Extension of Low Temperature Combustion Regime by Turbocharging Using Diesel and Biodiesel Fuels

Due to its oxygen (O) content, biodiesel (BD) is advantageous in that it lowers PM emissions in CI engines. Therefore, BD is considered one of the best candidates for low temperature combustion (LTC) operation because its use can extend the regime for simultaneous reduction of PM and $NO_x$. Thus, in this study, LTC operation was realized using BD and diesel with a 5~7% $O_2$ fraction. Engine test results show that the use of BD increased the efficiency and reduced emissions such as PM, THC, and CO; furthermore, IMEP reduced by 10~12% owing to the lower LHV of the fuel. In particular, smoke was suppressed by up to 90% because O atoms in the BD enhanced the soot oxidation reaction. To compensate the IMEP loss, turbocharging (TC) was then tested, and the results showed that the power output increased and PM was reduced further. Moreover, TC in BD engine operation allowed a similar level of reduction in both $NO_x$ and PM at 11~12% $O_2$ fraction, suggesting that there is a potential to widen the operating range by the combination of TC and BD.

과급에 의한 디젤 및 바이오디젤의 저온연소 운전영역 확장에 관한 연구

바이오디젤 연료는 그 안에 포함된 산소성분으로 인해 압축착화엔진에 사용했을 때 일반디젤 연료보다 더 적은 입자상 물질을 배출한다. 따라서 이 연료를 저온연소 기법에 적용하는 경우 보다 효과적으로 $NO_x$-PM을 동시 저감할 수 있고 그로부터 저온연소 운전영역의 확장을 기대할 수 있다. 이번 연구에서는 일반디젤과 대두유 기반의 바이오디젤 연료를 이용하여 산소농도 5~7%의 Dilution controlled regime에서 저온연소 운전을 구현하고 성능 및 배기 특성을 조사하였다. 엔진 실험 결과로부터 바이오디젤 연료의 경우 디젤에 비해 약 14% 낮은 발열량에도 불구하고 높은 세탄가 및 함산소 성질로 인한 연소효율 증가로 동일 연료량 분사 시 이보다 더 낮은 약 10~12% 정도의 출력이 감소함을 볼 수 있었다. 배기 측면에서도 바이오디젤 내 산소원자가 입자상물질의 산화반응을 촉진하여 최대 90%의 smoke 저감이 가능함을 관찰하였다. 또한 엔진 과급 실험으로부터 과급을 사용하여 저온연소 및 바이오디젤 사용으로 인한 출력 저하를 개선할 수 있음을 확인하였으며 과급과 바이오디젤 연료의 동시 적용을 통해 산소농도 11~12%의 EGR 가스 투입으로도 저온연소에 상응하는 PM-$NO_x$ 동시 저감이 가능함을 보여주었다. 이런 결과는 결국 이와 같은 과급 및 바이오디젤 연료의 적절한 조합으로부터 엔진 출력 향상과 배기특성 개선이 동시에 달성할 수 있고 이로부터 운전영역의 확대가 가능함을 의미한다.