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문제 정의
- 글로우 플러그에 공급되는 전압과 전류의 변화에 따른 글로우 플러그의 온도 특성을 파악하 고, 이 고온의 표면에 연료를 분사시켜 충돌로 인한 분무특성 및 기화율을 분석하여 MPI식 가솔린 기관에서 연료 조기증발 장치로 사용하기 위한 기초 실험을 수행하였다.
- 따라서, 본 연구의 목적은 흡기포트와 연소실에서 혼합기가 형성되기 전에 연료의 미립화을 촉진시켜 연소효율을 개선시킴으로써 배기 배출물을 근본적으로 저감시키기 위한 것이다.
- 또한, 현용 가솔린 기관의 흡기 매니포트 하부에 글로우 플러그 탈부착 어댑터를 설치하여 흡기매니포트를 연료 조기증발장치를 장착하여 사용하는 하나의 모듈이 되도록 설계제작하고, 현용 기관의 큰 개조 없이 간단히 부착하여 사용할 수 있는 가능성을 검토하기 위 함이다.
- 우선 가솔린 기관에서 연료 조기증발 장치로 글로우 플러그를 이용할 수 있는 가능성을 판단하기 위해 온도 특성을 파악하였다.
- 또한 700℃-80 0℃의 경우도 고온 상태에서 증발효과를 관찰하기 위하여 실험을 하였다. 이는 글로우 플러그가 적 열 상태가 된 경우에 증발효과를 관찰하여 적 정온도 범위라고 판단되는 온도영역에서 나타나는 현상과 비교 검토하기 위한 것이다.
제안 방법
- 가솔린 기관의 연료 조기증발장치로서 적용하기 위해 글로우 플러그의 기본적인 온도 특성 실험과 고온 표면에 연료를 충돌 분사시 켜 충돌로 인한 분무특성 및 기화율에 대한 기초실험을 하고, 이를 토대로 1500cc 엔진에 글로우 플러그를 장착하여 실험한 결과 배기가스 배출 및 기관 특성에 대하여 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 연료는 연료펌프에 의하여 공급되며, 연료관 한쪽 단에 설치된 압력조절기에 의해 250kPa의 일정한 분사압력이 유지되도록 하였다. 글로우 플러그에 충돌되어 기화된 연료가 액화되는 것을 방지하기 위해 잔류량 변화에 영향을 주지 않는 위치에 12V, 0.157A용 펜을 인젝터 상부에 유도막과 함께 설치하였고, l/100g까지 측정할 수 있는 전자저울을 사용하여 잔류량을 계즉하였다. 분무 실험장치에서의 분사기간은 실제 승용차의 분사기간 &가 2.
- 글로우 플러그 온도특성은 전압이 12V일 때 전류값이 1~4A 범위에서는 온도가 완만하게 상승하다 240초 이후에는 지속적으로 일정한 온도를 유지하였으나, 10~30A에서는 3초 이내에 약950℃ 까지 급상승 한 후 60초 이후에는 900℃ 정도로 안정된 온도값을 나타내었다. 글로우 플러그의 온도 특성값을 분석한 결과 실제 기관에서 가솔린 연료가 분사될 때 글로우 플러그의 표면온도에 의해 조기발화와 같은 이상연소를 방지하고, 분사된 연료에 의한열 교환에 따른글로 우 플러그의 냉각을 고려하여 조기 증발율의 향상이 예측되는 온도, 즉 전류 통전 후 약 60초 이후 일정한 온도를 유지하는 약 200~400℃범위 로 정하여 분무실험을 하였다. 또한 700℃-80 0℃의 경우도 고온 상태에서 증발효과를 관찰하기 위하여 실험을 하였다.
- 글로우 플러그의 온도특성 및 기화율 실험결과를 기초로, 글로우 플러그에 최적 전압과 전류 값을 통전시켜 기관을 운전하였을 경우 배기가 스농도는 물론 기관 회 전수, 윤활유 온도, 냉각수 의 온도변화를 측정하였다.
- 기관에 장착된 인젝터는 2홀형이고, 메탈형 글로우 플러그를 장착한 기관이 운전되는 동안 각종 자료를 얻기 위하여 각각의 측정위치에 센서 를 삽입 하였다. 측정 항목은 냉각수 온도, 배기 온도, 윤활유 온도 및 엔진 회전수로 하고 더불어 배기 가스 농도를 중점적으로 측정하였다.
