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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 연소상(combustion phase) 제어를 위해 DME(di-methyl ether) 직접분사(direct injection) 장치와 가변밸브 기구가 장착된 가솔린과 액화 석유 가스(LPG: liquefied petroleum gas) HCCI 엔진에서 노킹 강도 판정 방법을 이용하여 고 부하 운전 영 역 한계를 파악하고 가솔린과 LPG HCCI 노킹 특성을 비교하고 흡기 밸브 개폐시기와 공기과잉율이 고 부하 운전 영 역 확장에 미치는 영향 관계를 규명 하고자 하였다.
가설 설정
- 5는 HTO(high temperature oxidation)의 열 방출 50%의 위치에 대한RI를 나타내었다 CA50의 정의는 전체 연소의 열방출 50% 지점이다. 28)공기과잉율이 증가하면 CA50에 따른 RI의 증가율이 감소하며 는 공급된 연료의 LHV(low heating value) 가감소하기 때문으로 판단된다. 그러나 CA50이 361 CAD 부근일 경 우 RI는 0 MW/n?에서 증가하기 시작함을 알 수 있다.
제안 방법
- DME 직접 분사를 위해 본 연구에서는 연소실에슬릿 (slit) 분사구를 가진 인젝터(Denso Co.)를 장착하였다. DME는 질소를 이 용하여 5 MPa로 가압된상태로 슬릿 인젝터를 이용하여 액상으로 분사된다.
- DME는 선행 연구 결과 혼합기가 균일하게 생성되는 흡기 상사점(TDC: top dead center) 이후 크랭크 각도 110 CAD에 연소실 내부에 직접 분사하였다 또한 연료 공급 장치의 손상을 방지하기 위 해 DME 에 윤활향상제(Infineum, R655)를 500 ppm 첨 가하였다. 흡기와 배기 매니폴드의 압력을 계측하기 위해압력 센서(Kistler, 4045A5)< 장착하였다.
- 따라 수행되었다. HCCI 엔진에서 연소압력을 계측하고 노킹 강도를 분석하기 위하여 연소실에 압력센서(Kistler, 6052B)를 장착하였다. 연소압력 센서의 장착 방법에 따라 pipe oscillation 이 발생하여 신호의 왜곡이 발생할 수 있는 가능성을 배제하기 위하여 연소 압력센서는 flush-mounting 방법을 사용하여 장착하였다.
- 가솔린과 LPG HCCI 엔진의 노킹 특성을 파악하기 위 하여 가변밸브 기 구와 DME 직 접 분사 연료장치 가 장착된 HCCI 엔진 실 험 과 RI를 이 용한 노킹 강도 분석을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- DME는 질소를 이 용하여 5 MPa로 가압된상태로 슬릿 인젝터를 이용하여 액상으로 분사된다. 균일한 혼합기를 만들기 위하여 가솔린은 배기 행정 중 가솔린용 포트 분사 인젝터(port fuel injector) 를 이용하여 흡기 매니폴드에 분사하였다.
- 이와같은사실은 공기과잉율과 흡기 밸브 개 폐시 기 에 관계 없이 RI가 증가하기 직전에 팽창행정 중의 산화반응은 최대가 되며 이에 따라CO의 배출량이 최소가 됨을 의미한다. 노킹이 팽창행정 중 산화반응의 강도에 미치는 영향을 알아보기 위하여 HC 배출량을 분석하였다. HCCI 엔진에서 HC 배출의 이유는 연소 중에 틈새체적 (crevice volume) 에 들어간 혼합기가 팽창행정중 배출되기 때문이며 이 때 팽창행정의 산화반응에 의하여 HC가 산화된다엔진의 운전 조건에 따른 연료 분사량의 차이가HC 배출량에 미치는 영향을 제거 하기 위 하여 HC 배출량은 전체 배 기 가스 배출량 중 C가 포함되는 HC, CO, CO2의 총 배출량 중비율로 나타내었다.
- 이른 시기에 착화됨에 따라 발생하는 노킹에 의한 출력 의 변화를 확인하기 위하여 IMEP를 Fig. 3에도시하였다. 가솔린 HCCI의 경우Fig.
- 배기가스 배출물은 배기가스 분석기 (Horiba, Mexa 1500d)를 이용하여 탄화수소(HC: hydro carbon), NOx, 이산화탄소(CO2: carbon dioxide), 일산화탄소(CO: carbon monoxide) 를 측정하였으며 모든 데이터는 데이터 수집장치(Io Tech, Wavebook 512H)를 이용하여 수집 저장하였다. 측정된 연소 압력 데이터로부터 열 방출율 해석(heat release analysis)을 통하여 연소해석을 수행하였다. 엔진 연소실내의 연소압력 및 체적 변화는에 너 지 보존법 칙 에 따라 식 ⑵로 표현 된다.
