Effect of the Compression Ratio and Piston Shape in Natural-Gas/Diesel Dual-Fuel PCI Combustion

Abstract

최근 수송 부문의 배기배출물 규제가 강화됨과 더불어 탄소중립이라는 전세계적인 흐름에 따라 기존 화석연료에 의존하는 파워트레인의 형태에 변화가 일어나며 친환경 파워트레인에 대한 수요가 급증하고 있다. 이에 대해, 전기자동차(EV)와 수소전기자동차(FCEV)가 차세대 자동차로 떠오르고 있으나 Tank-to-Wheel에 기반한 배기규제 방식은 새로운 파워트레인을 탑재한 자동차들에 적용하기 부적절하다는 논란이 있다. 따라서 현 상황에 적절한 파워트레인 배기배출물의 전과정 평가를 하기 위해 Life Cycle Assessment(LCA 분석) 방법이 제시되었으며 이를 통해 현재 자동차 판매량의 대부분을 차지하는 내연기관 자동차에서도 배기배출물을 줄이기 위한 연구 또한 진행되어야 한다.

내연 기관에서 압축착화 방식을 사용하는 디젤 엔진은 전기점화 방식의 가솔린 엔진과 비교하여 높은 열효율을 자랑하지만 폭스바겐 디젤 배출가스 조작 파문 이후로 운전 시험 모드인 WLTP와 실도로 주행 배기 배출물 시험인 RDE가 도입되는 등 내연 기관에 대한 배기규제는 강화되고 있으며, 향후 더욱 엄격해질 배기 규제에 대응하기 위해 신연소 기술들이 연구되어 왔다. 신연소 기술 중 하나인 융합연소는 반응성이 다른 두 가지 연료를 사용함으로써 연료 예혼합율을 높여 질소산화물과 입자상 물질 저감과 동시에 압축 착화 연소의 장점인 높은 열효율을 유지할 수 있다. 이전의 융합연소 엔진 연구는 기존 디젤 연소 엔진의 피스톤과 압축비를 사용하는 경향이 있다. 그러나 융합연소 기관의 안정적인 운전을 위해서는 천연가스/디젤 융합연소에 적합한 압축비와 피스톤 형상을 연구할 필요가 있다. 따라서, 본 연구에서는 승용 및 농기계 디젤 엔진을 천연가스/디젤 융합연소 엔진으로 개조하여 최적화된 압축비와 피스톤 형상을 탐구하였다. 그리고 융합연소에 최적화된 압축비와 피스톤 형상을 장착한 사양으로 기존 디젤 엔진의 배기 배출물 및 열효율 비교를 진행하였다. 또한, 탄소 배출량 저감이라는 세계적인 흐름에서, 기존 디젤 연소 엔진과 최적화된 천연가스/디젤 융합연소 엔진의 배기배출물이 지구 온난화에 미치는 영향도를 지구온난화지수를 통해 비교하였다. 첫 번째 연구에서는 천연가스/디젤 융합연소 엔진에서 최적의 압축비를 탐구하였다. 가솔린/디젤 융합연소에서는 고 압축비를 사용하였을 때 가솔린 연료의 자발화 현상으로 인해 실린더 내부에서 최고 압력 상승률이 높아져 상대적으로 낮은 압축비(14)가 사용되었다. 반면에, 천연가스를 저반응성 연료로 사용된 이 연구에서는 천연가스의 낮은 자발화 특성으로 인해 비교적 압축비가 높은 16에서 우세한 결과를 보였다. 천연가스/디젤 융합연소 엔진은 고압축비에서 높은 열효율을 내는 동시에 디젤 분사시기의 진각 및 EGR을 사용하여 융합연소 엔진의 단점인 높은 실린더 내부 최고 압력 상승률을 제어할 수 있었으며, 낮은 압축비(14)에서보다 천연가스 대체율을 높임으로써 탄소배출물인 이산화탄소, 일산화탄소, 그리고 탄화수소의 배출량 또한 저감시킬 수 있었다. 두 번째 연구에서는 최적의 피스톤 형상을 탐구하였다. 기존 디젤 연소 엔진에 사용되는 오메가 형상의 피스톤은 압축 말기에 피스톤 보울 내부에서 생성되는 스월 유동을 생성한다. 이로 인해, 빠른 연소 속도와 더불어 일산화탄소 및 탄화수소의 배출량을 줄일 수 있다는 장점이 있지만 높은 최고 압력 상승률과 열전달 손실이 수반되었다. 반면에, bathtub 형상의 피스톤에서는 줄어든 피스톤 보울의 단면적으로 인해 연소실 벽면으로 소실되는 열전달 손실을 줄일 수 있었으며, 열전달 손실량의 저감은 열효율을 향상으로 이어졌다. 따라서, bathtub 피스톤은 천연가스/디젤 융합연소에서 열효율 향상 및 배기물질의 저감시킬 수 있는 것을 확인하였다. 마지막으로, 두 연소방식의 엔진에서 배기배출물이 지구온난화에 미치는 영향도를 지구온난화지수(GWP) 비교를 통해 확인하였다. 최종 형상의 천연가스/디젤 융합연소 엔진은 기존 디젤엔진 대비 지구온난화지수가 최대 13%까지 저감되었다.

