직접분사식 디젤엔진에서 연료의 2단 분사에 따른 연소 및 배기특성 : 디젤연료와 DME 의 비교 An Investigation of 2 Stage Fuel Injections on Combustion and Emissions in a DI Diesel Engine원문보기
산업의 발달과 함께 자동차의 동력원으로 사용되는 엔진기술은 큰 발전을 이루었다. 그러나 인류생활의 질적 향상만큼이나 자원고갈과 환경오염 문제의 부작용이 대두되면서, 자동차 엔진기술은 단순히 고효율•고출력뿐만 아니라 배기가스 규제에 관한 사항을 동시에 요구하고 있다. 특히 범세계적인 지구 온난화 방지대책회의를 통해 주요 온실가스로 분류되는 CO2 가스의 배출저감이 규제화 되고 있으며, 또한 한정된 에너지의 고갈에 대한 우려가 심화됨에 따라 연비향상 기술에 대한 연구가 끊임없이 진행되고 있다. [1]
최근 강화되어 가는 이산화탄소(CO2: Carbon dioxides)및 ...
산업의 발달과 함께 자동차의 동력원으로 사용되는 엔진기술은 큰 발전을 이루었다. 그러나 인류생활의 질적 향상만큼이나 자원고갈과 환경오염 문제의 부작용이 대두되면서, 자동차 엔진기술은 단순히 고효율•고출력뿐만 아니라 배기가스 규제에 관한 사항을 동시에 요구하고 있다. 특히 범세계적인 지구 온난화 방지대책회의를 통해 주요 온실가스로 분류되는 CO2 가스의 배출저감이 규제화 되고 있으며, 또한 한정된 에너지의 고갈에 대한 우려가 심화됨에 따라 연비향상 기술에 대한 연구가 끊임없이 진행되고 있다. [1]
최근 강화되어 가는 이산화탄소(CO2: Carbon dioxides)및 배출가스 규제에 대응하기 위한 고효율•친환경 엔진으로써 압축착화엔진(Compression ignition engine, CI engine)이 다시 주목 받고 있다. [2] 압축착화엔진은 스파크점화엔진(Spark ignition engine, SI engine)에 비해 열효율과 연소효율이 높아 연료소비율이 낮고 일산화탄소(Carbon monoxide, CO)와 탄화수소(Hydrocarbon, HC)의 배출량이 적다. 그러나 압축착화엔진은 연소실 내의 공기와 연료가 불균일한 혼합기를 형성함으로써 연소과정 중 국부적인 고온영역이 발생하고, 이로 인해 유해배출물인 질소산화물(Nitrogen oxides, NOx)과 입자상물질 (Particulate matter, PM)이 다량으로 발생된다. [3] 유럽의 EURO 6, 미국의 Tier 2 Bin5등과 같이 엄격해진 NOx와 PM에 대한 규제치를 만족시키고자, 압축착화엔진의 연비향상을 위한 연구가 활발하며, 대표적인 예로 연료분사시스템의 개발과 디젤 대체연료의 적용 등이 있다.
직접분사식 압축착화엔진은 연소실 내부로 분사된 연료와 공기가 혼합되는 정도에 의해서 연소상태가 결정되므로 공기와 연료의 혼합이 효과적으로 이루어지도록 연소실 내부의 유동특성과 아울러 연료의 분사율, 분무의 거시적인 형태 및 분무의 미립화 특성을 최적화해야 한다. 위 변수들이 최적화 되기 위해서는, 연료를 충분히 미립화시켜서 기화 및 공기와의 혼합을 통한 완전연소를 유도해야 하는데, 이는 고압연료분사와 빠른 응답특성 및 정밀도를 갖춘 연료분사시스템을 통해 정확하게 제어되어야만 한다. 최신 연료분사시스템 중 커먼레일(Commonrail) 연료분사시스템 [4] 은 전자식으로 분사압력, 분사시기, 분사율 및 분사량을 최적으로 제어할 수 있으며, 엔진의 운전 회전수와 부하에 독립적이어서 기계식 펌프시스템에 비하여 자유도가 높아 연료소비율과 배기가스의 배출이 작다. 또한 연료를 나누어서 분사하는 방법인 이단분사가 가능하며 [5], 이단분사를 통해 추가적인 NOx및 연료소비율의 저감이 가능하다. 하지만 분사량, 분사기간, 분사횟수와 같은 이단분사에 관련된 변수가 많고, 사용 연료에 따라 그 특성이 달라지기 때문에 이에 대한 데이터의 축적이 필요하다.
