Effects of Exhaust Gas Recirculation on Power and Thermal Efficiency of Reactivity Controlled Compression Ignition in Different Load Conditions with a 6-L Engine

Reactivity controlled compression ignition (RCCI) combustion is one of dual-fuel combustion systems which can be constructed by early diesel injection during the compression stroke to improve premixing between diesel and air. As a result, RCCI combustion promises low nitrogen oxides (NOx) and smoke emissions comparing to those of general dual-fuel combustion. For this combustion system, to meet the intensified emission regulations without emission after-treatment systems, exhaust gas recirculation (EGR) is necessary to reduce combustion temperature with lean premixed mixture condition. However, since EGR is supplied from the front of turbocharger system, intake pressure and the amount of fresh air supplementation are decreased as increasing EGR rate. For this reason, the effect of various EGR rates on the brake power and thermal efficiency of natural gas/diesel RCCI combustion under two different operating conditions in a 6 L compression ignition engine. Varying EGR rate would influence on the combustion characteristic and boosting condition simultaneously. For the 1,200/29 kW and 1,800 rpm/(lower than) 90 kW conditions, NOx and smoke emissions were controlled lower than the emission regulation of 'Tier-4 final' and the maximum in-cylinder pressure was 160 bar for the indurance of engine system. The results showed that under 1,200 rpm/29 kW condition, there were no changes in brake power and thermal efficiency. On the other hand, under 1,800 rpm condition, brake power and thermal efficieny were decreased from 90 to 65 kW and from 37 to 33 % respectively, because of deceasing intake pressure (from 2.3 to 1.8 bar). Therefore, it is better to supply EGR from the rear of compressor, i.e. low pressure EGR (LP-EGR) system, comparing to high pressure EGR (HP-EGR) for the improvement of RCCI power and thermal efficiency.

6 L급 압축착화 기관에서 천연가스-디젤 반응성 조정 연소 시 부하에 따른 배기 재순환율이 출력 및 열효율에 미치는 영향 분석

반응성 조정 압축착화 (Reactivity Controlled Compression Ignition, RCCI) 연소는 착화원인 디젤 연료를 압축 행정 중 이른 시점에 미리 분사하여, 공기와 미리 섞여 들어온 천연가스 연료뿐만 아니라 디젤 연료 자체도 미리 연소 전에 공기와 혼합하여 착화를 이루는 전체 예혼합 혼소(Dual-fuel combustion) 방식의 일종이다. 따라서 기존의 혼소 방식 중에서도 RCCI 연소는 질소산화물(Nitrogen Oxides, NOx) 및 매연(Smoke)을 획기적으로 줄일 수 있고, 또한 높은 열효율을 유지할 수 있는 장점을 지니고 있다. 특히 연소 중 NOx의 발생은 연소 온도와 국부적인 당량비에 관계된 상황에서 당량비를 낮추기 위해 예혼합율을 높이는 시도뿐만 아니라, 연소 온도 감소를 위한 배기재순환(Exhuast Gas Recirculation, EGR)을 적용하는 것이 효과적이다. 그러나 배기재순환은 대개의 경우 터보차저의 압축기 전단에서 추출하는 HP-EGR(High Pressure-EGR) 방식을 적용하는 경우가 많으므로, EGR율을 높일 경우 터빈으로 공급되는 배기의 양이 줄어 배기 엔탈피 감소로 인해 과급이 줄어드는 악영향을 초래할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 서로 다른 두 운전조건에서 천연가스-디젤 RCCI 연소를 시행할 때, EGR율 변화에 따른 엔진 시스템의 제동 출력 및 열효율의 변화에 대하여 실험적으로 분석하였다. 실험 조건은 1,200 rpm/29 kW 수준의 조건과 1,800 rpm/90 kW 이하 조건에서 수행하였으며 NOx와 smoke의 배출조건은 Tier-4 final 배기규제를 기준으로 삼았으며 엔진의 내구성을 고려하여 최고 연소압력은 160 bar를 넘지 않게 제어하였다. 그 결과 1,200 rpm/29 kW 조건에서는 EGR율을 4에서 30 %로 높이더라도 출력 및 열효율의 변화는 미미하였으나, 1,800 rpm 조건에서는 EGR율을 4에서 28 %로 증가할 경우 최대 과급 압력이 2.3에서 1.8 bar로, 최고 출력은 90에서 65 kW로, 열효율은 37에서 33 %로 감소함을 알 수 있었다. 따라서 효과적인 EGR공급을 위해서는 현재 압축기 전단에서 추출하는 EGR을 후단에서 추출하는 LP-EGR (Low Pressure EGR) 시스템이 효과적일 수 있음을 시사한다.