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가설 설정
- 볼 수 있듯이 T 의 값은 배기포트에 설치되어 있는 '배기가스의 온도를 .온도센서로부터 얻어 실린더 내의 배기가스의 온도와 같다고 가정하였다. 기체상수 R 의 값은 실린더 내로 유입되는 혼합기의 당량 비를 고려하여 그에 맞게 수정한 값을 넣었다.
제안 방법
- 연료 특성상 디젤과 비교하여 가솔린의 자기착화(auto ignition) 온도가 높기 때문에 이러한 문제점을 보안하기 위하여 자기 착화 온도까지 온도를 높여주기 위하여 NVO 방법을 이용하여 연소실내 온도를 증가시켰다. CAI 연소의 배기 특성을 분석하기 위해 스모크 메타와 배기 분석계를 사용하였다.
- 2 에서 제안한 개략도를 이용하여 NVO 를 적용한 밸브 타이밍과 리프트의 개폐시기를 나타낸 결과이다. 내부 EGR 에 의한 재압축의 영향으로 흡기포트 방향의 역류로 인한 열손실 현상과 흡입 공기량 확보를 위해 흡기 밸브의 열림 시 기를(ATDC 40°) 늦추었다. 각각의 밸브 담힘 시기에 따른 내부 EGR 의 정량적인.
- ,e overlap)을 이용하여 내부 EGR사용을 구현하였다. 또한, NVO 를 이용한 내부 EGR 량과 분사시기에 따른 운전영역과 배기특성을 분석하였다. 분사시기 변화 및 NVO 시기 변화에 따른 조기 분사 시 연소 특성을 분석하였으며, 이에 관한 따른 배기 특성을 분석하였다.
- 본 실험에서는 단기통 직분식 가솔린 엔진을 기본으로 새로운 연료 시스템을 구성하였으며, 균일혼합 및 성층 혼합 엔진 시스템을 구축하였다. Table 1과 Table 2에 엔진 및 인젝터 제원을 나타내었으며, Fig.
- 본 연구에서 NVO 와 가솔린 직분식 인젝터를 사용하여 CAI 연소를 구현하였다. EGR 율과 공연비를 기준으로 운전영역과 배기특성 및 압력 특성의 상관관계를 다음과 같이 정리하였다.
- 본 연구에서는 직접 분사식 가솔린 인젝터와 NVO(negative val.,e overlap)을 이용하여 내부 EGR사용을 구현하였다. 또한, NVO 를 이용한 내부 EGR 량과 분사시기에 따른 운전영역과 배기특성을 분석하였다.
- 또한, NVO 를 이용한 내부 EGR 량과 분사시기에 따른 운전영역과 배기특성을 분석하였다. 분사시기 변화 및 NVO 시기 변화에 따른 조기 분사 시 연소 특성을 분석하였으며, 이에 관한 따른 배기 특성을 분석하였다.
- 저압 커먼레일 인젝터는 중공형 인젝터를 사용하였으며, 압축행정 초기에 분사된 연료의 벽면 충돌에 의한 퇴적을 감소시키기 위하여 분사압력은 디젤 엔진보다 낮은 분사압력인 5MPa 를 선정하였다. 연료 특성상 디젤과 비교하여 가솔린의 자기착화(auto ignition) 온도가 높기 때문에 이러한 문제점을 보안하기 위하여 자기 착화 온도까지 온도를 높여주기 위하여 NVO 방법을 이용하여 연소실내 온도를 증가시켰다. CAI 연소의 배기 특성을 분석하기 위해 스모크 메타와 배기 분석계를 사용하였다.
- 따른 .운전영역과 배기특성실험을 하였다. 조기 분사 시는;흡입 공기량에 영향을 줄 수 있는 압축 TDC 기준, BTDC 360°, 270°와 흡입 행정 중에 분사를'하였다.
