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문제 정의
- 결과적으로 본 연구를 통하여 다양한 디젤엔진의 연소 및 배기 개선 기술 중 split 분사를 이용한 부분 예혼합압축착화연소의 응용 방안을 일부 제시하고자 하였다.
- 본 연구에서는 그간의 단기통엔진에서의 연구결과3)의 다기통엔진에의 적용이 이루어졌으며, 한편으로는 향후의 개선 방향을 설정하는 것을 주요 목적으로 하고 있다.
- 6으로부터 본 엔진의 smoke 및 NOx는 연소실의 squish area에서 발생되는 것으로 판단되었으며, 따라서 피스톤의 형상 변경 및 유동을 이용한 연료공기의 혼합성능 개선을 도모하였다. 특히 smoke의 발생은 연료공기의 혼합의 개선에 의하여 저감될 수 있음이 지적되어 이의 연구 결과를 토대로 하여 가장 손쉽게 접근이 가능한 SCV의 장착효과에 대한 연구를 수행하였다.
제안 방법
- Split 분사방식의 배기성능을 평가하기 위하여 동일 사양 엔진의 base map 조건과 비교 평가를 수행하였다.
- 계산 시 두 번째 분사량 비율은 60%였으며, 첫 번째 분사시기는 BTDC55 그리고 두 번째 분사 시기는 ATDC5로 하였다.
- 그리고 모든 실험에서 split 분사의 첫 번째 분사 시기는 BTDC 55 °CA 그리고 두 번째 분사는 ATDC 5 °CA로 고정하였다.
- 다기통엔진에서의 분사량 비율 적용 실험조건은 과급과 EGR이 배제된 상태에서 첫 번째 분사된 연료량이 전체 공급 연료량에 대하여 60%, 70%, 80%의 비율이 되도록 설정하였으며, 이로부터 적정한 분사량 비율을 설정하였다.
- 단, 본 연구에서는 PM의 측정은 수행되지 않았으며, smoke number의 측정만이 수행되었으므로, 다음의 관계식을 사용하여 smoke number의 측정결과를 soot(g)로 환산하여 제시하였다.
- 실험 시 분사연료량은 엔진의 회전속도와 엔진의 가속 페달의 위치에 따라 설정된 3차원 데이터에 의하여 결정되었으며, 설정된 분사량과 분사압력에 따라 split 분사의 각 분사기간은 결정되었다. 단, 분사압력조건과 연료량과 관련한 3차원 데이타는 자동차 제작사에서 제공한 분사압력조건을 바탕으로 하였다.
- 따라서, 4기통 디젤엔진에서도 분사량비 변화실험을 제한된 범위에서 수행하여, 연비 및 배기 특성을 조사하였다.
- 본 연구에서는 실험용 다기통 엔진의 제원 변경을 최소화 한 상태에서 HCCI 연소를 응용하기 위하여 2단 분사방식(이하 split 분사)1,2)을 적용하였다. 한편, split 분사에 따른 HC 배출 증가 및 연비 성능의 악화를 최소화하기 위하여 각 분사의 분사량 비율을 조정하였으며, 스모크 성능의 개선을 위하여 SCV(swirl control valve)를 채용하였다.
- 본 연구에서는 split 분사에 대한 시뮬레이션을 수행하였으며, 유동 계산은 상용 유체 해석 프로그램인 STAR-CD를 이용하여 수행되었다. 본 연구의 연소 계산의 경우 밸브가 닫혀 유동의 흡배기가 없고 유동에 비해 연소의 계산 시간이 오래 걸리기 때문에 sector mesh에서 계산을 진행하였다. sector mesh는 연소실 내부를 중심축에 대해 모든 방향에 대해 대칭적인 모양으로 가정하고 그 일부를 중심축에 대해 단면이 부채꼴 형상을 이루도록 잘라낸 계산 격자를 의미한다.
- 상기의 연소방식을 실제 엔진에 적용하여 그 적용성을 평가하기 위하여 가중치가 포함된 엔진의 주요 운전점에서 split 분사 적용에 따른 총합성능을 계산하여 비교 평가를 수행하였다. 실험시 EGR과 과급은 자동차 제작사 제공맵(map)의 의하여 설정 되었다.
- 시뮬레이션을 통한 split 분사에서 연료와 공기 간 혼합의 문제점이 제시되었으며, 이의 해결방안으로 가변 스월 유동제어 장치(Swirl control valve, 이하 SCV)의 적용을 수행하여 그 성능 특성을 제시하였다.
- 실험 시 토크와 회전속도조건은 자동차의 운전상태를 고려한 엔진 보정점 중 일부를 적용하였다. 총합 평가 시에는 Fig.