디메틸에테르(Dimethyl-ether, DME)는 LPG(Liquefied Petroleum Gas)와 유사하며1개의 산소원자와 2개의 메틸(CH3)이 결합된 에테르(Ether) 화합물이다. DME가 디젤의 대체연료로서 가지는 가장 중요한 특징은 세탄가가 높고(CN≥55) 자착화 온도가 낮아(508K) 압축착화가 가능하며, PM의 배출이 거의 없다. PM의 배출이 적은 이유는 DME분자 구조상에 탄소(C)-탄소(C) 결합이 없고 분자 내의 산소 함유량이 높으며(34.8%) 탄소(C)와 수소(H)의 비율이 가장 작기 때문이다. 또한 비등점이 낮아(-25℃) 기화가 빨리 일어나기 때문에 혼합특성이 우수하고 적심현상(Wall wetting)이 거의 없다. 하지만 기존의 디젤연료시스템에 DME를 적용할 경우 낮은 점성으로 인해 연료누설이 발생하고, 윤활성이 좋지 않아 윤활 향상제의 첨가 없이는 엔진 습동부의 마모문제가 발생한다. 또한 에테르계는 대부분 고무류(Elastomer)와 반응하여 부식시키기 때문에 DME를 기존의 연료분사시스템에 사용하기 위해서는 많은 개선이 필요하다. [6]
본 연구에서는 압축착화엔진의 문제점인 NOx와 PM의 동시저감을 위해서 DME를 사용한 이단분사를 실시하였다. 이단분사를 통하여 NOx의 저감을 유도할 수 있으며 DME사용으로 PM의 발생이 크게 줄어들기 때문에 NOx와 PM을 동시에 저감할 수 있다. 이단분사 전략중 주분사 앞에 분사를 하는 파일럿분사(Pilot injection)를 적용하였으며, 주분사의 분사시점과 주분사와 파일럿분사간의 분사기간의 변화에 따른 출력 및 배기가스의 변화를 확인했다.
산업의 발달과 함께 자동차의 동력원으로 사용되는 엔진기술은 큰 발전을 이루었다. 그러나 인류생활의 질적 향상만큼이나 자원고갈과 환경오염 문제의 부작용이 대두되면서, 자동차 엔진기술은 단순히 고효율•고출력뿐만 아니라 배기가스 규제에 관한 사항을 동시에 요구하고 있다. 특히 범세계적인 지구 온난화 방지대책회의를 통해 주요 온실가스로 분류되는 CO2 가스의 배출저감이 규제화 되고 있으며, 또한 한정된 에너지의 고갈에 대한 우려가 심화됨에 따라 연비향상 기술에 대한 연구가 끊임없이 진행되고 있다. [1]
최근 강화되어 가는 이산화탄소(CO2: Carbon dioxides)및 배출가스 규제에 대응하기 위한 고효율•친환경 엔진으로써 압축착화엔진(Compression ignition engine, CI engine)이 다시 주목 받고 있다. [2] 압축착화엔진은 스파크점화엔진(Spark ignition engine, SI engine)에 비해 열효율과 연소효율이 높아 연료소비율이 낮고 일산화탄소(Carbon monoxide, CO)와 탄화수소(Hydrocarbon, HC)의 배출량이 적다. 그러나 압축착화엔진은 연소실 내의 공기와 연료가 불균일한 혼합기를 형성함으로써 연소과정 중 국부적인 고온영역이 발생하고, 이로 인해 유해배출물인 질소산화물(Nitrogen oxides, NOx)과 입자상물질 (Particulate matter, PM)이 다량으로 발생된다. [3] 유럽의 EURO 6, 미국의 Tier 2 Bin5등과 같이 엄격해진 NOx와 PM에 대한 규제치를 만족시키고자, 압축착화엔진의 연비향상을 위한 연구가 활발하며, 대표적인 예로 연료분사시스템의 개발과 디젤 대체연료의 적용 등이 있다.
