A study on performance enhancement of port fueled small internal combustion engine with optimized pre-chamber design for passive turbulent jet ignition based on liquid ammonia = 액체 암모니아 기반 패시브 난류 제트 점화 예연소실 설계를 통한 포트 분사 소형 내연기관의 성능 향상에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

탄소 중립 정책 달성을 위해 암모니아는 탄소 배출이 없는 청정 연료로서 주목받고 있으나, 낮은 화염 전파 속도, 높은 최소 점화 에너지 요구, 좁은 가 연 범위 등의 근본적 연소 제약으로 인해 소형 엔진 적용이 극히 제한적이다. 특히 소형 엔진은 대형 엔진에 비해 표면적 대 체적 비율이 높아 벽면 열손실이 크고, 충전 운동 에너지가 부족하여 암모니아 연소 불안정성이 극대화된다. 본 연구는 이러한 과제를 극복하기 위해 2기통 800cc 포트 분사 소형 가솔린 엔진 을 암모니아 포트 분사 엔진으로 개조하교, 패시브 난류 제트 점화 기술을 적용 하여 암모니아 연소 특성을 획기적으로 개선하는 방안을 제시했다. 기초 연구 단계에서는 고정된 실린더 내 조건 하에서 예연소실의 설계 최적 화를 수행했다. 당량비 분석을 통해 Φ=1.1이 실린더 최대 온도 2071 K, 최대 열 방출률 8264 J/sec을 달성하는 최적 조건임을 규명했으며, OFAT 및 Full Factorial 설계 기법을 적용하여 오리피스 지름, 각도, 개수 등의 최적값을 도 출했다. 단일 오리피스 분석에서 지름 2.5mm에서 3.0mm이 최적 범위였으며, 오 리피스 각도 60°에서 피스톤과 실린더 벽 양쪽으로의 동시 화염 전파로 인해 다중 점화 효과가 극대화됨을 확인했다. 최적 설계인 직경 2.0mm, 6개 오리피스, 각도 60°구성은 최대 온도 2146 K, 최대 열방출률 24627 J/sec을 달성했으며, SI 암모니아 대비 약 3배의 열방출률 향상을 나타냈다. 다중 오리피스의 상승 효과를 통해 단일 오리피스에서 화염 소멸로 인해 불가능했던 소형 지름 조건에 서도 안정적인 화염 분사를 실현했으며, 6개 오리피스에서 동시에 분사된 고온 화염 제트들이 주실린더 내에서 균일하게 분포하여 연소 효율을 극대화했다. 응용 연구 단계에서는 최적화된 예연소실을 엔진 사이클에 적용하여 1600rpm에서 3000rpm의 전 회전수 범위에서 전체 성능을 평가했다. 전부하 조건 에서 점화시점이 -70°aTDC의 극단적 범위에서 -20°aTDC의 현실적 범위로 개선 되었고, 실린더 최대 압력은 약 50bar에서 76.7~83.7 bar로 증가했으며, 연소 지속시간은 1600rpm에서 64.3%, 2000rpm에서 61.0%, 2500rpm에서 55.3%, 3000rpm 에서 53.6%로 전 회전수 범위에서 50% 이상 단축되었다. 난류 강도 분석에서 PTJI 암모니아 엔진의 실린더 내 난류 운동 에너지는 SI 암모니아의 14.6 m2/s2 에서 78.3 m2/s2으로 약 5.4배 증가했으며, 이는 SI 가솔린의 55.4 m2/s2과 비교 하면 약 1.4배 수준이다. 3000rpm에서는 예연소실 내에서 약 173.4 m2/s2의 극도 로 높은 난류 운동 에너지가 생성되어 주실린더로 전달되었으며, 이러한 고 난 류 강도는 화염 주름 확대, 난류 확산성 증진, 반응 속도 가속화를 통해 암모니 아의 낮은 화염 전파 속도를 극복하는 핵심 메커니즘으로 작용했다. 배출 특성에서는 미연소 암모니아와 NOx 간의 중요한 트레이드오프 관계가 관찰되었다. SI 암모니아 엔진은 불완전 연소로 인해 NOx는 약 24 ppm에서 95 ppm을 기록했으나, 미연소 암모니아 슬립은 약 7,583 ppm에서 29,998 ppm을 배 출했다. 반면 PTJI 암모니아 엔진은 미연소 암모니아를 약 98.6% 감소시켰으나, NOx는 약 88.4% 증가하여 208~401 ppm 수준으로 상승했다. 이는 산화로 인한 고 온 형성으로, 선택적 촉매 환원 등의 후처리 기술로 효과적으로 제어 가능하다. 부분부하 평가 결과, 중부하 영역에서 약 577 g/kWh 이하의 최적 연비를 달성했 다. 반면 저부하 및 고속 조건에서는 실린더 내 난류 강도 저하와 연소 시간 제 약으로 인한 성능 제약이 규명되었으며, 운전 범위 맵은 700 g/kWh이 하의 양호 한 연비 영역이 1600rpm에서 2000rpm의 중부하 범위에 제한됨을 보여준다. 결론적으로 본 연구는 패시브 난류 제트 점화 다중 오리피스 기술이 암모니 아의 낮은 화염 전파 속도와 최소 점화 에너지라는 연소 제약을 효과적으로 극 복하여 소형 엔진에서의 실용화를 가능하게 함을 정량적으로 입증했다. PTJI 암 모니아 엔진은 불안정한 SI 암모니아 대비 현실적 점화시점, 향상된 출력 성능, 50% 이상의 연소 지속시간 단축, 98% 이상의 미연소 암모니아 슬립 감소를 동시 에 달성했으며, 이는 탄소 중립 에너지 전환에 있어 소형 엔진의 실질적 해결책 을 제시한다. 도출된 운전 범위와 오리피스 최적 설계는 향후 암모니아 엔진 개 발의 기초 자료로 활용되며, 특히 중부하 최적화 전략과 저부하 및 고속 조건의 개선 방향을 제시한다. 본 연구 결과는 탄소 중립의 소형 엔진 탈탄소화 전략에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다. Keywords: 난류제트점화; 소형 내연기관; 암모니아; 예연소실; 연소 안정성; 오리 피스 설계; 점화지연; 화염 전파;

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Ammonia has attracted significant attention as a clean fuel with zero carbon emissions for achieving carbon neutrality targets, however, its application to small engines is severely limited due to fundamental combustion constraints including extremely low flame propagation speed, high minimum ignition energy, and narrow flammability range. To overcome these challenges, this research converted an 800cc two-cylinder small gasoline engine to liquid ammonia port-injection engine and applied Passive Turbulent Jet Ignition technology to dramatically improve ammonia combustion characteristics. In the Basic Research stage, pre-chamber geometric design optimization was performed under fixed in-cylinder conditions. Through equivalence ratio analysis, Φ = 1.1 was identified as optimal condition achieving cylinder peak temperature of 2071 K and maximum heat