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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 LPLi엔진의 시동성을 파악하기 위한 기초실험으로 부탄 100%, 프로판 100%를 사용하여 LPG 연료의 분사특성을 파악하였다. 분사각도를 측정하기 위하여 별도의 인젝터 리그를 제작하여 실험하였으며, 실험조건은 아이들 / 부분 부하 / 전 부하 등의 조건을 고려하여 엔진회전수와 분사 시간을 800 rpm / 6 msec, 2000 rpm / 6 msec, 5000 rpm / 12 msec 등으로 분무 시험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 배출가스 분석기와 GC 등을 사용하여 LPG 연료 조성비와 관련한 기초실험을 수행하였다. 또한 각 연료별 분사 형상 / 연소현상 / 배기배출물에 대한 실험을 수행 하여 이상의 연구에서 얻은 결론을 종합하면 다음과 같다.
제안 방법
- 그러므로 전세계 연료 성상에 따른 LPG 엔진의 연소 특성과 배기배출물 수준에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 배출가스 분석기 (HORIBA MEXA-8120D) 와 GC(Gas Chromatography)를 사용하여 LPG 연료 조성비와 공연비 변화에 따른 촉매 정화효율 및 배기 배출물을 전체 / 개별적인 HC 배출 특성으로 나누어 분석하였다.
- 유럽의 국가들과 미국의 경우 LPG연료의 대부분을 프로판으로 사용하고 있으며, 한국과 일본의 경우 프로판 함유량이 최대 35%, 30%인 LPG 연료를 사용하고 있다. 따라서 본 연구에서는 시험용 LPG연료로서 부탄 100%, 프로판 23% + 부탄 76%, 프로판 50% + 부탄 50%, 프로판 100%의 각기 다른 조성비를 사용하여 LPG 연료의 조성 비에 따른 분사 특성과 연소 특성, 배출가스 특성을 연구하였다.
- 따라서 본 연구에서는 LPLi엔진의 시동성을 파악하기 위한 기초실험으로 부탄 100%, 프로판 100%를 사용하여 LPG 연료의 분사특성을 파악하였다. 분사각도를 측정하기 위하여 별도의 인젝터 리그를 제작하여 실험하였으며, 실험조건은 아이들 / 부분 부하 / 전 부하 등의 조건을 고려하여 엔진회전수와 분사 시간을 800 rpm / 6 msec, 2000 rpm / 6 msec, 5000 rpm / 12 msec 등으로 분무 시험을 수행하였다.
- 8은 연료 조성에 따른 시동 지연 시간을 나타낸 것이다. 시동 지연을 즉정하기 위해 MAF (Mass Air Flow: 공기 질량 유량), 배터리 전압, 엔진의 회전속도, 연료 펌프의 압력 등을 측정하였다. 부탄 100% 연료의 시동 지연 기간은 1.
- 나타내었다. 연료 탱크 압력에서 압력조절기를 통해 Ap=5 bar로 일정하게 유지하며 분사를 하였다. 부탄 100%의 아이들 / 부분 부하 / 전 부하일 때의 분사량을 보면 3.
- 0이고, 연소 현상 해석을 위하여 점화플러그 타입의 압력센서를 실린더에 장착하고 연소해석기를 이용하여 분석하였다. 연소속도의 비교 시점은 0~90%가 연소되는데 걸리는 시간을 기준으로 비교하였다. Fig.
- 3은 연료 조성비에 따른 연소속도를 나타낸 것이다. 운전 조건은 2000 rpm, BMEP 2.0 bar 및 A =1.0이고, 연소 현상 해석을 위하여 점화플러그 타입의 압력센서를 실린더에 장착하고 연소해석기를 이용하여 분석하였다. 연소속도의 비교 시점은 0~90%가 연소되는데 걸리는 시간을 기준으로 비교하였다.
- 촉매는 MCC(Manifold Catalytic Converter) 와 UCC(Underfloor Catalytic Converter)가 장착이 되어 있으며 MCC의 전 / 후에서 GC와 배출가스분석기로 촉매정화 효율 및 배기 배출물 특성, 압력센서에 의한 연소해석 등을 파악하였다.
- MCC 전. 후에각각 샘플링 라인을 설치하여 연료의 조성이 바뀜에 따라 공기 과잉률의 일정한 변화에 따른 촉매 정화효율을 확인하였다. 불완전 연소에 의해 공기 과잉률이 감소한 구간에서의 정화율이 저조함을 알 수 있다.
- 0 bar에서 MCC 전.후의 THC와 NOx 성분의 정화효율을 배출가스 분석기를 이용하여 나타낸 것이다. 성분별 정화효율은 이론공연비 영역인 X=1 부근에서는 HC의 산화율이 높기 때문에 THC는 90% 수준의 높은 정화율이 나타난다.
대상 데이터
- 배기가스 중 탄화수소의 종류와 각각의 농도를 측정하기 위하여 GC(모델 HP 5890 series H)를사용하였다. 컬럼은 capillary 50m X 0.
- 1은 촉매 정화효율을 측정하기 위한 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다. 실험에 사용한 엔진은 현재 양산 중인 차량의 V6 2.7L급 LPLi 엔진으로 인젝터 구동용 모듈이 내장된 전용 ECU 를 장착하고 있다. 연료공급은 내장형(BLDC펌프) 연료펌프를 사용하고 있으며, 압력조절기에 의해 △ p=5 bar로 일정하게 연료가 공급된다.
