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문제 정의
- 아직까지 우리 나라에 도입되지 않은 LPLI방 식의 적용을 위하여 기초연구의 두 번째로 대형 엔진에서의 원활한 연소를 위하여 단기통 엔진을 이용하여 기초연구(1)에서 최적화된 선회강 도하에서 연소실 형상이 연소성능에 미치는 특 성파악을 하고자 하였다. 또한 일반적으로 사용 지역과 계절에 따라 연료조성에 차이가 발생하는 혼합연료인 LPG의 변화에 따라 엔진성능의 특성파악과 아울러 대형엔진에 적합한 LPG 연료 의 선정에 대한 기초자료를 제공하고자 하였다.
- 3-7)따라서 우리 나라도 주요 도시지역의 대기 오염의 주원인인 대형 디젤기관의 대체엔진으 로 이러한 시스템의 적극적인 도입과 연구를 활 발히 진행해야 할 필요성 이 매우 절실한 것이다. 아직까지 우리 나라에 도입되지 않은 LPLI방 식의 적용을 위하여 기초연구의 두 번째로 대형 엔진에서의 원활한 연소를 위하여 단기통 엔진을 이용하여 기초연구(1)에서 최적화된 선회강 도하에서 연소실 형상이 연소성능에 미치는 특 성파악을 하고자 하였다. 또한 일반적으로 사용 지역과 계절에 따라 연료조성에 차이가 발생하는 혼합연료인 LPG의 변화에 따라 엔진성능의 특성파악과 아울러 대형엔진에 적합한 LPG 연료 의 선정에 대한 기초자료를 제공하고자 하였다.
제안 방법
- 압력해석은 각 조건에서 300사 이클을 취 득하여 해석 하였고, 노킹 (knocking)현 상을 좀 더 자세하게 파악하기 위해서 가속도계 센서를 엔진에 설치하여 동시에 측정, 해석하였다. LPG의 액상유지를 위해서 연료공급라인을 질소가스를 이용해서 LPG의 액화에 필요한 압 력 이상으로(15bar) 가압하여 공급하였고, 연료 의 액상여부를 연료라인의 압력과 온도 측정을 통해 모니터 링 하였다.
- 동력 계는 직류형(DC) 150kW급을 사용 하였으며 동력계를 엔진과 직결하여 사용하였다. 공기 유량즉정은 증류 유량계 (Meriam 50MY15)를 이용하였고, 액상 LPG의 유량은 전자저울(balance) 을 이용하여 측정하였다. 압력 데이터의 처리 를 위해서 AVL사의 Indiset 620 장치를 사용하여 실시간 데이터 획득 및 처리를 하였고, 압력센서는 S/P(spark plug)형 압력 센서(AVL, GU12S)를 사용하였다.
- 본 대형실험 엔진의 경우, 최 저 압축비가 제한 되었기 때문에 부탄성분이 대부분인 일반적인 LPG연료의 경우, 노킹의 증가로 정상적 인 운전 이 불가능하다고 판단되 었기 때문에 본 연구에서는 부탄비율이 60%까지만 실험을 실시하였다. 추후 가능하다면 그 이상의 연료에 대해서 자료를 보충하는 것이 필요하리라 본다.
- 공기 유량즉정은 증류 유량계 (Meriam 50MY15)를 이용하였고, 액상 LPG의 유량은 전자저울(balance) 을 이용하여 측정하였다. 압력 데이터의 처리 를 위해서 AVL사의 Indiset 620 장치를 사용하여 실시간 데이터 획득 및 처리를 하였고, 압력센서는 S/P(spark plug)형 압력 센서(AVL, GU12S)를 사용하였다. 전체적인 실험 장치도를 Fig.
- 주요변수들의 실험은 1500rpm의 일정 엔진회 전수 조건과 80℃의 냉각수 출구조건을 일정하 게 유지시켰다. 압력해석은 각 조건에서 300사 이클을 취 득하여 해석 하였고, 노킹 (knocking)현 상을 좀 더 자세하게 파악하기 위해서 가속도계 센서를 엔진에 설치하여 동시에 측정, 해석하였다. LPG의 액상유지를 위해서 연료공급라인을 질소가스를 이용해서 LPG의 액화에 필요한 압 력 이상으로(15bar) 가압하여 공급하였고, 연료 의 액상여부를 연료라인의 압력과 온도 측정을 통해 모니터 링 하였다.
