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제안 방법
연료의 자착화 특성이 HCCI 연소를 제어하는 지배적인 변수이므로, 연료의 기화 온도도 균일 혼합기 형성에 중요한 역할을 한다. 따라서, HCCI 연구자들은 Iso-Octane, Ethanol", Natural Gas(5,6,7,10), Hydrogen111; Gasoline12712'iei, Dieselfue(2,6,13,17) N-Heptane169171, Methanol'91, Propane(18) 등 여러가지 연료를 사용하여 HCCI 연구를 수행하였다. 이와 같은 연구들은 수소와 에탄올 등과 같이 휘발성 높은 연료가 공기와의 혼합이 쉽게 이루어지므로 균일 혼합기 형성에 유리하다는 사실을 보여주고 있다.
Law et al* 등은 내부 EGR율을 36% ~ 59% 적용하기 위하여 Active Val.,e Train (AVT) 시스템을 사용하여 자착화 연소 현상을 제어하였다. 이 연구에서는 1.
가시화 단기통 엔진을 이용하여 가솔린 HCCI 엔진 의 화염 가시화 실험을 수행하여 얻은 화염사진들을 비교하였다.
본 해설기사에서는 차세대 연소 시스템으로 현재 연구가 시작되고 있는 가솔린 HCCI 엔진의 연소 메카 니즘 및 실제 엔진의 적용 예를 간략하게 소개하였다. 향후 강화되고 있는 환경 규제 및 지구온난화에 직접 적으로 영향을 미치는 CO2 배출량을 감소시키기 위하여 전 세계 각국은 저연비, 저배기 엔진 연구에 많은 연구 개발이 진행되고 있는 단계이다.
대상 데이터
,e Train (AVT) 시스템을 사용하여 자착화 연소 현상을 제어하였다. 이 연구에서는 1.8L인 4기통 가솔린 엔진을 압축비 10.5:1인 단기통 엔진으로 개조하여 사용하였다. 공연비 변화나 흡기온도 변화 없이 내부 EGR을 사용하여 열발생 곡선이 상사점 부근으로 이동하는 것을 보여 주었다.
성능/효과
분사시기 및 착화시기의 차이가 증가됨에 따라 연소 안정성이 향상되는 경향을 나타내고 있다. Marriottsae 분사 시작 시기의 영향을 다양한 엔진 회전수와 공연비 조건에서 연구하여, 분사 시작 시기가 착화 시기 제어 및 비정상상태 운전 조건에 효과를 있음을 보여주고 있다. 이 연구에서 2 단 분사 및 다단 분사는 단일분사에 비하여 NOx가 80%정도 감소하는 결과를 보여주고 있다.
<그림 11>과<그림 12>를 비교하면, 엔진 회전수가 증가됨에 따라서 착화 지연 기간이 점점 짧아져야 하 므로 흡기 온도도 증가해지는 경향을 보이고 있다. 결 과적으로 운전영역도 고온 쪽으로 이동하는 결과를 나 타내며, 최대 도시 평균 유효 압력도 감소하는 경향을 보이고 있다.
5:1인 단기통 엔진으로 개조하여 사용하였다. 공연비 변화나 흡기온도 변화 없이 내부 EGR을 사용하여 열발생 곡선이 상사점 부근으로 이동하는 것을 보여 주었다.
본 실험은 가솔린 GDI 인젝터를 사용하여 실험한 결과로서 공연비 , 즉 혼합기 분포특성에 따라 냉염 발 생시기 및 착화시기는 큰 변화가 없으나 열염 발생시 기는 변화하는 경향을 보여주고 있다. 또한, 흡기온도가 상온이므로 공연비 조건이 36 - 42인 경우는 정상 적인 연소가 이루어지는 반면, 공연비가 희박해지면 실화가 일어나며 농후한 영역에서는 노킹이 발생하는 것으로 보고 되고 있다.
(6,8,11) Christensen et al, 6) 등은 흡 기 포트 분사방식을 사용하여 일정 공연비 조건에서 압축비를 10:1에서 28:1까지 변화를 시켰다. 이 연구 결과, 가솔린 연료의 경우는 흡기온도 상승 없이 만족스러운 운전조건을 유지하기 위하여는 22.5:1의 압축비가 요구된다는 사실을 밝혔으며, 압축비가 상승함에 따라 스모크는 감소하였고, NOx 배출량도 감소된다고 결론을 내렸다.
Marriottsae 분사 시작 시기의 영향을 다양한 엔진 회전수와 공연비 조건에서 연구하여, 분사 시작 시기가 착화 시기 제어 및 비정상상태 운전 조건에 효과를 있음을 보여주고 있다. 이 연구에서 2 단 분사 및 다단 분사는 단일분사에 비하여 NOx가 80%정도 감소하는 결과를 보여주고 있다.
<그림 5>는 밸브 개폐시기를 조절하여 유효 압축비 를 변화시켰을 경우의 압축행정 말기의 연소실내의 압 력을 나타낸 그림이다. 흡기밸브가 닫히는 시기를 빨 리함으로써 유효 압축비가 2정도 증가되는 것을 보여주고 있으며, 2,000rpm 미만에서는 압력 상승율의 결과는 미약하지만 밸브개폐시기 조절에 의하여 압축 비를 변화시 킬 수 있다는 사실을 알 수 있다.<표 1>에 는<그림 5>의 결과에 사용된 캠의 밸브 타이밍을 표 시하고 있다.
후속연구
향후 강화되고 있는 환경 규제 및 지구온난화에 직접 적으로 영향을 미치는 CO2 배출량을 감소시키기 위하여 전 세계 각국은 저연비, 저배기 엔진 연구에 많은 연구 개발이 진행되고 있는 단계이다. 그러므로, 국내 에서도 배기규제 및 저연비를 실현하기 위한 방법으로 본 HCCI 연소 시스템이 큰 기여를 할 것으로 판단되 므로, 아직까지 외국 선진 연구기관 및 기업과 큰 기술 적 차이가 없는 HCCI 연소 연구에 많은 연구가 필요 할 것으로 판단된다.
향후 연구 과제로는 가솔린 HCCI 연소 제어에 가장 기본이 되는 연료의 자착화 특성 및 흡기온도, 압 력, 연료 거동, 혼합기 조성 (EGR)이 자기착화에 미치는 영향을 분석함으로써 가솔린 HCCI 엔진의 연소 제어 기술을 확립하는 것이 시급한 문제이다. 또한, 연 료 공급 시스템 변수인 분사시기, 다단분사 및 엔진 제어 변수인 EGR, 밸브 타이밍 , 공연비 조건에 따른 가 솔린 HCCI 운전영역 및 배기성능 특성의 연구가진 행되어야 할 것으로 판단된다.
향후 연구 과제로는 가솔린 HCCI 연소 제어에 가장 기본이 되는 연료의 자착화 특성 및 흡기온도, 압 력, 연료 거동, 혼합기 조성 (EGR)이 자기착화에 미치는 영향을 분석함으로써 가솔린 HCCI 엔진의 연소 제어 기술을 확립하는 것이 시급한 문제이다. 또한, 연 료 공급 시스템 변수인 분사시기, 다단분사 및 엔진 제어 변수인 EGR, 밸브 타이밍 , 공연비 조건에 따른 가 솔린 HCCI 운전영역 및 배기성능 특성의 연구가진 행되어야 할 것으로 판단된다.
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