- 컬럼은 capillary 50m X 0.53mm X 15.0㎛ (HP-PLOT U), N2로 작동되는 10-포트 기체 샘플링 밸브를 사용하였다. Table 3에 GC의 분석조건을 나타내었다.
성능/효과
- (1) 엔진 운전 조건은 2000 rpm, BMEP 2.0 bar로 일정하게 유지하며 연료 조성비에 따른 개별탄화수소 의 배출가스 특성을 가스크로마토그래피를 사용하여 축매정화효율을 측정하였을 경우 부탄의 함량이 증가할수록 정화율이 높음을 알 수 있었다.
- (2) 엔진의 연소속도는 MFB 90%의 경우 부탄 100%의 연소시간이 14℃A ATDC / 프로판 100% 의 연소시간이 19℃A ATDC로 프로판의 함량이 증가할수록 부탄에 비해 연소속도가 다소 지연됨을 알 수 있다.
- (3) 2000 rpm, BMEP 2.0 bar의 엔진 운전조건에서 배출가스 분석기를 통한 촉매 전 / 후의 정화율을 분석한 결과 프로판의 함량이 증가할수록 HC의 정화율은 저조함을 확인하였고, NOx의 정화율에는 큰 영향이 없음을 확인하였다.
- (4) 연료의 성분별 분사 성상은 프로판의 연료 특성상 증기압이 높기 때문에 연료탱크 내부의 압력 및 분사압력이 높아 상이 변하여 액상과 기상이 동시에 분사됨을 알 수 있었다. 또한 부탄에 비해 프로판 연료의 분사 유량이 많음을 확인하였다.
- 나타낸 것이다. Fig. 4와 동일한 조건으로 측정을 한 것으로 부탄 100%의, 프로판 23%+부탄 76%, 프로판 50%+부탄 50%는 92%이상의 정화율을 보이며, 프로판 100%의 경우 프로판 성분의 정화율이 85%로 가장 저조함을 나타낸다.
- THC의 발생량은 작아진다. X=1.0 영역에서 부탄의 THC 정화율이 95.8%, 프로판의 정화율이 81.3%이며 프로판의 성분이 증가할수록 THC 정화율이 저하됨을 알 수 있다. 이는 부탄에 비해 프로판의 탱크 압력 및 분사압력이 높아 분사량이 증가하여 배출가스의 양 또한 증가함에 따라 촉매 정화율이 감소함을 알 수 있다.
- 동시에 분사됨을 알 수 있었다. 또한 부탄에 비해 프로판 연료의 분사 유량이 많음을 확인하였다.
- 로 프로판의 함량이 증가하면 시동지연이 발생함을 확인하였다. 시동 시 연료탱크 내부압력 또한 부탄 100%의 압력이 프로판 100% 대비 1/2수준임을 확인하였다. 시동 시간 지연은 연료 성상에 따른 보상된 제어 로직의 적용으로 개선 가능할 것으로 예상 된다.
- 2는 가스 크로마토그래피로 분석한 연료 조성비에 따른 성분을 나타내었다. 여름철 연료와 유사한 부탄 100%에서는 이소부탄, 노멀부탄, 노멀헵탄 등이 검출되었으며, 겨울철 연료인 프로판 23% + 부탄 76% 그 외 프로판 50% + 부탄 50%에서는 프로판, 이소부탄, 노멀부탄, 노 멀 헵탄, 프로판 100%는 에틸렌, 프로판, 노멀부탄 등이 검출되었다.
- 점 화시 기를 EMS , 전용 S/W인 SAM2000을 사용하여 40℃A BTDC로 고정한 상태에서 연료 조성비에 따른 연소 시간을 측정한 결과 MFB 10% 일 경우 부탄 100%의 연소 시작 시점이 12℃A BTDC 이며 프로판의 함유량이 증가할수록 10, 8, 7℃A BTDC까지 연소시작시점이 늦어지며 MFB 90%의 경우 프로판 100%의 연소시작시점이 19℃A ATDC 로 부탄 100%의 연소시작시점인 14℃A ATDC보다 다소 지연됨을 알 수 있다.
- 0 bar로 측정한 결과이다. 촉매 전의 에틸렌, 프로필렌, 이소부탄, 노멀부탄, 아세틸렌등의 성분이 촉매 후에는 감소하여 정화율이 88.6%임을 확인하였다.
후속연구
- 따라서 프로판의 분사 유량이 부탄에 비해 많고 인젝터의 ■허용분사 압력을 감안하여 각 연료의 압력과 온도에 따른 적절한 EMS 조절을 통해 분사량을 제어한다면 다양한 LPG 조성에 적용할 수 있는 LPG 차량의 개발이 가능할 것이라 판단된다.
- 연료특성상 프로판이 부탄에 비해 가스 밀도가 작고 분사압력이 높기 때문에 초기 시동 시 분사량이 제어되고 기체 상태로 분사가 되어 엔진 시동 시간(크랭킹 시간 포함)이 지연됨을 알 수 있다. 프로판연료가 증기압 / 분사압력이 높기 때문에 인젝터의 허용 분사압력이 13-14 bar임을 감안하여 LPG연료 탱크의 온도와 압력을 측정하여 부탄 대비 적절한 보상계수와 제어로직을 적용하여 인젝터 연료 분사량을 제어 한다면 시동성에 큰 무리 없이 적용 가능할 것으로 예상된다.
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