- 흡기와 배기 매니폴드의 압력을 계측하기 위해압력 센서(Kistler, 4045A5)< 장착하였다. 혼합기의 온도와 배기가스의 온도를 측정하기 위해 흡기 매니폴드와 배기 매니폴드에 각각 K-type 열전대 (thermocouple)를 장착하였다. 혼합기의 공기 과잉율을 측정 하기 위 해 광대 역 람다미 터(Etas, LA4)를 배기 매니폴드에 장착하였다.
대상 데이터
- 연소압력 센서의 장착 방법에 따라 pipe oscillation 이 발생하여 신호의 왜곡이 발생할 수 있는 가능성을 배제하기 위하여 연소 압력센서는 flush-mounting 방법을 사용하여 장착하였다. 또한 연소압력 신호의 샘플링 속도(sampling speed)가 빠를수록 연소압력의 왜곡이 적게 발생하기 때문에%)정밀한 데이터분석을 위해 크랭크축에 2048 pulse/rev 엔코더 (encoder)를 장착하여 크랭크각도(crank angle) 0.175 도에 한 번씩 데이터를 취득하였다.
- ) 및 인젝터 부근에 적체되는 액상의 연료가 엔진의 운전열에 의해서 기화되는 현상을 방지하기위한 연료순환 펌프로 구성된다. 또한 프로판과 부탄이 60 : 40으로 혼합된 LPG를 사용하였다.
- 혼합기의 공기 과잉율을 측정 하기 위 해 광대 역 람다미 터(Etas, LA4)를 배기 매니폴드에 장착하였다. 배기가스 배출물은 배기가스 분석기 (Horiba, Mexa 1500d)를 이용하여 탄화수소(HC: hydro carbon), NOx, 이산화탄소(CO2: carbon dioxide), 일산화탄소(CO: carbon monoxide) 를 측정하였으며 모든 데이터는 데이터 수집장치(Io Tech, Wavebook 512H)를 이용하여 수집 저장하였다. 측정된 연소 압력 데이터로부터 열 방출율 해석(heat release analysis)을 통하여 연소해석을 수행하였다.
- 1 에서 나타내었다. 본 연구에 사용된 엔진은 4행정, 단기통, 더블 오버헤드 캠 축 (DOHC: double over head camshaft) 가변밸브 엔진이다. 엔진의 제원은 Table 1에 나타내었다.
- 흡기밸브의 열림과 닫힘 시기는 크랭크각도 40 (CAD: crank angle degree)까지 변화시 킬 수 있으나 흡기 밸브 열림 기간(valve duration)은 고정되어 있다. 엔진의 부하와 회전수 제어는 교류(AC: alternating current) 다이 나모미 터 (82 kW, Unico Co.)를 사용하였다.
이론/모형
- HCCI 엔진에서 연소압력을 계측하고 노킹 강도를 분석하기 위하여 연소실에 압력센서(Kistler, 6052B)를 장착하였다. 연소압력 센서의 장착 방법에 따라 pipe oscillation 이 발생하여 신호의 왜곡이 발생할 수 있는 가능성을 배제하기 위하여 연소 압력센서는 flush-mounting 방법을 사용하여 장착하였다. 또한 연소압력 신호의 샘플링 속도(sampling speed)가 빠를수록 연소압력의 왜곡이 적게 발생하기 때문에%)정밀한 데이터분석을 위해 크랭크축에 2048 pulse/rev 엔코더 (encoder)를 장착하여 크랭크각도(crank angle) 0.
성능/효과
- 1) IMEP의 특성을 파악한 결과 RI가 0.5 MW/nF이상에서 IMEP가 감소하고 있음을 파악하고 IMEP를 기준으로 한 운전 영 역은 RI 0.5 MW/m2 이하로 판정하였다. LPG HCCI가 가솔린 HCCI 에 비 하여 RI의 강도가 상대 적 으로 낮은 이 유는 LPG의 증발잠열이 가솔린에 비하여 높고 이로인하여 혼합기의 온도가 가솔린에 비하여 동일한 연료 분사량일 경우 낮아지기 때문으로 판단된다.
- 2) 가솔린과 LPG HCCI 엔진에서 흡기밸브 개폐시기가 진각됨에 따라 RI가 증가하는 이유는 증가된 체적효율과 잔류가스율로 이른 시기에 착화되고 이른 흡기밸브 개폐시기의 실험 조건에서 TDC 이전에서 50% 이상의 연료가 연소함에 따라 연소 압력 이 과다 상승하기 때문이다.