직접분사식 압축착화엔진은 연소실 내부로 분사된 연료와 공기가 혼합되는 정도에 의해서 연소상태가 결정되므로 공기와 연료의 혼합이 효과적으로 이루어지도록 연소실 내부의 유동특성과 아울러 연료의 분사율, 분무의 거시적인 형태 및 분무의 미립화 특성을 최적화해야 한다. 위 변수들이 최적화 되기 위해서는, 연료를 충분히 미립화시켜서 기화 및 공기와의 혼합을 통한 완전연소를 유도해야 하는데, 이는 고압연료분사와 빠른 응답특성 및 정밀도를 갖춘 연료분사시스템을 통해 정확하게 제어되어야만 한다. 최신 연료분사시스템 중 커먼레일(Commonrail) 연료분사시스템 [4] 은 전자식으로 분사압력, 분사시기, 분사율 및 분사량을 최적으로 제어할 수 있으며, 엔진의 운전 회전수와 부하에 독립적이어서 기계식 펌프시스템에 비하여 자유도가 높아 연료소비율과 배기가스의 배출이 작다. 또한 연료를 나누어서 분사하는 방법인 이단분사가 가능하며 [5], 이단분사를 통해 추가적인 NOx및 연료소비율의 저감이 가능하다. 하지만 분사량, 분사기간, 분사횟수와 같은 이단분사에 관련된 변수가 많고, 사용 연료에 따라 그 특성이 달라지기 때문에 이에 대한 데이터의 축적이 필요하다.
디메틸에테르(Dimethyl-ether, DME)는 LPG(Liquefied Petroleum Gas)와 유사하며1개의 산소원자와 2개의 메틸(CH3)이 결합된 에테르(Ether) 화합물이다. DME가 디젤의 대체연료로서 가지는 가장 중요한 특징은 세탄가가 높고(CN≥55) 자착화 온도가 낮아(508K) 압축착화가 가능하며, PM의 배출이 거의 없다. PM의 배출이 적은 이유는 DME분자 구조상에 탄소(C)-탄소(C) 결합이 없고 분자 내의 산소 함유량이 높으며(34.8%) 탄소(C)와 수소(H)의 비율이 가장 작기 때문이다. 또한 비등점이 낮아(-25℃) 기화가 빨리 일어나기 때문에 혼합특성이 우수하고 적심현상(Wall wetting)이 거의 없다. 하지만 기존의 디젤연료시스템에 DME를 적용할 경우 낮은 점성으로 인해 연료누설이 발생하고, 윤활성이 좋지 않아 윤활 향상제의 첨가 없이는 엔진 습동부의 마모문제가 발생한다. 또한 에테르계는 대부분 고무류(Elastomer)와 반응하여 부식시키기 때문에 DME를 기존의 연료분사시스템에 사용하기 위해서는 많은 개선이 필요하다. [6]
본 연구에서는 압축착화엔진의 문제점인 NOx와 PM의 동시저감을 위해서 DME를 사용한 이단분사를 실시하였다. 이단분사를 통하여 NOx의 저감을 유도할 수 있으며 DME사용으로 PM의 발생이 크게 줄어들기 때문에 NOx와 PM을 동시에 저감할 수 있다. 이단분사 전략중 주분사 앞에 분사를 하는 파일럿분사(Pilot injection)를 적용하였으며, 주분사의 분사시점과 주분사와 파일럿분사간의 분사기간의 변화에 따른 출력 및 배기가스의 변화를 확인했다.
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