- 배기 가스 농도는 배 기 가스 측정 기(MOD 588)의 프로브를 배기밸브 후방 100cm 지점에 연결하여 즉정하였다. 냉각수 온도는 수온 조절기 부근에서 측정하였고, 배기 온도는 배기 밸브로부터 25cm의 지점인 배기 다기관 중간지점에서, 윤 활유 온도는 윤활유 트레인 플러그 자리에서 각각 측정하였다. 엔진 회전수는 플라이휠에 야광 테이프를 부착한 후 디지털 타코메타로 측정하였다.
- 글로우 플러그의 온도 특성값을 분석한 결과 실제 기관에서 가솔린 연료가 분사될 때 글로우 플러그의 표면온도에 의해 조기발화와 같은 이상연소를 방지하고, 분사된 연료에 의한열 교환에 따른글로 우 플러그의 냉각을 고려하여 조기 증발율의 향상이 예측되는 온도, 즉 전류 통전 후 약 60초 이후 일정한 온도를 유지하는 약 200~400℃범위 로 정하여 분무실험을 하였다. 또한 700℃-80 0℃의 경우도 고온 상태에서 증발효과를 관찰하기 위하여 실험을 하였다. 이는 글로우 플러그가 적 열 상태가 된 경우에 증발효과를 관찰하여 적 정온도 범위라고 판단되는 온도영역에서 나타나는 현상과 비교 검토하기 위한 것이다.
- 157A용 펜을 인젝터 상부에 유도막과 함께 설치하였고, l/100g까지 측정할 수 있는 전자저울을 사용하여 잔류량을 계즉하였다. 분무 실험장치에서의 분사기간은 실제 승용차의 분사기간 &가 2.5~ 10ms임을 고려하고 냉시동 초기 분사기간을 고려하여 인젝터의 분사 기간 ti를 5ms로 하고, 분사간격 tp는 500ms로 하여 총 240초(480회)동안 분사한 양을 5회 반복하여 최대값과 최소값을 무시한 나머지 값들의 평균을 기본 분사유량으로 하였다. 분사시기 조정은 신호 발생기(function generator)를 이용하였으며, 이때의 신호는 전압 및 전류가 낮아 인젝터가 구동되지 못하므로 증폭기를 직접 제작하여 사용하였다.
- 5~ 10ms임을 고려하고 냉시동 초기 분사기간을 고려하여 인젝터의 분사 기간 ti를 5ms로 하고, 분사간격 tp는 500ms로 하여 총 240초(480회)동안 분사한 양을 5회 반복하여 최대값과 최소값을 무시한 나머지 값들의 평균을 기본 분사유량으로 하였다. 분사시기 조정은 신호 발생기(function generator)를 이용하였으며, 이때의 신호는 전압 및 전류가 낮아 인젝터가 구동되지 못하므로 증폭기를 직접 제작하여 사용하였다.
- 실험시 글로우 플러그에 공급되는 전원은 전 원공급기(power supply)를 이용하여 일정한 전압 과 전류값이 흐르도록 하였다.
- 온도측정은 비접촉 적외선 온도계(CHINO : IR-AL8TB2, IR-AHS)를 사용하였으며, 이는 측 정범위가 저온영역인 -50~ 1000℃와 고온영역 인 600~3000℃를 측정 할 수 있도록 나누어져 있다. 실험에서는 고온과 저온의 측정 온도를 서로 연결 할 수 있는 전용프로그램을 통해 PC에 실시간 데이터로 저장되도록 하였고, 데이터의 신뢰성을 높이기 위해 K형 열전대로 온도를 보 정하였다. 측정시 열전대로 비접촉 방사율을 선택하여 온도를 보정한 후 시간에 따라 온도를 측정하였다.
- 실험은 기관 시동과 동시에 글로우 플러그에 전류가 흐르도록 한 후 시동 직후부터 난기운전 이 끝날 때까지 10초 간격으로 각종 자료를 취득 하였으며, 자료의 변동폭을 최소한으로 작게 하기 위하여 실험을 5회 반복한 후 그 평균값으로 하였다.
- 냉각수 온도는 수온 조절기 부근에서 측정하였고, 배기 온도는 배기 밸브로부터 25cm의 지점인 배기 다기관 중간지점에서, 윤 활유 온도는 윤활유 트레인 플러그 자리에서 각각 측정하였다. 엔진 회전수는 플라이휠에 야광 테이프를 부착한 후 디지털 타코메타로 측정하였다.