release rate of 8264 J/sec, and optimal values of orifice diameter, angle, and number were derived by applying One Factor At a Time and Full Factorial Design methodologies. Single- orifice analysis identified diameter range of 2.5 mm to 3.0 mm as optimal, and at 60° orifice angle, multi-point ignition effect was maximized through simultaneous flame propagation toward both piston bowl and cylinder wall. The optimal design of 2.0 mm diameter, 6 orifices, 60° angle achieved peak temperature of 2146 K and maximum heat release rate of 24627 J/sec, representing approximately 3 times per-cycle heat release rate improvement compared to SI ammonia. Notably, through synergistic effects of multi-orifice configuration, stable flame ejection was realized even at small diameter conditions that were impossible with single- orifice design due to flame quenching, and hot flame jets discharged simultaneously from six orifices distributed uniformly within main cylinder, maximizing combustion efficiency. In the Application Research stage, the optimized pre-chamber was applied to engine cycle conditions and overall performance was evaluated across entire engine speed range from 1600 rpm to 3000 rpm. Under full-load conditions, spark timing improved from extreme range of −70° aTDC to realistic range of −20° aTDC, maximum cylinder pressure increased from approximately 50 bar to 76.7~83.7 bar, and combustion duration was shortened by above 50% across entire engine speed range: 64.3% reduction at 1600 rpm, 61.0% reduction at 2000 rpm, 55.3% reduction at 2500 rpm, and 53.6% reduction at 3000 rpm. In turbulence intensity analysis, in-cylinder turbulent kinetic energy of PTJI ammonia engine increased from SI ammonia's 14.6 m²/s² to 78.3 m²/s², approximately 5.4 times higher and approximately 1.4 times greater compared to SI gasoline's 55.4 m²/s². At high-speed condition of 3000 rpm, extremely high turbulent kinetic energy of approximately 173.4 m²/s² was generated in pre- chamber and transferred to main cylinder, serving as the core mechanism for overcoming ammonia's extremely low flame propagation speed through expanding flame surface area, enhancing turbulent diffusivity, and accelerating reaction rates. Emission characteristics revealed important trade-off relationship between unburned ammonia and NOx. SI ammonia engine recorded extremely low NOx approximately 24~95 ppm due to incomplete combustion, but discharged extremely high unburned ammonia slip - xxiii - approximately 7,583~29,998 ppm. Conversely, PTJI ammonia engine reduced unburned ammonia by approximately 98.6% through complete combustion achievement, but NOx increased approximately 88.4% to 208 ppm to 401 ppm level. This results from extremely high temperatures from complete oxidation and simultaneous activation of ammonia's fuel-bound nitrogen pathway, effectively controllable through aftertreatment technology such as Selective Catalytic Reduction. Part-load evaluation results revealed optimal fuel economy of approximately 577 g/kWh or below in mid-load region, validating practical value as design optimization point. Conversely, low-load and high-speed conditions revealed performance constraints due to in-cylinder turbulence intensity reduction and combustion time constraints, and derived operating range map demonstrated that favorable fuel economy region below 700 g/kWh is limited to mid-load range at 1600 rpm to 2000 rpm. In conclusion, this research quantitatively demonstrated that Passive Turbulent Jet Ignition multi-orifice technology effectively overcomes combustion constraints of ammonia's extremely low flame propagation speed and high minimum ignition energy, enabling