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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 이러한 파일럿 분사가 가 능한 커먼레일 분사 장치를 장착한 소형 단기통 디 젤 엔진을 이용하여 연료의 분사시기, 분사압력, 파 일럿 분사 및 엔진 회 전속도 등의 변화에 따른 연소 및 배기 특성을 규명 하고자 한다.
제안 방법
- 단기통 소형 디 젤엔진을 이용하여 운전조건의 변화에 따른 연소, 화염 및 배기 특성을 연구하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 기관으로부터 배출되는 배기가스의 분석을 위하여 NOx 분석기 (Yanaco, BCL-511)와 매연 측정기(DBC-1000), 그리고 HC, CO 분석기 등이 사용되 었 다. 또 연소실의 압력을 측정하기 위하여 압전식 압력센서(6052B1, Kistler)를 설치하였고, DAQ 보드 (National Instrument, PCI-MIO-16E-1, maximum sampling rate: 1.25MS/sec)와 LabVIEW 언어로 작성된 프로그램을 이용하여 실시간으로 데이터를 취득 하였다.
- 엔진 속도는 1000, 1500, 2000rpm의 세가지 조건으로 하였으며, 분사압력은 50MPa 과 lOOMPa의 두 가지 경우에 대하여 실험하였다. 또한 연료 분사시기의 영향을 알아보기 위하여 파일럿 분사와 주 분사의 시기를 다양하게 변화시켜 가면서 연소 및 배기 특성을 분석 하도록 하였다.
- Table 2는 본 연구에서 수행한 실험 조건을 정리한 것이다. 엔진 속도는 1000, 1500, 2000rpm의 세가지 조건으로 하였으며, 분사압력은 50MPa 과 lOOMPa의 두 가지 경우에 대하여 실험하였다. 또한 연료 분사시기의 영향을 알아보기 위하여 파일럿 분사와 주 분사의 시기를 다양하게 변화시켜 가면서 연소 및 배기 특성을 분석 하도록 하였다.
- 연소실에 장착된 6공 커먼레일 인젝터는 별도의 인젝터 드라이버(TEMS, TDA 3200H)에 의하여 통전 시간을 조절하여 원하는 분사량을 분사할 수 있도록 하였다. 연료의 분사압력은 유니버설 ECU(Bosch, ETK 7.1)의 운전 맵을 인터페이스 장치(ETAS, ES690)와 소프트 웨 어(ETAS, INCA ver. 4.0)를 통하여 변화시켜 원하는 실험조건으로 변경할 수 있게 하였다. 인젝터 드 라이버의 분사시작 시기를 제어하기 위한 트리거 신호를 생성하기 위하여 기관의 크랭크축에 설치된 엔코더(1800pulse/rev)와 생성 장치를 이용하였다.
- 1은 실험 장치의 개략도를 나타낸 것으로 기관은 DC 동력 계(45kW)로 구동하였다. 연소실에 장착된 6공 커먼레일 인젝터는 별도의 인젝터 드라이버(TEMS, TDA 3200H)에 의하여 통전 시간을 조절하여 원하는 분사량을 분사할 수 있도록 하였다. 연료의 분사압력은 유니버설 ECU(Bosch, ETK 7.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 인 젝 터 는 50M仲a의 분사압력 으 로 분사한 경우, 구동신호가 인가된 후 약 0.29msec(2.61 ° crank angle) 후에 실제로 연료분사가 시 작되었으며 분사가 종료되는 시 점도 구동전류의 인가가 종료되는 시점보다 지연되 고 있다.
- 본 연구에서는 최고 분사압력이 135MPa인 커먼 레일 시스템이 장착된 4밸브 단기통 승용 디 젤엔진 을 사용하였다. 연소실의 형상은reentrant 형이며 기존의 toroidal 형의 연소실 형상보다 배기 행정 중에 도 피스톤 캐비티 내의 공기 유동이 감소하지 않고 지속되어 급속한 연소가 가능하다*
- 0)를 통하여 변화시켜 원하는 실험조건으로 변경할 수 있게 하였다. 인젝터 드 라이버의 분사시작 시기를 제어하기 위한 트리거 신호를 생성하기 위하여 기관의 크랭크축에 설치된 엔코더(1800pulse/rev)와 생성 장치를 이용하였다.
