일의 편차가 점화지연을 어떻게 변화시키는지 정량적으로 분석하였다. 그 결과, 테스트연료의 점화지연은 RON이 동일함에도 불구하고 온도 및 압력에 대해 상이한 의존성을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 특히, 에탄올 함량이 높을 수록 점화지연의 활성화 에너지가 높기 때문에 온도 편차 ΔT/T에 더 민감하며, 압력 편차 ΔP/P에 덜 민감한 것을 발견하였다. 또한, 점화지연에 대한 온도-압력 편차의 영향은 ΔT/T가 (γ-1)/γ ΔP/P와 동일한 경우에만 에탄올 함량과 무관하다는 것이 밝혀졌다. 본 결과는 Kalghatgi의 K 값 원리에서 예측 한 것과 일치하는 것으로 확인되었으며. 결과적으로 본 연구에서 사용한 방법론을 통해 엔진운전조건에 따른 연료 별 노킹 특성에 대한 새로운 관점을 제시할 수 있었다. 상기 결과는 외부 배기 가스 재순환(External exhaust gas recirculation; external-EGR)을 사용하는 조건에서도 적용할 수 있도록 확장되었다. 앞선 방법론과 유사하게, External-EGR이 엔진 내 점화지연에 미치는 영향을 희석 효과 및 온도-압력 프로파일 효과로 나누어 개별적으로 평가하였다. 그 결과, External-EGR의 희석효과는 연료 내 에탄올 함량이 10 %일 때(ERF10) 극대화된다는 사실을 발견하였다. 이 원인을 분석하기 위해 회귀 분석을 진행한 결과, 화염전파 동안 미연소가스에서 방출된 열량과 희석 효과의 크기 사이에 강한 상관관계가 있음을 발견 하였다. 따라서, ERF10가 희석효과에 가장 민감한 이유는 화염전파 동안의 열 방출량이 크기 때문인 것으로 이해된다. 한편, External-EGR에 의한 온도-압력 프로파일 효과는 연료 내 함량이 많을수록 더 크게 나타나는 것을 확인하였으며, 이는 External-EGR에 의한 온도-압력 프로파일의 편차가 항상 ΔT/T>(γ-1)/γ ΔP/P의 조건을 만족시키기 때문인 것을 알 수 있었다. 결과적으로, RON측정조건에서 Externa-EGR이 사용될 시 최적의 에탄올 함량은 10 %로 확인되었다. 이에 더하여, 엔진속도가 변화함에 따라 화염전파 동안의 열 방출량이 줄어드는 상황을 모사하여, 최적의 에탄올 함량이 엔진속도에 따라 0 %에서 10 %까지 변할 수 있다는 점도 알 수 있었다. 엔진운전조건에 따른 최적 에탄올함량에 대한 이해를 바탕으로, 대한민국 내 SI엔진차량군의 노킹억제를 최대화할 수 있는 최적 에탄올 함량을 제시하였다. 이와 관련하여, 2018년 대한민국 자동차판매통계를 이용하여, 각 SI엔진모델 별 판매량을 도출하였다. 그 후, 0-D 2 구역 SI엔진 모델을 사용하여 노킹경계선(Detonation borderline; DBL) 조건에서의 각 SI엔진모델 내 열역학적 상태를 계산하였다. 그 결과, 2018 년 대한민국에서 판매된 SI엔진차량군의 72 %가 ERF30이 최적인 영역에서 운행되는 것을 알 수 있었다. 또한 엔진속도가 빨라질수록 DBL조건에서의 실린더 내 압력이 증가하여 ERF30이 최적인 영역에서 운행되는 SI엔진차량이군이 더 많아지는 것을 확인하였다. 본 연구결과를 확장하여, 미래에 External-EGR이 활발히 사용되는 상황에서 최적의 에탄올함량이 어떻게 변화할 것인지를 분석하였다. 결과적으로, Extern-EGR이 도입됨에 따라 최적의 에탄올 함량은 ERF10에 가까워 질 것이며, 이는 ERF10에서 External-EGR의 희석 효과가 극대화되기 때문인 것으로 밝혀졌다. 그러나 엔진속도가 빨라짐에 따라 희석 효과가 줄어들기 때문에, 고RPM영역에서는 External-EGR에 관계없이 ERF30가 여전히 최적인 것으로 확인되었다. 본 연구는 다양한 엔진운행조건에 따라 연료 별 점화지연 특성을 분석하고 본 결과와 노킹 현상 사이의 상관 관계를 제시한 최초의 실험연구이다. 또한, 본 연구는 임의의 엔진운행조건에서 최적의 에탄올함량을 결정하는 다이어그램을 제안하여, 향후 대한민국에 가솔린-에탄올 혼합연료가 도입될 시 최적에탄올 함량을 결정할 수 있도록 하였다는 점에서도 의의를 지닌다.

