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문제 정의
- 본 연구에서는 예혼합 연료의 특성이 연소 및 배출물 특성에 미치는 영향을 규명하기 위하여 내연 기관의 연료로 널리 사용되는 가솔린, 디 젤유와 기화온도가 98.4℃로 낮아 예혼합기 형성이 유리하고 착화성이 매우 우수한 n-헵탄에 대한 예혼합 연소 특성을 비교하였다.
제안 방법
- 예혼합 연료는 범용 ECU(Motec research, M8)를 통하여 제어되도록 하였다. 또한, 흡기의 가열과 조절을 위한 흡기가열 및 제어 장치 와 유량측정을 위한 열선식 유량계를 설치 하였다.
- 직분 연료의 분사시기는 BTDC 20。로 하였으며, 예혼합기 공급시스템에서 인젝터와흡기밸브사이 의 거리가 0.5 m로 길어 예혼합기의 분사시기에 의한 영향은 없는 것으로 나타났기 때문에〃 예혼합기의 분사시기는 TDC로 일정 하게 하였다.
- 3~5는 예혼합 연료의 종류에 따른 연소특성을 나타낸 것이다. 사용된 예혼합 연료의 종류는 가솔린, 디젤유, n-헵탄이며 예혼합률에 따른 연소 압력 및 열발생률 특성을 비교하였다. 흡기온도는 20℃, 엔진의 부하는20Nm로.
- 엔진의 속도와 부하는 1200 rpm, 20 Nm로 일정하게 유지시켰으며, 흡기온도의 영향을 알아보기 위하여 흡기온도를 20℃(2와 80℃(2로 변화시켰다. Table 2는 실험에 적용된 운전조건을 나타낸 것이다.
- 실험 장치는 디젤엔진과 동력계 시스템, 예혼합기 공급 및 제어장치, 흡기온도 제어장치, 연소 및 배기 분석 장치로 구성하였다. 예혼합 연료는 범용 ECU(Motec research, M8)를 통하여 제어되도록 하였다. 또한, 흡기의 가열과 조절을 위한 흡기가열 및 제어 장치 와 유량측정을 위한 열선식 유량계를 설치 하였다.
- 1은 실험장치의 실제 사진을 나타낸 것이며, 직분식 디젤엔진에 균일한 예혼합기를 공급하기 위하여 체적이 0.009 n?인 예혼합실을 흡기포트에 설치하고 고압 인젝터로 연료를 분사하여 예혼합기가 공기와 충분히 혼합된 후에 연소실에 공급될 수 있도록 하였다.
- 직접 분사식 디젤엔진에 예혼합기 공급 시스템을 적용하여 예혼합 압축 착화 디젤엔진에 예혼합연료 로가솔린, 디젤, D-헵탄을 예혼합한경우의 연소및 배기 특성을 연구한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 또 연소 압력 및 열발생률의 측정을 위하여 압전식 압력센서(6052B1, Kistler)를 연소실에 설치하였고, 데이터 취득 보드(National instrument, PCI-MIO- 16E-1)를 이용하여 작성된 프로그램으로부터 실험 데이터를 취득하였다.
- 실험 장치는 디젤엔진과 동력계 시스템, 예혼합기 공급 및 제어장치, 흡기온도 제어장치, 연소 및 배기 분석 장치로 구성하였다. 예혼합 연료는 범용 ECU(Motec research, M8)를 통하여 제어되도록 하였다.
- 실험에 적용한 엔진은 배기량이 673 cc인 4 사이클 직접 분사식 디젤엔진으로서, Table 1에 엔진의 주요 제원을 나타내었다.
성능/효과
- 1) 『헵탄 또는 가솔린을 상온에서 예혼합한 경우는 예혼합률 가 증가하여도 BSFC 의 악화는 거의 없었으나, 디젤유를 예혼합한 경우에는 예혼합 연료의 벽류로 인하여 BSFC7} 악화되는 결과를 보였다.