- 본 연구에서 사용된:.저압 커먼레일 인젝터는 중공형 인젝터를 사용하였으며, 압축행정 초기에 분사된 연료의 벽면 충돌에 의한 퇴적을 감소시키기 위하여 분사압력은 디젤 엔진보다 낮은 분사압력인 5MPa 를 선정하였다. 연료 특성상 디젤과 비교하여 가솔린의 자기착화(auto ignition) 온도가 높기 때문에 이러한 문제점을 보안하기 위하여 자기 착화 온도까지 온도를 높여주기 위하여 NVO 방법을 이용하여 연소실내 온도를 증가시켰다.
- 운전영역과 배기특성실험을 하였다. 조기 분사 시는;흡입 공기량에 영향을 줄 수 있는 압축 TDC 기준, BTDC 360°, 270°와 흡입 행정 중에 분사를'하였다.
- 그림에서 볼 수 있듯이, 배기밸브 닫힘 시기가 빠를수록 잔류 배기가스로 인해 압력이 증가하는 것을 알 수 있다. 직분사식 엔진에서 재압축 기간 내 연료 분사 시, 가솔린의 기화특성이 흡입공기에 미치는 영향을 고려하여 분사시기를 BTDC 360°와 270°를 선택하였으며, 연료 성층화에 따른 연소특성을 고려하기 위해서 BTDC90°를 분사시기로 선정하였다.
대상 데이터
- 1에 가솔린 직접 분사식 CAI 엔진의 개략도를 나타내었다. 본 연구에서 사용된:.저압 커먼레일 인젝터는 중공형 인젝터를 사용하였으며, 압축행정 초기에 분사된 연료의 벽면 충돌에 의한 퇴적을 감소시키기 위하여 분사압력은 디젤 엔진보다 낮은 분사압력인 5MPa 를 선정하였다.
이론/모형
- 각각의 밸브 담힘 시기에 따른 내부 EGR 의 정량적인.값을 구하기 위해서 다음과 같은 이상기체 방정식을 사용하였다.
성능/효과
- (1) 조기 분사방식의 CAI 연소의 운전영역은 내부 EGR 율이 증가함에 따라 확대되었으며, 저 EGR 율에서는 Knocking 으로 인해 협소한 운전영역을 나타내었다.
- (2) CAI 연소의 특징은 후연소 구간이 없는 예혼합 급속연소를 특성을 갖고 있으며, 내부 EGR 율의 증가에 따라 착화 시기는 지각되고, 공연비가 증가함에 따라 착화시기가 빨라지는 특성을 보였다.
- (3) 예혼합 연소로 인한 급속연소에 의하여 전체적인 NOx 수치는 높게 나타났으나, EGR 율이 증가 함에 따라 NOx 의 수치는 감소함을 알 수 있었다. HC 는 EGR 율이 높을수록 약간의 상승 경향을 보이는데, 이것은 잔류배기 가스가 연소에 부정적인 영향을 끼침으로써 나타나는 현상으로 판단된다.
- (4) EGR 율, 공연비 및 엔진 회전수 변화에 따른연소 안정성 특성 결과, EGR 율은 18~36% 영역과 희박한 공연비에서도 안정적인 연소 특성을 보였다. 이는 연료가 자착화할 수 있는 최소한의 EGR 율이 확보된다면 안정적인 연소 특성을 보일 것으로 사료된다.
- 10 은 조기 단일 분사 시 EGR 율과 λ값에 대한 CAI 연소의 운전영역을 나타낸 결과이다. EGR 량 변화에 따른 운전영역 특성 측정 결과, EGR 량이 증가함에 따라 운전영역이 증가하는 특성을 보이고 있다. 이러한 이유는 낮은 압축비와 높은 EGR 량의 영향으로 착화시기를 지연 시킴으로써 노킹 (knocking)이 발생하지 않음을 알 수 있었으며, 근처까지 운전이 가능함을 알 수 있었다.