practical realization in small engines. PTJI ammonia engine simultaneously achieved realistic spark timing, improved power output, combustion duration reduction exceeding 50%, and unburned ammonia slip reduction exceeding 98% compared to extremely unstable SI ammonia, providing practical solution for small engine transition toward carbon-neutral energy era. The derived operating range and optimal orifice design will serve as baseline data for future ammonia engine development, particularly indicating mid-load optimization strategy and improvement directions for low-load and high-speed conditions. Keywords: Ammonia; Combustion stability; Flame propagation; Ignition delay; Orifice design; Pre-chamber; Small internal combustion engine; Turbulent jet ignition;

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER 1. INTRODUCTION 1
• 1.1 Research background and motivation 1
• 1.1.1 Carbon neutrality policy and transition challenges of ICE 1
• 1.1.2 Necessity of retrofit for small gasoline engines 5
• 1.2 Characteristic of ammonia fuel 8
• 1.2.1 Combustion characteristics and properties of ammonia. 8
• 1.2.2 Potential of ammonia as a carbon-free fuel 12
• 1.3 Overview and trends of TJI technology 15
• 1.3.1 Operating principles and structure of TJI 15
• 1.3.2 Application case and research trends of Passive TJI 19
• 1.4 Research objectives thesis organization 21
• 1.4.1 Research objectives and scope 21
• 1.4.2 Thesis organization. 23
• CHAPTER 2. METHODOLOGY 26
• 2.1 Reference engine specifications and experimental setup 26
• 2.1.1 Reference engine specifications 26
• 2.1.2 Experimental test bench and conditions 28
• 2.2 Passive TJI pre-chamber configuration 31
• 2.2.1 Passive TJI application in small engines 31
• 2.2.2 Pre-chamber volume selection 33
• 2.2.3 Orifice design 37
• 2.3 Numerical model configuration and validation 40
• 2.3.1 Numerical model configuration 40
• 2.3.2 Mesh configuration. 44
• 2.3.3 Numerical sub-models 47
• 2.3.4 Model validation 51
• 2.4 Simulation variables and conditions 54
• 2.4.1 Basic research variables and conditions 54
• 2.4.2 Application research variables and conditions 58
• CHAPTER 3. PRE-CHAMBER OPTIMIZATION 60
• 3.1 Equivalence ratio study 60
• 3.1.1 Effect of equivalence ratio on ammonia combustion 60
• 3.1.2 Combustion limitations of ammonia SI engine 69
• 3.2 OFAT: Orifice diameter and angle 75
• 3.2.1 Effect of orifice diameter on jet penetration and combustion 75
• 3.2.2 Effect of orifice angle on flame propagation and combustion 88
• 3.3 Full Factorial: Orifice diameter and number 96
• 3.3.1 Combustion characteristics of multi-orifice configuration 96
• 3.3.2 Determination of optimal orifice diameter and number 103
• 3.4 Optimal pre-chamber geometry 108
• 3.4.1 Comparative analysis of SI, single- and multi-orifice PTJI 108
• 3.4.2 Final configuration of optimized PTJI pre-chamber 113
• CHAPTER 4. PTJI PERFORMANCE ＆ EMISSIONS 118
• 4.1 Full-load performance comparison 118
• 4.1.1 Spark timing optimization and MBT strategy 118
• 4.1.2 Pressure and heat release at optimal spark timing 124
• 4.2 In-cylinder combustion characteristics 130
• 4.2.1 Turbulent kinetic energy and jet flame propagation 130
• 4.2.2 Flame development and combustion duration reduction 136
• 4.3 Emission characteristics 155
• 4.3.1 NOx generation and ammonia slip 155
• 4.3.2 Comparative emission assessment 165
• 4.4 Part-load operating range and key findings 170
• 4.4.1 Combustion performance at partial load 170
• 4.4.2 Operating range map and technical assessment 176
• CHAPTER 5. CONCLUSION 179
• 5.1 Conclusion of Basic research 179
• 5.2 Conclusion of Application research 181
• REFERENCE 184