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문제 정의
- 본 연구에서는 예혼합 압축착화를 구현하기 위하여 세탄가가 다른 혼합연료를 사용하여 예 혼합 압축착화 시스템을 구축하여 기존의 직분 식 디젤엔진과의 연소특성 및 배기특성을 파악 하였다. 이와 같은 시스템은 희박 예혼합기를 형 성한 후 압축착화를 실시함으로써 희박 연소에 의한NOx 생성 억제와 예혼합 연소에 의한 입자 상 물질의 동시 저 감을 목표로 하고 있다.
제안 방법
- 1과 같은 엔 진 시스템을 제작하였다. Fig. 1과 같이 흡기관 내에 혼합연료를 분사하여 예혼합 압축착화를 실현시키기 위해 고압 인젝터를 설치하였고, 혼 합연료의미 립화를 촉진시키기 위하여 흡기밸 브와 고압 인젝터 사이에 가열기를 설치하였다. 한편 혼합연료를 공급하기 위해서 독립적으로 분사압력 조절이 가능한 고압펌프를 사용하였으며, 실린더헤드 중앙부에는 Kistler社의 압력 센서를 부착하여 연소실내 압력을 획득하였으며, 캠축과 크랭크축에 엔코더를 설치하여 회 전수와 분사시기를 조정하였고, 배기밸브에서 방출되는 배 기 가스 성 분을 측정하였다.
- 엔진동력 계는 Dauem社의 751加출력의 DC 동 력계로서 엔진제어 및 데이터 획득이 수행되며, 엔진의 부하는 동력계 제어 프로그램으로 조절 된다. 또한 Motec社의 M4 ECU를 사용하여 혼합 연료의 분사시 기 및 분사량을 조절하였다.
- 한편 직접 분사식 디젤엔진과 비교하여 예혼 합 압축착화 디젤엔진의 연소변동에 대한 특성을 살펴보았다. 본 실험에서는 각각의 실험조건 에서의 사이클당 연소최고압력을 이용하여 COVpmax값을 구하여 살펴보았다. Fig.
- 본 실험에서는 시중에서 시판되고 있는 가솔 린(비중 0.70~0.75)과 경유(비중 0.82~0.88)를 일정 비율로 혼합하기 위해서 Img의 분해능을 가지고 있는 전자저 울(TP200S, OHAUS)을 사용하여 혼합연료를 제조하였으며, 혼합비율은 가 솔린과 경유 각각의 저위발열량(가솔린:45.3J/ mg, 경유:43.6J/mg)을 기준으로 가솔린 100%에 서부터 20%간격으로 경유를 혼합하여 제조하였다. 이러한 혼합연료를 사용하여 Table 2와 같이 예혼합 압축착화 엔진의 가장 큰 단점 이라고 할 수 있는 운전영역의 한계를 고려하여 저속 .
- 저 부하 영역에서 실험을 수행하였고, 냉각수 온도 는 80±l℃를 유지하였으며, 흡입공기온도는 8 0℃로 고정하였다. 이러한 조건하에서 각각의 혼합연료를 100% 포트 분사하여 예혼합 압축착 화 시 킴으로써 연소특성 및 배기 특성을 분석하였다.
- 이러한 혼합연료를 사용하여 Table 2와 같이 예혼합 압축착화 엔진의 가장 큰 단점 이라고 할 수 있는 운전영역의 한계를 고려하여 저속 . 저 부하 영역에서 실험을 수행하였고, 냉각수 온도 는 80±l℃를 유지하였으며, 흡입공기온도는 8 0℃로 고정하였다. 이러한 조건하에서 각각의 혼합연료를 100% 포트 분사하여 예혼합 압축착 화 시 킴으로써 연소특성 및 배기 특성을 분석하였다.
- 한편 예혼합 압축착화 디젤엔진에서 공급된 연료의 착화특성을 알아보기 위해서 대표적으 로 가솔린 혼합비율 20%인 혼합연료에 대하여 1200rpm 무부하와 1/4부하에서 흡입 공기온도가 80℃와 130℃인 경우, 연료분사압력이 30bar와 70bar인 경우에 대해서 공급된 연료의 착화특성을 살펴보았다. Fig.
- 한편 직접 분사식 디젤엔진과 비교하여 예혼 합 압축착화 디젤엔진의 연소변동에 대한 특성을 살펴보았다. 본 실험에서는 각각의 실험조건 에서의 사이클당 연소최고압력을 이용하여 COVpmax값을 구하여 살펴보았다.