- 연료조성에 따른 엔진의 성능을 비교하기 위하여 압축비 10, 선회 비 2.3, 1500rpm, WOT 조건 에서 연료의 조성을 바꾸어 가며 실험을 하였고, Fig. 6에 노킹이 일어나지 않는 최대진각 점화시 기, 효율 및 출력 값을 나타내었다. Fig.
- 연소실 형상은 SI엔진의 연소에서 선회 등의 흡입유동을 피스톤의 형상과 피스톤과 엔진헤 드 면에서 발생하는 스퀴 시 (squish) 유동에 의해서 압축말기에 깨뜨림으로써 급속연소에 필요한 충분한 난류강도의 확보하는 역할을 한다. 이러한 연소실 형상의 최적화작업을 위해서 기존의 디 젤형 피스톤을 압축비를 10으로 낮추면서 형상을 원형-욕조형 (bathtub), 타원형 (ellipse), 더 블 타원형 (double ellipse) 및 네 블라(nebula)형 의 여러가지 연소실 형 상을 제 작하여 이를 비교 실 험하였다.
- 이처 럼 연료조성 변화에 따라서 엔진의 성 능이 변하며, 아직 대형 LPG 엔진에 적합한 연 료의 조성에 대한 정보가 부족한 상황에서 연료 조성에 따른 엔진의 성능특성파악이 필요한 것이다. 이를 알아보기 위하여 본 연구에서는 대형 단기통 엔진을 이용해서 LPG 연료의 프로판과 부탄성 분의 비 율을 100 : 0, 80 : 20, 60 : 40, 40 : 60으로 바꾸어 가며 실험을 진행하였다.
대상 데이터
- LPG의 액상분사를 위한 인젝터는 지멘스사의 하부연료공급(bottom feed)형의 Deka-II 인젝 터를 사용하였고 이의 제어와 점화시기 조절은 IC5460 장비를 이용하였다.
- 실험엔진 을 본 연구에 적합하도록 단기통 연소엔진으로 사용하기 위하여 기존의 6기통 양산엔진의 5기 통을 강철 평판으로 막은 후 1번 실린더만을 사용하였다. 동력 계는 직류형(DC) 150kW급을 사용 하였으며 동력계를 엔진과 직결하여 사용하였다. 공기 유량즉정은 증류 유량계 (Meriam 50MY15)를 이용하였고, 액상 LPG의 유량은 전자저울(balance) 을 이용하여 측정하였다.
- 본 연구의 실험엔진은 양산 6기통 11리터급 디젤엔진을 LPG용으로 개조하여 사용하였으 며 , LPG용으로 개조된 사양을 Table 1에 나타내었다. 실험 엔진을 LPG 엔진으로 개조하기 위해서 점화플러그 어댑터를 설치하여 점화플러그 를 장착할 수 있도록 하였으며 압축비는 기존의 16.
- 본 연구의 실험엔진은 양산 6기통 11리터급 디젤엔진을 LPG용으로 개조하여 사용하였으 며 , LPG용으로 개조된 사양을 Table 1에 나타내었다. 실험 엔진을 LPG 엔진으로 개조하기 위해서 점화플러그 어댑터를 설치하여 점화플러그 를 장착할 수 있도록 하였으며 압축비는 기존의 16.5에서 10으로 낮추어 사용하였다. 실험엔진 을 본 연구에 적합하도록 단기통 연소엔진으로 사용하기 위하여 기존의 6기통 양산엔진의 5기 통을 강철 평판으로 막은 후 1번 실린더만을 사용하였다.
- 5에서 10으로 낮추어 사용하였다. 실험엔진 을 본 연구에 적합하도록 단기통 연소엔진으로 사용하기 위하여 기존의 6기통 양산엔진의 5기 통을 강철 평판으로 막은 후 1번 실린더만을 사용하였다. 동력 계는 직류형(DC) 150kW급을 사용 하였으며 동력계를 엔진과 직결하여 사용하였다.
이론/모형
- 앞서 제작된 연소실에 따른 엔진연소실험에 앞 서 연소실 형상변화가 압축말기의 난류생성에 어 떠한 영향을 미치는 가를 정성적으로 파악하기 위하여 유점 법(oil spot method)을 적 용하였다. 유점법은 엔진에서 일어나는 평균적인 흡-배 기 유동흐름을 가시화 하는 방법으로 물체표면 근방의 유체흐름을 알아보는데 유리 한 방법이다.