Recently, along with the strengthening of exhaust emission regulations in the transport sector, changes in the form of powertrains that have been dependent on fossil fuels have occurred in response to the global trend of carbon neutrality, and the demand for eco-friendly powertrains is rapidly increasing. Therefore, many internal combustion engine researchers spur on developing a new combustion concept that would decrease emissions while improving thermal efficiency. As one of them, dual-fuel combustion uses two different types of fuels with different reactivity is emerged as a next-generation internal combustion engine. The dual-fuel PCI combustion enables reducing nitrogen oxides and particulate matter while maintaining high thermal efficiency by increasing the premixed rate of fuels. Previous dual-fuel combustion engine studies tended to utilize pistons and compression ratios of conventional diesel combustion engines. However, for the improved operation of the dual-fuel combustion engine, it is necessary to find the compression ratio and piston shape suitable for natural gas (NG)/diesel dual-fuel PCI combustion. Therefore, in this study, the variation of compression ratio and piston shape are tried to provide the optimal hardware setting for NG/diesel dual-fuel PCI combustion by converting commercial diesel engines into NG/diesel dual-fuel PCI combustion engines. Then, the compression ratio and piston shape were determined to be suitable for the NG/diesel dual-fuel PCI combustion. Exhaust emissions and thermal efficiency were also compared to that of the conventional diesel combustion (CDC) engine. In addition to the comparison of each emission between CDC and dual-fuel engines, the impact of exhaust emissions on global warming was investigated to compare the overall impact of engine-out emissions from the viewpoint of the global trend of carbon emission reduction. For the first experiment, the effects of the compression ratio were clarified in the NG/diesel dual-fuel combustion engine. In this study, a relatively high compression ratio of 16 outperformed 14 in terms of not only thermal efficiency but also controllable maximum pressure rise rate inside the cylinder. Also, increased the NG substitution ratio compared to the lower compression ratio (14) via reduction of carbon dioxide, carbon monoxide, and hydrocarbon emissions. In the second part, the effects of the piston shape were identified in the NG/diesel dual-fuel combustion engine. Omega-shaped pistons used in conventional diesel combustion engines have the advantage of reducing unburned products along with a fast combustion speed due to the swirl flow generated in the piston bowl at the end of the compression stroke, but high maximum pressure rise rates and heat transfer losses were accompanied. In the bathtub piston, it was possible to improve the thermal efficiency by reducing the heat transfer loss due to the reduced surface area of the piston bowl. Finally, in the final version with the compression ratio of 16 and bathtub piston, the overall impact of the engine-out emissions in GWP evaluation was compared to CDC. As a result, it was found that the emission impact of NG/diesel dual-fuel PCI combustion on global warming was reduced by up to 13% than CDC. Therefore, this study can contribute to future NG/diesel dual-fuel PCI combustion research toward clean combustion.