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문제 정의
- 현재 다양한 예혼합방식이 존재하고 있으나, 운 전영역의 확대, 착화제어, 연비악화, 천이영역에서 의 운전성등의 문제점에 당면해 있다. 따라서 본 연구에서는 현재의 기술상황을 고려하여 1차적으로 성능개선을 위한 운전영역의 설정과 운전영역에 따른 분사방식의 설정 및 실험을 수행하였다. Fig.
- 본 연구는 실용성을 고려한 HCCI 엔진의 기술개발을 목표로 하고 있으며, 본 논문에서는 진행 중인 연구의 일부로서 엔진의 운전영역에 적합한 예혼합 기 형성 방안을 설정하여 이의 동력 및 배기 그리고 연소율 특성 등의 고찰 결과를 제시하였다.
제안 방법
- 먼저 다단분사의 연소율 형태와 각 분사가 각각의 연소에 미치는 상호작용을 확인하기 위하여 연 료 15mn?/st인 경우의 단일분사 HCCI 연소와 15mm3/st 씩 두 번 분사되는 다다분사 HCCI 연소의 열발생율 특성을 비교하였다. 다음의 Fig.
- 1) 인젝터의 작동 특성을 고려하여, 연료량에 따른 운전영역별로 단일분사와 다단분사 방식을 설 정하여 연소 및 배기 성능 특성을 제시하였다.
- 단, 본 연구에서는 단기통엔진을 사용하기 때문에 BMEP에 대한 비교는 무의미한 것으로 고려되 어, IMEP를 기준으로 설정하였다. IMEP 설정시 BMEP와 약 2bar정도의 균일한 차이가 있는 것으로 설정하였다.
- 두 경우 중 case 1은 각 분 사가 독립적 인 HCCT 연소 형태를 가지도록 하는 형 태3)이며, case2는 새로운 연소의 형 태로서 1 단 분사는 저온반응을 유지시킨 채 2단분사룔 착화제어수 단으로 활용하는 방안®이다. 두 가지 경우 모두 단일 분사의 문제점 개선에 효과가 있을 것으로 보이며, 본 실험에서의 열발생율을 고찰하여 그 연소의 성격과 특성을 조사하였다.
- 본 논문에서는 2단 분사 방식의 연소 특성을 중점 적으로 제시하며, Table 1에 2단 분사시의 주요 실험 조건을 나타내었다.
- 본 연구에서 적용한 다단분사방식의 동력(IMEP) 및 배기 특성을 첫 번째 및 두 번째 분사의 시기를 변화시키며 조사하였다. Fig.
- 본 연구에서는 HCCI 엔진의 기술과제인 운전 영역 확대를 위하여 중부하이상(IMEP 5~6bar)의 영역 에서 다*)을 단분사방식 적용하였으며, 이러한 연료 공급방식은 부분 예혼합의 특성을 가질 수 있으나, 엔진의 기본 형상의 변화와 IMEP의 손실이 비교적 적은 상태에서도 질소화합물(NOx)와 스모크(smoke) 의 저감을 실현할 수 있었다. 이러한 기본 성능 실험과 분석을 통하여 추후 성능 향상을 위한 방안을 설정할 수 있었으며, 추후 계속적인 성능 개선을 수행 하고자 한다.
- 실험은 분사방식의 비교를 위하여 동일 연료량에 서의 다양한 분사 시 기에 대한 단일 분사 및 2단 분 사방식에서의 연소 실험이 수행되었다.2단 분사 시 첫 번째 분사와 두 번째 분사의 연료량은 동일(각 분사량 15mm3/st)하게 하였다.
- 이러한 개념으로부터 연료량이 적은 경우는 안정적인 분사를 위한 인젝터의 최소 통전시간을 고려하여 단일 분사를, 연료량이 비교적 많은 구간부터는 2단 분사 방식을 적용하였으며, 단일 분사방식 에 대한 2단 분사 방식의 특징을 Fig. 3에 종합하여 나타내었다.
