현재, 가솔린 엔진(Spark ignition, SI)과 디젤 엔진(Compression ignition, ...
현재, 가솔린 엔진(Spark ignition, SI)과 디젤 엔진(Compression ignition, CI)으로 대표되는 내연기관은 수송 분야뿐만 아니라 여러 산업 활동에 폭넓게 사용되고 있다. 그러나 내연기관의 보급과 함께 배출 가스에 의한 환경오염과 연료로 사용하는 석유 자원의 고갈이라고 하는 2개의 큰 문제를 가지고 있다. 가솔린 엔진은 촉매 장치를 이용하여 배기가스 문제는 해결할 수 있지만 낮은 압축비로 효율이 낮고, 디젤 엔진은 효율은 좋지만 PM과 NOx가 많이 배출되는 단점이 있다. 그러나 기존 가솔린 엔진이나 디젤 엔진과 다른 새로운 연소 방식인 HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition, 예혼합 압축 착화)엔진은 80년대 중반부터 고 효율, 저 배기가스 대체 연소 방식으로 제안되어 연구 되어 왔다. HCCI 엔진은 가솔린 엔진과 디젤 엔진의 장점을 조합한 엔진으로, 가솔린 엔진과 같이 예혼합된 연료와 공기의 혼합기체를 사용하나, 디젤과 같은 압축에 의한 자연 발화를 통해 연소가 이루어진다. HCCI엔진은 일반적으로 낮은 당량비에서 운전되며, 이에 따라 연소 온도가 낮아져 질소 산화물의 생성을 예방할 수 있다. 또한 예혼합 기체를 연소 시키기 대문에 매연의 생성을 동시에 줄일 수 있다. 그리고 고 압축비를 사용하기 때문에 효율 또한 디젤엔진처럼 높다. HCCI 기관은 고효율·저공해를 실현하는 내연기관으로서 주목 받고 있지만, 고 부하 영역에서의 운전이 노킹의 발생에 의해서 제한되고 있다. HCCI 엔진은 혼합기의 화학적 특성과 온도에 의하여 좌우된다. 실린더 내부의 어느 영역에서 연소가 시작하게 되면 온도가 상승하고 그로 인하여 반응은 더욱 더 촉진된다. 그 때문에 고 부하 영역에서는 단기간에 급격한 열 발생에 의해서 실린더 내의 압력이 빠르게 증가하여 노킹을 유발하는 문제점이 있다. 본 연구에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 여러 주요변수들(당량비, 압축비, 과급압력)을 적용하여 모델을 수치계산을 실시하였다. 첫 번째, 당량비의 효과에 대해서 이해하며, DME와 Methanol 연료가 당량비에 증감에 대해 어떠한 반응을 영향을 받는지 알아보았다. 또한, 두 연료의 화학적 반응 메커니즘을 이해하고, 정의된 연소구간을 분석하여, 물리적인 해석을 넘어 화학적 해석도 함께 진행하였다. 이외에도 과급압력에 의한 실린더내부 총 몰수 증가 및 압축비 증가로 인한 TDC부근에서의 연소반응성 향상이 Methanol연료에 가장 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 또한, 과급압력을 제어하여, 혼합연료의 당량비를 0.7이하로 일정하게 유지하게 되면, 엔진속도 1200rpm 및 압축비 8.4조건에서 투입열량의 감소에도 불구하고 동일한 IMEP를 유지하면서, 노킹발생을 억제하는 결과를 나타내었다. 또한, 과급압력의 제어를 통한 IVC온도의 감소는 당량비를 일정하게 제어하게 될 때, IVC 온도변화는 혼합 분율에 따라 일정하게 증가하였고, 예측가능 한 데이터를 나타내었다. 따라서, 본 연구에서는 DME-Methanol의 혼합연료로써의 가능성을 제시하고, 더 높은 출력과 노킹억제를 위한 연소전략에 대해서 알아보았다.
현재, 가솔린 엔진(Spark ignition, SI)과 디젤 엔진(Compression ignition, CI)으로 대표되는 내연기관은 수송 분야뿐만 아니라 여러 산업 활동에 폭넓게 사용되고 있다. 그러나 내연기관의 보급과 함께 배출 가스에 의한 환경오염과 연료로 사용하는 석유 자원의 고갈이라고 하는 2개의 큰 문제를 가지고 있다. 가솔린 엔진은 촉매 장치를 이용하여 배기가스 문제는 해결할 수 있지만 낮은 압축비로 효율이 낮고, 디젤 엔진은 효율은 좋지만 PM과 NOx가 많이 배출되는 단점이 있다. 그러나 기존 가솔린 엔진이나 디젤 엔진과 다른 새로운 연소 방식인 HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition, 예혼합 압축 착화)엔진은 80년대 중반부터 고 효율, 저 배기가스 대체 연소 방식으로 제안되어 연구 되어 왔다. HCCI 엔진은 가솔린 엔진과 디젤 엔진의 장점을 조합한 엔진으로, 가솔린 엔진과 같이 예혼합된 연료와 공기의 혼합기체를 사용하나, 디젤과 같은 압축에 의한 자연 발화를 통해 연소가 이루어진다. HCCI엔진은 일반적으로 낮은 당량비에서 운전되며, 이에 따라 연소 온도가 낮아져 질소 산화물의 생성을 예방할 수 있다. 또한 예혼합 기체를 연소 시키기 대문에 매연의 생성을 동시에 줄일 수 있다. 그리고 고 압축비를 사용하기 때문에 효율 또한 디젤엔진처럼 높다. HCCI 기관은 고효율·저공해를 실현하는 내연기관으로서 주목 받고 있지만, 고 부하 영역에서의 운전이 노킹의 발생에 의해서 제한되고 있다. HCCI 엔진은 혼합기의 화학적 특성과 온도에 의하여 좌우된다. 실린더 내부의 어느 영역에서 연소가 시작하게 되면 온도가 상승하고 그로 인하여 반응은 더욱 더 촉진된다. 그 때문에 고 부하 영역에서는 단기간에 급격한 열 발생에 의해서 실린더 내의 압력이 빠르게 증가하여 노킹을 유발하는 문제점이 있다. 본 연구에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 여러 주요변수들(당량비, 압축비, 과급압력)을 적용하여 모델을 수치계산을 실시하였다. 첫 번째, 당량비의 효과에 대해서 이해하며, DME와 Methanol 연료가 당량비에 증감에 대해 어떠한 반응을 영향을 받는지 알아보았다. 또한, 두 연료의 화학적 반응 메커니즘을 이해하고, 정의된 연소구간을 분석하여, 물리적인 해석을 넘어 화학적 해석도 함께 진행하였다. 이외에도 과급압력에 의한 실린더내부 총 몰수 증가 및 압축비 증가로 인한 TDC부근에서의 연소반응성 향상이 Methanol연료에 가장 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 또한, 과급압력을 제어하여, 혼합연료의 당량비를 0.7이하로 일정하게 유지하게 되면, 엔진속도 1200rpm 및 압축비 8.4조건에서 투입열량의 감소에도 불구하고 동일한 IMEP를 유지하면서, 노킹발생을 억제하는 결과를 나타내었다. 또한, 과급압력의 제어를 통한 IVC온도의 감소는 당량비를 일정하게 제어하게 될 때, IVC 온도변화는 혼합 분율에 따라 일정하게 증가하였고, 예측가능 한 데이터를 나타내었다. 따라서, 본 연구에서는 DME-Methanol의 혼합연료로써의 가능성을 제시하고, 더 높은 출력과 노킹억제를 위한 연소전략에 대해서 알아보았다.
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