이론/모형
- 5는 인 젝터 의 구동 전류와 분사율 그리 고 열 발생율과 연소압력을 종합적으로 나타낸 것이다. 분사율은 Bosch법(장관법) 분사율 측정 장치를 이용하여 측정한 값을 나타낸 것이다. 이 때의엔진속도는 1500rpm이고 분사압력 50MPa이다.
성능/효과
- 1) 분사시기 가 빨라질수록 총 연소 중에 예혼합 연소의 형태로 연소되는 비율은 감소하며 확산 연소 구간은 증가하는 것으로 나타났다.
- 2) 착화지 연기간은 분사시기가 늦어 질수록 길어지 게 되어 급격한 예혼합 연소에 의한 압력 상승을 초래하였다.
- 3) 엔진의 회전속도가 빨라질수록 연소실 압력이 낮아져 NOx의 발생량이 감소하였으나 공기와 의 혼합시간의 부족과 후연기간의 증가 등으로 인하여 soot 발생량은 증가하는 경향을 보였다.
- 4) 분사압력이 증가하게 되면 연료분사가 조기에 종료됨에 따라 연소압력 및 열발생율의 최고값 은 증가하며 이에 따라 NOx의 발생량은 증가하 였으나 고압 분사의 영향으로 soot는 거의 발생 하지 않는 결과를 보였다.
- 5) 파일럿 분사를 주분사 전에 분사시킨 경우에는 주 분사 연료가 거의 착화지연기간 없이 연소되 어 급격한 예혼합 연소에 의한 압력 상승이 줄어드는 것으로 나타났다.
- 따라 서 파일럿 분사 연료의 열발생율의 최고값이 낮아 지게 되고 파일 럿 분사와 주 분사 사이의 간격 이 길 어짐에 따라서 파일럿 분사 연료에 의한 연소 가스 가 연소실 내에서 더욱 희석된 후에 주연료가 분사 되게 된다.6) 이러한 영향으로 인하여 Fig. 6(a)에서 보는 바와 같이 파일럿 분사가 앞당겨질수록 파일 럿 분사에 의 한 주 분사 연료의 착화 촉진 작용은 감소하게 되어 주 분사 연료의 착화지연은 조금씩 길 어지게 되며 열발생율은 증가하는 경향을 보이고 있다.
- CO의 배출량은 파일 럿 분사와 주 분사와의 간격 이 가까운 경우에는 파일럿 분사를 하지 않은 경우보다 줄어 들었으나 주 분사와의 간격이 길어 질수록 발생량은 증가하는 것으로 나타났다.
- 기존의 디젤 엔진에서는 연소실에 분사된 연료가 바로 착화되지 않고 착화지연기간을 거쳐 급격히 연소하게 되 어 소음과 NOx가 발생하는 문제점이 있다. 그러나 커먼레일 분사 시스템의 적용에 따라 파 일럿 분사가 가능하여져서 주분사 이전에 소량의 연료를 연소실에 분사하여 연소시킴으로서 착화가 쉬운 분위기조건을 형성하게 되어 기존의 디젤엔진의 문제점 이었던 착화지 연에 이후에 발생하는 급격한 열발생을 줄여주게 되었다.
- 6) 파일럿 분사를 진각시킬수록 NOx의 발생량은 감소하는 것으로 나타났으며, 파일럿 분사시기 를 .42。까지 진각시킨 경우에는 파일럿 분사를 하지 않은 경우에 비하여 NOx 발생량이 18% 정도 감소하였으나, 니C와 CO는 증가하는 경향을 나타내었다.
- 또한, 회전속도가 증가할수록 연료의 혼합시간 감소로 인하여 Soot의 발생량은 증가하는 경향을 보였으며 HC와 CO의 발생량은 대 체로 분사시 기 가 지연됨에 따라 증가하는 경향을 나타내었다.
- 연료분사압력을 lOOMPa로 증가시켜 분사시킨 경우에는 예혼합연소의 증가로 인하여 NOx의 배출이 증가하는 경향을 보이며 확산연소 구간은 감소하여 soot는 거 의 배출되지 않는 것으로 나타났다. HC의 배출은 고압분사를 할 경우 2배 정도 증가하며 이것은 고압분사로 인하여 분무도 달거리의 증가로 분무가 연소실 면에 부딪치며 발생한 것으로 보인다.
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