- 따라서 착화제어 성능이 좀 더 우수할 것으로 보여지는 Case 2의 연소 형태를 좀 더 확실히 유지하기 위하여서는 첫 번째 분사연료의 착화를 억제하기 위한 엔진조건의 설정이 필요한 것을 알 수 있다. 한편으로 다단분사에서 두 번째 분사는 스모크에 많은 영향을 미치는 것으로 파악이 되었으 며(Fig. 6참조), 두 번째 분사시기 변화에 대한 열발 생율 특성의 고찰을 수행하여 그 원인을 파악하여 보았다. 두 번째 분사 시기의 지연은 Fig.
대상 데이터
- 연소실내 압력측정을 위하여 압전소자형의 압력 센서(Kistler사, 6051B1)를 실린더헤드에 부착하였으며, 센서신호의 보정을 위하여 흡기관내에 반도 체 형 의 압력 선!서(Kistler사, 4045A2)를 부착하였다. 본 연구를 위하여 실험용 단기통엔진을 제작하였으며, 연료계는 다단분사가 가능한 커먼레일형의 연료공급계와 상용 연료 펌프로 구성되어 있다. 이 외에 데이터 취득 장치 및 연료계 제어용 시스템을 구축하였다.
성능/효과
- Fig. 8(a)의 실험결과 그림에서 보이듯이 엔진회 전속도, 분사 압력등에 관계없이, 분사시기가 빨라 짐 에 따라 질소화합물 발생량은 BTDC 30도를 기 점 으로 줄어 들기 시 작하여 BTDC 60 부근의 분사부터 는 안정적인 최저발생량을 유지하는 것을 보여주고 있다. 이러한 결과는 Fig.
- 2) 다단분사의 경우 단일분사에 비하여 실용성면 에서 우수한 특성을 나타내었으며, 첫 번째 분사 는 질소화합물 배출 저감에 그리고 두 번째 분사 는스모크배출저감에 영향을미치는것을 알 수 있었다.
- 3) 다단분사의 경우 두 번째 분사된 연료의 연소에서 예혼합비율이 커질수록 스모크 배출 저감 성 능이 우수함을 알 수 있었다.
- Fig. 4의 IMEP 결과로부터 단일분사 HCCI 경우보다 엔진의 형상 변경 없이 동력 확보 면에서 우수한 것을 볼 수 있으며, 분사시기 변화에 대하여 비교적 균일한 IMEP 성능을 가지는 것으로 보여 진다. 이는 기존의 디젤 연소 방식과 조기 분사 HCCI 연소방 식 이 분사시기에 따라 동력성능에 많은 영향을 받 는 것과 달리 좀 더 폭넓은 분사시기의 자유도를 가지고 있음을 알 수 있다.
- 즉, 본 연구의 실험엔진에서 분사종료가 대략 BTDC 30도 이전의 범위에 존재하는 경우에는 분사가 착화 이전에 모두 완료될 수 있는 시기 이며, 따라서 광의적으로 예혼합기 형성이 가능한 것으로 보여진다. 그러나 분사시기가 BTDC 30도 이전이라 하더라도 분사시기에 따라 그 혼합율이 다르므로 비교적 HCCI 연소에 부합된 연료공기 혼합기의 형 성을 위하여서는 좀 더 빠른 BTDC 60 근방의 분사 시기에 분사되는 것이 타당할 것으로 보인다.
- 다단분사에서 첫 번째 분사시기는 전술되 었듯이 질소화합물 배출 저감에 매우 중요한 인자이며, Fig. II에서 보이듯이 첫 번째 분사시기의 진각에 따라 최고 연소 압력이 저감되는 것을 알 수 있었다. 또한 첫 번째 분사시기의 지 연은 Fig.
- 또한 질소화합물과 마찬가지로 첫 번째 분사에 좀 더 영향을 받는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 조기분사를 최적 매칭할 수 있는 인젝터의 형상 변경과 연소실형상과의 최적 매칭을 통한 성능개선은 계속 추진되어 야 할 연구대상임을 확인할 수 있었다.