- Table 2에는 실험에 사용한 LPG 연료의 연료 조성을 나타내었다. 연료조성을 알아보기 위하여 가스 크로마토그래피 법(gas chromatography, HP5890A)을 이 용하였고, 칼럼(column)은 PLOT/ AI2O3 모세관 칼럼 (*0*03..51035 m mm μm)을 사 용하였으며 검출법은'FID(flame ionizationdetec- tor)를 이용해서 성 분을 분석하였다.
성능/효과
- Fig. 6(b)의 효율선도를 보면, 이론공연비 조건에서는 연료조성변화에 따른 점화시기가 최적 화 되지 못하기 때문에 효율이 차이를 보이는데, 프로판 100%의 연료에 비해서 프로판 40%, 부탄 60% 연료는 2.8% 정도의 효율감소가 나타났다. 그러나 이 역시 λ =1.
- 1) Bathtub형 연소실이 가장 낮은 연소성능을 보이며 타원이나 더블타원, 네블라 등 기하학적으로 선회유동을 난류강도로 전환하는데 유리 한 방식이 엔진의 연소성능의 향상에도 유리하였다.
- 2) 특히, 네블라 형태는 선회유동의 충돌로 인해서 난류강도의 생성이 유리하며 이에 따라 원 형에 비해서 효율 약 3%, 출력 약 4% 증가가 나타났다.
- 3) LPG 연료 중 부탄성분의 증가에 의한 엔진 성능의 감소현상은 노킹이 억제되는 공연비 λ =1.3에서 1.4 λ부근의 희박영역에서 거의 없어짐 을 확인하였다.
- 4) 100% 프로판 연료와 유럽수준의 프로판 60 %, 부탄 40%의 연료를 비교하면, 이론공연비 영역에서는 점 화시 기 3도 정도의 차이가 발생 하지만 효율의 차이는 거의 나타나지 않았다.
- 4(c)는 연소실 형 상에 따른 효율선도를 나타내었다. 기본의 원형 연소실 이 가장 낮은 효율을 보이며 타원과 더블타원이 이 보다 높은 효율을, 네블라형 이 가장 월등한 효율 값을 보이고 있다.
- 이로써 선회유동을 잘 깨뜨리는 형태의 연소 실이 급속연소에 필요한 난류강도의 생성에 유 리하며 연소에서도 가장 높은 연소효율을 보인 다는 것을 알 수 있다. 또 연소실 형태의 변화로 인한 난류강도의 증가가 희박운전한계를 연장 시키는 결과를 나타냈으며, 특히 네블라형은 H =1.6에서도 안정적인 연소를 보여주었다. 각 형상에 따른 효율의 차이는 역시 이론공연비 보다는 연소가 불안한 희박영역조건으로 갈수록 더욱 커졌다.
- 이로써 선회유동을 잘 깨뜨리는 형태의 연소 실이 급속연소에 필요한 난류강도의 생성에 유 리하며 연소에서도 가장 높은 연소효율을 보인 다는 것을 알 수 있다. 또 연소실 형태의 변화로 인한 난류강도의 증가가 희박운전한계를 연장 시키는 결과를 나타냈으며, 특히 네블라형은 H =1.
- 종합적으로 100% 프로판 연료와 선진 유럽의 액상분사식의 연료로 사용되는 프로판 60%, 부탄 40%의 연료의 성능을 비교한다면, 이론공연 비 영역에서 점화시기 3도 정도의 차이가 발생 하지만 이로인한 효율 및 출력의 변화는 거의 나타나지 않았다.
- 4(a)에서 기본형 인 원형 이 가장 낮은 엔진 출력값을, 타원, 더블타원, 네블라형 순 으로 높은 출력값을 나타내었다. 특호), 네블라형 은 다른 형태에 비해서 월등히 높은 출력성능을 보여주었으며 이 같은 결과는 희박연소 조건에 서도 동일하게 나타났다. 이는 네블라형이 난류 강도의 생성에 가장 유리한 연소실 형상을 가지고 있기 때문으로 판단된다.
후속연구
- 본 대형실험 엔진의 경우, 최 저 압축비가 제한 되었기 때문에 부탄성분이 대부분인 일반적인 LPG연료의 경우, 노킹의 증가로 정상적 인 운전 이 불가능하다고 판단되 었기 때문에 본 연구에서는 부탄비율이 60%까지만 실험을 실시하였다. 추후 가능하다면 그 이상의 연료에 대해서 자료를 보충하는 것이 필요하리라 본다.
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