- 2) 가솔린을 예혼합한경우가 NOx와 수트의 동시저감 효과가 가장 우수하였고, 디젤유의 경우는 NOx 저감효과는 높았으나, 수트 저감에는 그다지 효과적이지 못하였다.
- 3) 디젤유를 예혼합한 경우, 80℃(2로 흡기를 가열하면 예혼합기의 기화가 촉진되어 BSFC가 향상되는 것으로 나타났다.
- 4) 자착화성이 낮은 가솔린을 상온에서 예혼합한 경우 HC의 배출량이 높게 나타났으나, 홉기를 80℃로 가열하면 HC의 배출량이 60%이상 저감 되는 것으로 나타났다.
- 6은 예혼합 연료의 종류에 따른 연비 특성을 나타낸 것이다. BSFC(brake specific fuel consump- tion)는 예혼합률이 증가할수록 다소 증가하는 경향 을 보이고 있으며 예혼합 연료의 종류에 따라 디젤 유 > 가솔린 > n-헵탄의 순서로 나타났다. 디젤을 예혼합한 경우가 BSFC가 가장 높게 나온 이유는 상온에서 예혼합한 경우, 기화 온도가 높은 디젤이 증발 하지 못하고 벽류된 양이 증가했기 때문으로 보인다.
- 가솔린과 디젤유를 각각을 예 혼합 연료로 사용한 경우에는 예혼합률의 증가에 따라NOx의 배출량은 선형적으로 감소하는 경향을 보였으며, n-헵탄을 예혼합한 경우는 rp 0.5 에서는 오히 려'N* O의 배출량이 증가하는 것으로 나타났다.
- 그러나 흡기온도를 80℃로 가열한 경우는 거의 대부분의 연료가 기화되어 엔진에 공급되는 것이 확인되었다. 따라서 디젤유를 예혼합한 경우에 흡기를 가열하면 예 혼합 연료의 기화성 향상에 따른 벽류의 감소로 BSFC가 감소하였다고 판단되며, 상온에서도 기화성이 좋은 가솔린과 n-헵탄을 예혼합한 경우, 본 운전조건에서는 흡기가 열에 의한BSFC 향상은 거의 없는 것으로 보인다.
- 12는 흡기가열에 따른 HC 배출량의 변화를 나타낸 것이다. 세 가지 예혼합 연료의 경우에서 모두 흡기온도를 80%로 가열하면 HC 배출량이 감소하는 결과를 보이고 있으며, 이것은 흡기가열로 연소실내의 혼합기 온도가상승하여 예혼합기의 HCCI 연소가 촉진된 결과로 판단된다. 특히 자착화성이 낮은 가솔린의 경우, 흡기온도 20℃에서는 예 혼합율의 증가에 따라 HC 발생량이 급격히 증가하는 경향을 보였으나, 80℃로 흡기를 가열하면 HC 배출량이 최고60% 이상 감소되었다.
- 수트의 배출량은 가솔린을 예혼합한 경우가 가장 저감률이 큰 것으로 나타났으며 n-헵 탄을 예혼합한 경우는 오히려 배출량이 증가하였다.
- 9~11은 예혼합기의 종류에 따라 흡기온도를 20%와 80。(3로 변화시킨 경우의 BSFC 변화를 나타 낸 것이다. 흡기의 가열은 디젤연료를 예혼합한 경우에 BSFC를 감소시키는 효과가 가장 큰 것으로 나 타났다.
후속연구
- 그러나 불완전 연소의 증가로 인하여 HC 와 CO의 배출이 증가하고 연료소비율이 악화되는 결과를 보였으며, Simescu 등©은 대형 디젤엔진에 EGR의 적용과 함께 예혼합기를 공급하여 착화하는 방식으로 NQ 배출물을 저감시 킬 수 있다고 보고하였다. 또한, HCCI 연소를 위해 사용되는 연료도 가솔린, LPG, 디젤, DME, 알코올 등을 이용하여 많은 연구가 수행되고 있으며 이러한 예혼합 연료의 종류에 대한 심층적인 연구가 필요하다고 판단된다.
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