- 1과 같이 흡기관 내에 혼합연료를 분사하여 예혼합 압축착화를 실현시키기 위해 고압 인젝터를 설치하였고, 혼 합연료의미 립화를 촉진시키기 위하여 흡기밸 브와 고압 인젝터 사이에 가열기를 설치하였다. 한편 혼합연료를 공급하기 위해서 독립적으로 분사압력 조절이 가능한 고압펌프를 사용하였으며, 실린더헤드 중앙부에는 Kistler社의 압력 센서를 부착하여 연소실내 압력을 획득하였으며, 캠축과 크랭크축에 엔코더를 설치하여 회 전수와 분사시기를 조정하였고, 배기밸브에서 방출되는 배 기 가스 성 분을 측정하였다.
- 한편, 이러한 연소현상을 좀더 명확히 규명하기 위해서 본 연구에서는 실린더직경, 행정, 압축 비 등과 같은 제원을 갖는 가시화 엔진에서 400 pm, A/F=50인 경우에 화염 가시화를 수행하여 기존의 직접 분사식 디젤연소방식과 예혼합 압 축착화 연소방식인 경우의 전체적인 연소패턴 을 파악하여 비교하였다. Fig.
- 혼합연료를 사용한 예혼합 압축착화 엔진의 성능을 평가하기 위해서 혼합연료의 혼합비율 및 부하변동에 따른 배기온도 특성을 고찰하였다. Fig.
대상 데이터
- 본 실험에서는 Table 1과 같은 제원을 가진 상 용 단기통 디 젤엔진을 기본으로 Fig. 1과 같은 엔 진 시스템을 제작하였다. Fig.
성능/효과
- 1) 무부하에서는 가솔린 혼합비율이 50% 이하 에서 Pmax가 직 분식 디 젤엔진보다 우수하였으며 , 1/4부하에서 는 60% 이 하에서 Pmax가 증가하였으며, 가솔린 비율이 증가함에 따라 Pmax의 저하와 발생시기가지 연됨을 알 수 있다.
- 3) 흡입공기온도가 80℃로 낮은 경우에는 낮은 분사압력의 범위에서(30~70bar) 분사압력 증가의 영향을 받지 만, 흡입 공기 온도가 130℃ 로 높은 경우에는 분사압력의 영향이 거의 없음을 알 수 있다.
- 4) 혼합연료를 예혼합 압죽착화 시킴으로써 NOx오+ Soot는 동시저감 되었으며, 가솔린 혼합 비 율에 따른 NOx 배출특성 은 거의 일정 하였다. 가솔린 혼합비율이 증가함에 따라서 HC와 CO 는 증가하였다.
- 5) 가솔린 혼합비율이 증가할수록 배 기 온도는 저감되고 연소변동은 증가하였으며, 저부하 영 역에서의 연료소비율은 직분식 디젤엔진에 비해 가솔린 비율이 증가할수록 증가하였다.
- Fig. 7에서 볼 수 있듯이 예 혼합 압축착화 엔진 의 배기가스 분석 실험을 수행한 결과NOx 발생 량은 95%이상 저감됨을 알 수 있으며, 혼합연료 중의 가솔린 혼합비 율 40% 이상에서 는 비슷한 NOx 배출 특성을 보이고 있다. 이러한NOx 저감 요인은 혼합연료를 공기와 예혼합 시켜 연소실 내 특정 부위에서 순간적인 고온의 열발생 대신 연소실 벽면을 제외한 전체적으로 균일한 열발 생으로 인한 낮은 연소온도의 유지 때문으로 생각된다.
- 이러한 현상의 원인으로는 혼합연료 분무특 성의 결과에서 알 수 있듯이 비점이 높은 100% 디젤연료보다 가솔린이 혼합된 연료가 기화가 촉진되며, 분무각 또한 가솔린 비율이 증가할수록 작아지므로 연소에 유리한 예혼합기 형성이 원활하게 이루어진 결과라고 여겨진다. 한편, 가 솔린 함유량이 많아질수록 공기와의 혼합율이더 좋아질 것이 라고 생각되지 만, 50% 이상이 되면 분사되는 연료량이 많음에도 불구하고 점 화 원으로서의 역할을 하는 디젤연료의 함유량이 적어짐에 따라 착화지연기간이 길어져서 최고 압력 발생시기도 늦어지고 최고 연소압력도 저 하된다.
- 혼합비율이 50%를 넘는 경우에는 Pmax값이 직분식 디젤엔진보다 작은 값을 나타내고 있으며, 발생시기는 지각됨을 알 수 있다. 한편, 1/4부하조건인 경우에 가솔린 함 유량이 60%보다 적은 경우에는 연소압력은 직 접분사식 디젤엔진에 비해 증가하며, 가솔린 함 유량이 많아질수록 연소압력은 점차 낮아지며 Pmax발생시 기는 지각됨을 알 수 있다.
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