- 7(a)의 탄화수소의 경우 일반적인 디젤 엔진 의 경우보다 높은 배출량을 보여주고 있으나, 단일 분사의 경우보다는 낮은 배출 특성을 나타내고 있다. 또한 질소화합물과 마찬가지로 첫 번째 분사에 좀 더 영향을 받는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 조기분사를 최적 매칭할 수 있는 인젝터의 형상 변경과 연소실형상과의 최적 매칭을 통한 성능개선은 계속 추진되어 야 할 연구대상임을 확인할 수 있었다.
- 이러한 착화 특성은 압축 온도의 영향을 가장 주요하게 받는 것으로 보인다. 즉, 본 연구의 실험엔진에서 분사종료가 대략 BTDC 30도 이전의 범위에 존재하는 경우에는 분사가 착화 이전에 모두 완료될 수 있는 시기 이며, 따라서 광의적으로 예혼합기 형성이 가능한 것으로 보여진다. 그러나 분사시기가 BTDC 30도 이전이라 하더라도 분사시기에 따라 그 혼합율이 다르므로 비교적 HCCI 연소에 부합된 연료공기 혼합기의 형 성을 위하여서는 좀 더 빠른 BTDC 60 근방의 분사 시기에 분사되는 것이 타당할 것으로 보인다.
- IMEP 설정시 BMEP와 약 2bar정도의 균일한 차이가 있는 것으로 설정하였다. 현재까지의 연구결과8를 토대로 나타낸 Fig. 2에 보이듯이 대체적으로 단일 조기 분사에 의한 HCCI 연소 방식 보다는, 다단분사 전략이 다중 연소모드와 실용성 면에서 엔진 제원의 큰 변경 이 없이 HCCI 연소를 적용하기 용이할 것으로 판단되었다.
후속연구
- 4) 단일분사 및 다단분사의 경우 탄화수소의 발생을 추가 저 감할 필요성 이 있음을 다시 한번 확인 하였으며, 이를 위한 인젝터 및 연소실 형상개선 등의 필요성을 확인하였다.
- 5) 단일분사 및 다단분사시 추후 압축비의 조정을 통하여 착화제어성능 향상 및 연소와 배기 특성 의 개선등의 지속적인 연구를 수행하고자한다.
- 다음의 Fig. 4~7에 나타나있는 실험결과로부터 전반적으로 다단분사의 적용 목적에 부합되는 결과를 얻었으나, 질소화합물 저감 성능에 비하여 스모크 저감은 좀 더 성능 개선이 필요함을 알 수 있었다.
- 본 연구에서는 HCCI 엔진의 기술과제인 운전 영역 확대를 위하여 중부하이상(IMEP 5~6bar)의 영역 에서 다*)을 단분사방식 적용하였으며, 이러한 연료 공급방식은 부분 예혼합의 특성을 가질 수 있으나, 엔진의 기본 형상의 변화와 IMEP의 손실이 비교적 적은 상태에서도 질소화합물(NOx)와 스모크(smoke) 의 저감을 실현할 수 있었다. 이러한 기본 성능 실험과 분석을 통하여 추후 성능 향상을 위한 방안을 설정할 수 있었으며, 추후 계속적인 성능 개선을 수행 하고자 한다.
- 이와함께 단일분사 및 다단분사 모두 조기에 일정 연료가 분사되고 있으므로, 추후 분사각의 조정 을 통한 성능 향상에 대한 추가 연구가 필요한 것을 알 수 있다.
- 전반적으로는 본 실험에서의 두 번째 연소는 착 화제어 기 구보다는 지 연분사(Late 而ection)형 의 HCCI 연소 형태를 가지고 있었으며, 추후 압축비의 하향 조정을 통하여 두 번째 분사의 착화제어 수단으로 서의 활용성과 그 성능 특성에 대한 고찰을 수행할 필요가 있다.
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