- 3) 가솔린 HCCI의 경우 IMEP는 공기과잉율이 감소함에 따라 공급된 연료가 증가하고 이 에 따라 IMEP가 증가하지 만 공기 과잉률이 2.4 이 하에서는 RI가 증가하게 되고 RL가 1 MW/m2 이상인 영역에서 IMEP가 감소함을 알 수 있다. LPG HCCI 의 경우 흡기밸브 개폐시기가 진각되고 공기과잉율이 낮은 23 영역 이하에서 IMEP가 감소하는 경 향을 보이 고 있다.
- HCCI 엔진에서 HC 배출의 이유는 연소 중에 틈새체적 (crevice volume) 에 들어간 혼합기가 팽창행정중 배출되기 때문이며 이 때 팽창행정의 산화반응에 의하여 HC가 산화된다엔진의 운전 조건에 따른 연료 분사량의 차이가HC 배출량에 미치는 영향을 제거 하기 위 하여 HC 배출량은 전체 배 기 가스 배출량 중 C가 포함되는 HC, CO, CO2의 총 배출량 중비율로 나타내었다.3)CO/CO2의 비율에서 보이는바와 같이 급격 한 변화를 보이지는 않지 만 HC의 배출량도 RI가 증가함에 따라 전체 C가 포함된 배기가스 배출량 중 35-39 %를 차지하고 있음을 알 수있다. 이 와 같이 노킹 이 팽창행정 중 산화반응의 강도에 영향을 미치지 못하는 이유는 Fig.
- 4) RI가 증가하고 IMEP가 감소하는 운전 조건들은 연소 최고 압력이 6.5 MPa 이상인 운전 조건들로파악되 었다. 그리고 RI는 연료에 관계 없이 연소상(combustion phase)의 위치에 의하여 결정되어 연소상의 위치 또는 연소 최고 압력으로RI와 노킹 발생 확률을 예측할 수 있음을 확인하였다.
- 5) HCCI 엔진에서 CO와 HC의 배출량을 저감하기 위해서는 RI가 증가하지 않는 범위 내에서 연소기 간을 짧게 하여 팽 창행정 중 산화반웅이 충분히 일어 날 수 있도록 하는 방법이 효과적이다.
- 5 MPa 이상인 운전 조건들로파악되 었다. 그리고 RI는 연료에 관계 없이 연소상(combustion phase)의 위치에 의하여 결정되어 연소상의 위치 또는 연소 최고 압력으로RI와 노킹 발생 확률을 예측할 수 있음을 확인하였다.
- 따라서 HCCI 엔진에서 CO와 HC의 배출량을 저감하기 위해서는 RI가 증가하지 않는 범위 내에서연소기간을 짧게 하여 팽창행정 중 산화반응이 충분히 일어 날 수 있도록 하는 방법 이 효과적 임을 알수 있었다.
- 그러나 CA50이 361 CAD 부근일 경 우 RI는 0 MW/n?에서 증가하기 시작함을 알 수 있다. 또한 가솔린과 LPG의 CA50이 RI에 영향을 살펴보면 CA50의 위치에 따른RI는 연료의 종류에 관계없이 동일하다 따라서 RI는 연료에 관계없이 연소상의 위치에 의하여 결정되며 앞에서 설명한 바와 같이 연소상의 위치 또는 연소 최고 압력으로 RI와 노킹 발생 확률을 예측할 수 있음을 확인하였다.
- 흡기 밸브 개폐 시기가 진각됨에 따라 RI가 증가하는 이유는증가된 체적효율과 잔류가스율로 이른 시기에 착화되고 이른 흡기밸브 개폐시기의 실험 조건에서 TDC 이전에서 50% 이상의 연료가 연소함에 따라 연소 압력이 과다 상승하기 때문이다. 체적효율이 증가하면 압축행정 말기의 혼합기가 LTO(low tem perature oxidation)온도인 800 ~ 1000K에 빨리 도달하는 경향을 보이고 있으며 본 실험 조건에서 체적효율은 흡기 밸브 열 림 시 기 가 -29, -19, -9 CAD(crank angle degree) ATDC(after top dead center) 조건에서는 각각80 %, 79.5 %, 77.2% 이지만, 1, 11 CAD인 조건에서는 70.8 %와 66.2 %로 급격하게 감소한다. 또한 흡기 밸브와 배기 밸브가 동시 에 열려 있는 기간인 밸브오버 랩(valve overlap) 구간이 증가함에 따라 흡기포트(port)와 배기포트의 압력 차이에 의하여 연소실 내에 존재하는 잔류가스율이 증가하게 된다.
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