- 이 증가함에 따라 운전가능 영역이 증가하였고, 내부 EGR 에 의한 착화지 연과 가솔린 자착화 안정화로 인하여 IMEP 값도 높아 짐을 알 수 있다. 내부 EGR 에 의한 예혼합에 의한 급속연소로 인하여 IMEP 특성은 좋지 만, IMEP 값이 일정영역에 한정됨을 알 수 있었다. ,
- 흡기포트 가열식, 압축비(compression ratio)의 변화, 연료의 특성 및 내부 EGR 과 같은 많은 방법이 있지만, CAI 연소를 구현할 수 있는 가장 현실적인 방법은 내부 EGR 방법이다. 내부 EGR 을 사용함으로써 얻을 수 있는 2 가지 효과는 첫째, 압축 행정 동안 연료의 자착화 온도까지 쉽게 도달할 수 있으며, 둘째, 노킹과 착화 시기를 지연 시킬 수 있는 효과가 있다.(255)
- 5에 나타내었다. 본 연구에 사용된 엔진의 특성에 따라 1200rpm 에서 최대 공기 흡입량을 보였으며, 밸브 닫힘 시기가 빨라질수록, 즉 EGR 량이 많아 질 수록 흡입 공기량이 줄어드는 것을 볼 수 있다. 이는 rpm 이 빨라질수록 2 밸브 특성에 따라 실린더 내에 남아 있는 잔류배기가스의 유동이 방해를 받아 많은 양의 EGR 로 인해 흡입 공기량이 줄어드는 현상임을 알 수 있었다.
- EGR 량 변화에 따른 운전영역 특성 측정 결과, EGR 량이 증가함에 따라 운전영역이 증가하는 특성을 보이고 있다. 이러한 이유는 낮은 압축비와 높은 EGR 량의 영향으로 착화시기를 지연 시킴으로써 노킹 (knocking)이 발생하지 않음을 알 수 있었으며, 근처까지 운전이 가능함을 알 수 있었다. 배기 밸브 담힘 시기를 BTDC 50°, 70°, 90°으로 설정했음에도 EGR 율이 고른 분포를 가지는 이유는 일정한 연료량에 따른 흡입 공기량을 측정하여 공연비를 산출하였기 때문이다.
- EGR 율 영역은 18-36 청도에서 lOOOrpm 과 1200rpm 안정된 연소 특성을 보였다. 전체적으로 EGR 량 변화 및 희박한 공연비 내에서도 안정된 연소 특성을 확인할 수 있었다.
- .증가함에 따라 IMEP 값은 감소하는 특성을 보였다. 그림에서 색으로 구분하여 밸브 담힘 시기를 기준으로 IMEP 를 표시한 것은 각각 EGR 율이 나타내는 IMEP 영역에.
- 공연비가 감소함에 따라 연소 최고 압력은 TDC 부분으로 지각되는 특성을 볼 수 있었다. 착화시기는 진각되는 특성을 볼 수 있었으며, 연소기간은 다소 증가하는 특성을 보였다. 따라서, EGR 율이 .
- 내부 배기 가스가 가솔린 자착화 온도를 돕는 영향이외에 순수 EGR 효과의 영향을 받는 것이다. 착화시기를 지연함으로써, 최대 압력 발생구간을 TDC 이후로 가져갈 수 있었고, 연소 구간을 길게설정함으로써 급격한 열발생율로 인한 NOx 배출을 저감 효과를 가져올 것으로 사료된다.
후속연구
- 조기 분사 CAI 연소는 운전영역이 협소하기 때문에 연료량의 증감에 따른 Knocking 현상과 실화(Misfiring) 현상이 수반된다. 내부 EGR 로 인한 착화 시기의 지연 현상과, 연소 시간의 지 연은 차후 소개될 연료 성층화와 연결되어 운전영역의 확대에 큰 영향을 줄 것이라 생각된다.
- EVO50°인 경우에 노킹과 실화 현상으로 인하여 일정 IMEP 영역에서만 특성을 나타내었으나, EVC 90°인 경우에서는 전반적인 IMEP 영역의 특성을 보이고 았다. 본 연구를 통하여 EGR 량을 더욱 증가 시킬 수 있으며, 그에 따른 IMEP 증가효과도 볼 수 있을 것으로 생각된다.
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