- 1은 메탈형 글로우 플러그의 경우 일정한 전류상태에서 전압을 변경시켰을 경우 통전시간에 따른 온도변화를 나타낸 그래프이다. 온도는 전압 및 전류량에 따라 변화하므로 글로우 플러그의 온도 특성에 따라 실험 조건을 결정하기 위하여 9V, 11V, 13.5V의 전압에 전류를 10A로 고정시켜 통전한 경우 통전시간에 따른 온도 변화를 측정하였다. 초기 15초까지는 900~1100℃ 까지 급격히 상승하다가 이후 900~ 1000℃ 정도 에서 각 전압별로 일정한 온도를 유지하였다.
- 온도측정은 비접촉 적외선 온도계(CHINO : IR-AL8TB2, IR-AHS)를 사용하였으며, 이는 측 정범위가 저온영역인 -50~ 1000℃와 고온영역 인 600~3000℃를 측정 할 수 있도록 나누어져 있다. 실험에서는 고온과 저온의 측정 온도를 서로 연결 할 수 있는 전용프로그램을 통해 PC에 실시간 데이터로 저장되도록 하였고, 데이터의 신뢰성을 높이기 위해 K형 열전대로 온도를 보 정하였다.
- 기관에 장착된 인젝터는 2홀형이고, 메탈형 글로우 플러그를 장착한 기관이 운전되는 동안 각종 자료를 얻기 위하여 각각의 측정위치에 센서 를 삽입 하였다. 측정 항목은 냉각수 온도, 배기 온도, 윤활유 온도 및 엔진 회전수로 하고 더불어 배기 가스 농도를 중점적으로 측정하였다.
- 실험에서는 고온과 저온의 측정 온도를 서로 연결 할 수 있는 전용프로그램을 통해 PC에 실시간 데이터로 저장되도록 하였고, 데이터의 신뢰성을 높이기 위해 K형 열전대로 온도를 보 정하였다. 측정시 열전대로 비접촉 방사율을 선택하여 온도를 보정한 후 시간에 따라 온도를 측정하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용한 기관은 1500cc 승용차용 MPI가 솔린기관이며, 연료 조기증발장치로서 글로우 플러그의 적용 가능성을 알아보기 위하여 인젝 터흡기포트와 밸브 주위의 상황을 상세히 검토 하였다.
- 이 목적을 달성하기 위해 난기운전 기간 동안 현재 디젤기관에 사용되는 글로우 플러그(glow plug)에 연료를 충돌시킴으로써 연료. 공기의 혼합기 형성전에 연료를 조기 증발시켜 냉시동 직후에 다량 배출되는 유해 배기가스량의 저감 을시도 한 것이다.
성능/효과
- 1) 글로우 플러그 온도특성은 전압이 12V일 때 전류값이 1~4A 범위에서는 온도가 완만하게 상승하다 240초 이후에는 지속적으로 일정한 온도를 유지하였으나, 10~30A에서는 3초 이내에 약 950℃ 까지 급상승 한 후 60초 이후에 는 90 0℃정도로 안정된 온도값을 나타내었다.
- 2) 글로우 플러그의 최대 증발율은 12V, 2.5A (약 300℃)의 경우 이 었으나 글로우 플러그가 연 료의 충돌분무에 의한 냉각율이 약 50~60% 정도를 고려하면 약 150℃ 정도가 되므로, 이는 액 적 증발시간이 가장 짧고 열 전달율이 매우 큰 온도 영역인 핵 비등 온도구역과 일치함을 알 수 있었다.
- 3) 노즐과 글로우 플러그 사이의 충돌 거리가 L=10mm보다 L=5mm일 경우 약 8%의 높은 증 발율을 보였다.
- 4) 대기상태에서 충돌 분무시 2.5A로 통전시 최대 증발율을 보였으나, 실제 기관 실험에서 1A의 경우가 배기 가스 저감 효과가 가장 양호하였다.
- 5) 배기가스 배출특성은 글로우 플러그를 사용한 경우 전류를 통전시키지 않은 경우나, 전류 1A를 통전 시 킨 경우 CO, HC, N* O 의 배출 농도 저감이 뚜렷하고 배기 가스 및 냉각수의 온도 상승 이 빨라져 난기운전 시간을 단축할 수 있어 연료 소비 저감은 물론, 삼원 촉매장치의 예열 효과도 현저하였다.
- 6) 냉시동의 경우 기관이 냉각되어 연료 기화률 의 저하에 따른 불완전 연소로 인하여 배기가스 배출특성이 악화되나, 글로우 플러그를 사용함으로서 연료 기화율의 증가에따라 연소효율이 향상 되어 배기가스 농도 저감이 확실하였다.