This dissertation is devoted to optimize the ethanol content in gasoline-ethanol blend fuel with a fixed RON of 100, for maximizing antiknock characteristics in spark-ignition (SI) engines of light duty fleet in South Korea. To this end, the ethanol reference fuels (ERFs), which is a blend of ethanol and primary reference fuel, with varying ethanol content were chosen as surrogate fuels, then their auto-ignition characteristics were measured on rapid compression machine (RCM). The measurement was manipulated to quantitatively analyze the dependency of knocking characteristics of each ERF on engine operating condition from the aspect of chemical kinetics, whose results will eventually derive the optimal ethanol content with varying engine operating condition. The first objective of this study was to analyze the dependency of knocking characteristic of various ERFs on temperature–pressure profile of engine operating condition. To this end, an empirical correlation of the ignition delay with varying temperature, pressure, and ethanol content was derived based on a regression analysis using ignition delay measurement. Then, the deviation in the temperature–pressure profile owing to changes in various engine operating parameters was calculated using a 0-D two zone SI engine simulation. Based on these results, it was quantified how the individual effects of temperature deviation and pressure deviation affect the ignition delay of each tested fuel. Consequently, it was found that the ignition delay of the tested fuels exhibits different dependencies on the temperature and pressure despite a fixed RON. In particular, the ignition delay of the fuel with the higher ethanol content is more sensitive to the temperature deviation, ΔT/T, owing to its higher activation energy, whereas it is less sensitive to the pressure deviation, ΔP/P. Moreover, it was revealed that the effect of temperature–pressure deviation on the ignition delay is independent of the ethanol content, if and only if ΔT/T is equal to (γ-1)/γ*ΔP/P, where γ is the specific heat ratio of the end gas. The results of this study were verified to be consistent with those predicted from Kalghatgis K value principle. Consequently, both approaches exhibited the same result on the knocking characteristics of various ERFs under varying engine operating conditions. The above results were expanded to cover the engine operating condition with external-exhaust-gas-recirculation (EGR), where the thermodynamic state of end gas is significantly varied with the rate of dilution. Similar as the analysis on the effect of temperature-pressure effect, the total effect of external-EGR on the ignition delay of the simulated end gas was divided into two effects affecting the auto-ignition behavior: dilution effect and temperature–pressure profile effect, then each effect was evaluated separately. As a result, the dilution effect by adding external-EGR was maximized when the fuel is ERF10. With a regression analysis, it was found that there is the correlation between the amount of dilution effect and the amount of pre-heat release in the end gas during a flame propagation; therefore, it is understood that ERF10 is the most sensitive to dilution effect due to its pre-heat release characteristic. On the other hand, ERF with lower ethanol content was more sensitive to temperature–pressure effect by external-EGR on the ignition delay. It is found out that the deviation of temperature–pressure profile by external-EGR always satisfies the condition of ΔT/T>(γ-1)/γ*ΔP/P; therefore, the temperature–pressure effect of the fuel with lower ethanol content is higher than the other fuels, due to its lower sensitivity of ignition delay on temperature. Consequently, ERF10 has the highest external-EGR sensitivity in anti-knock behavior at RON test condition, and it is further discussed that the optimum ethanol content for external-EGR strategy could vary from ERF0 to ERF10 according to engine speed. Based on the understanding of the effect of engine operating condition on the knocking characteristics of various ERFs, the ethanol content was optimized for maximizing knock suppression of light duty fleet in South Korea. In this regard, the sales volumes of each SI engine models was achieved from the statistics for model year 2018 in South Korea, which can be found from the database of KAMA. Then, the thermodynamic state of each SI engine design at detonation borderline (DBL) condition with varying engine speed were calculated using 0-D two-zone SI engine model. As a result, it was found that 72 % of SI engines sold for model year 2018 operates on the thermodynamic state where ERF30 is optimal for knock suppression. Moreover, as engine speed get faster, in-cylinder pressure at DBL condition increases, and more SI engines becomes operated on the thermodynamic state where ERF30 is optimal. The analysis was expanded to how the optimal ethanol content changes on the scenario that external-EGR is widely used in the future. Consequently, it was found that the introduction of external-EGR will makes the optimal ethanol content to be ERF10, which is the most sensitive to dilution effect of external-EGR. However, as the engine speed gets faster, the priority of ERF10 on dilution effect was surpassed by the priority of ERF30 on pressure effect, thus ERF30 still be optimal at the faster engine speed regardless of external-EGR. This is the first experimental study to analyze the effect of engine operating condition on the ignition delay of various ERFs and develop quantitative correlations between ignition delay and knocking phenomena, reflecting operating conditions of modern engines. Moreover, this study suggested the useful diagram determining the optimal ethanol content at an arbitrary engine operating condition, which can be manipulated for government to determine the optimal ethanol content in gasoline-ethanol blend fuel suitable for the countries.