- 검토 결과 인젝터와 밸브사이에 글로우 플러그를 위치시킬 수 있으며, 그 위치에서 인젝터와 글로우 플러그 사이의 거리는 10mm 정도 확보 할 수 있다고 판단하였다.
- 결국 글로우 플러그를 장착한 것만으로도 분무가 글로우 플러그에 충돌되어 미립화가 양호 하게 되는 등 여러가지 효과가 있었지만, 글로우 플러그를 가열한 경우는 전자의 효과를 더욱 향상 시켜주는 경향이 뚜렷함을 알 수 있다.
- 글로우 플러그 온도특성은 전압이 12V일 때 전류값이 1~4A 범위에서는 온도가 완만하게 상승하다 240초 이후에는 지속적으로 일정한 온도를 유지하였으나, 10~30A에서는 3초 이내에 약950℃ 까지 급상승 한 후 60초 이후에는 900℃ 정도로 안정된 온도값을 나타내었다. 글로우 플러그의 온도 특성값을 분석한 결과 실제 기관에서 가솔린 연료가 분사될 때 글로우 플러그의 표면온도에 의해 조기발화와 같은 이상연소를 방지하고, 분사된 연료에 의한열 교환에 따른글로 우 플러그의 냉각을 고려하여 조기 증발율의 향상이 예측되는 온도, 즉 전류 통전 후 약 60초 이후 일정한 온도를 유지하는 약 200~400℃범위 로 정하여 분무실험을 하였다.
- 기관특성에 영향을 미치는 냉각수 온도 변화는 엔진을 시동시킨 후 시간이 경과함에 따라 냉각수 온도가 점차로 증가하는 경향을 보이고, 배기가스 온도는 냉시동 후 아이들링 상태에 도달하는 시간까지 배기 매니폴드에서 배출되는 배 기 가스의 온도가 300℃ 전후로써 배기 파이프 에 설치되어 있는 촉매제가 제 성능을 발휘하지 못하게 되어 유해 배 기 가스가 그냥 대 기중으로 방출될 것이다.
- 8은 기존 기관에 글로우 플러그를 장착하고 가열한 경우와 가열하지 않은 경우의 배기가스 배출 특성을 조사한 것이다. 대기상태에서 충돌 분무시 2.5A로 통전시 최대 증발율을 보였으나 실제 기관에서의 1A, 2A, 3A 각각의 통전 실험결과 1A에서 배기가스 저감효과가 가장 양호 하였다. 이는 실제 기관의 흡기포트부가 밀폐된 공간으로 주위 온도 상승이 빠르기 때문이라고 생각된다.
- 3은각형태별 인젝터에서 최고 증발효과를 보인 각 글로우 플러그의 전류조건에서 글로우 플러그에 연료를 분무시켰을 때 연료에 의한 글로우 플러그의 냉각 특성을 나타낸 그래프이다. 이는 글로우 플러그에 12V, 2.5A(약 300℃)를 통전시켰을 때 최대증발율을 나타낸 경우로, 이 글로우 플러그에 연료를 충돌분무 시킬 경우 냉 각율이 약 50~60%정도 이어서 약 150℃ 정도가 되는데, 이는 액적 증발시간이 가장 짧고 열전달 율이 매우 큰 온도영역 인 핵비등 온도구역과 일 치 함을 알 수 있었다. 이는 글로우 플러그의 종류에 따라 기화가 가장 양호했던 전압 12V, 전류 2.
- 이상의 결과를 종합하면 글로우 플러그에 일정한 전압과 전뉴를 통전시켜 양호한 혼합기 형성에 의한 연소효율 향상으로 배기 가스 저감은 물론 삼원 촉매장치 의 조기 가열효과 및 난기운전 시간의 단축효과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
- 이와 같은 결과로 볼 때 글로우 플러그에 의하여 냉시동시의 배기가스 배출 저감 효과를 확인하였다.
- 이와 비교하여 글로우 플러그를 장착하였을 경우 배기가스 온도의 상승으로 촉매장치의 예 열 효과가 커서 시동초기 촉매장치의 작동시간을 앞당길 수 있으며, 냉각수 온도 및 오일 온도 도 빨리 상승되어 난기운전 시간이 단축됨을 알 수 있었다.
- 증발율은 자유분무를 기준으로 하여 L=5min 조건에서 19%이고, L=10min 조건에서 11%로써 충돌거 리가 가까운 L=5mm 조건이 8%정도 높은 증발율을 보였다.
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