- 그러나 (c)와 (d)에 나타낸 2000rpm의 경우에서는 SCV의 장착효과가 미미한 것을 확인할 수 있다. 이러한 현상을 좀더 개괄적으로 제시하기 위하여 Fig. 10에는 SCV 장착전후의 ATDC 5도와 ATDC25도에서의 질량연소율의 비를 비교하여 제시하였다. ATDC5도는 두 번째 분사시기를 나타내며, ATDC25도는 대부분의 연소가 진행 되는 크랭크각도 부근이다.
- 이의 원인과 분사방식의 개선을 통하여 기존의 인젝터의 활용성을 높이고자 split 분사에서의 각 분사량비의 영향을 단기통 엔진 상에서 검토하여3) 다기통 상용 엔진에 적용하였다.
- 실험 시 토크와 회전속도조건은 자동차의 운전상태를 고려한 엔진 보정점 중 일부를 적용하였다. 총합 평가 시에는 Fig. 1에 제시된 운전점들의 배기 및 연비를 가중치(weight factor)를 적용하여 합산하여 제시하였다. 참고로 Fig.
- 기존의 단기통 엔진의 연구에서 split 분사시의 smoke의 배출은 첫 번째 분사된 연료의 연소열량의 증가, 두 번째 분사된 연료의 착화지연저감등에 영향을 받게 됨을 제시한바 있다. 특히 첫 번째 분사된 연료의 연소의 활성화는 smoke 특성을 악화시키는 경향이 있기 때문에, 본 실험결과를 분석하여 SCV의 장착에 따른 첫 번째 분사연료의 연소특성의 변화를 고찰하였다.
- 을 적용하였다. 한편, split 분사에 따른 HC 배출 증가 및 연비 성능의 악화를 최소화하기 위하여 각 분사의 분사량 비율을 조정하였으며, 스모크 성능의 개선을 위하여 SCV(swirl control valve)를 채용하였다.
대상 데이터
- 실험 시 분사연료량은 엔진의 회전속도와 엔진의 가속 페달의 위치에 따라 설정된 3차원 데이터에 의하여 결정되었으며, 설정된 분사량과 분사압력에 따라 split 분사의 각 분사기간은 결정되었다. 단, 분사압력조건과 연료량과 관련한 3차원 데이타는 자동차 제작사에서 제공한 분사압력조건을 바탕으로 하였다.
- 정상유동 실험결과 Type4의 경우가 SCV 장착시의 유량저감에 대한 스월 강화 특성이 가장 우수한 것으로 평가되어 엔진실험에 적용되었다.
이론/모형
- 본 연구에서는 split 분사에 대한 시뮬레이션을 수행하였으며, 유동 계산은 상용 유체 해석 프로그램인 STAR-CD를 이용하여 수행되었다. 본 연구의 연소 계산의 경우 밸브가 닫혀 유동의 흡배기가 없고 유동에 비해 연소의 계산 시간이 오래 걸리기 때문에 sector mesh에서 계산을 진행하였다.
- 상기의 연소방식을 실제 엔진에 적용하여 그 적용성을 평가하기 위하여 가중치가 포함된 엔진의 주요 운전점에서 split 분사 적용에 따른 총합성능을 계산하여 비교 평가를 수행하였다. 실험시 EGR과 과급은 자동차 제작사 제공맵(map)의 의하여 설정 되었다.
성능/효과
- 2에서 제시된 바와 같이 두 번째 분사량 비율의 증가는 첫 번째 분사된 연료의 착화를 억제하여 저온 반응 상태로 유지시키는 특성을 제시하였으며, 한편으로 두 번째 분사된 연료의 증발잠열의 흡수로 인하여 연소실내의 온도의 저감(Fig. 2의 (c)참조)과 이에 의한 착화지연의 증가로 smoke 배출성능이 개선되는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 2의 (a)와 (b)참조).
- 1) 다기통 실용엔진에 2단분사를 적용하여 기본 특성을 확인하였으며, 특히 2단분사시의 분사량의 비율 변화를 통하여 두 번째 분사량이 전체 분사 량의 70% 또는 80%일 때가 연비 및 배기 성능 측면에서 유리한 것을 확인할 수 있었다.
- 2) 대상엔진의 연소시뮬레이션 결과 부분예혼합압 축착화 연소시 연료공기의 혼합을 개선할 필요가 있음이 제시되었으며, 이의 개선을 위하여 SCV(swirl control valve)를 적용하여 smoke 성능을 개선하는 결과를 얻을 수 있었다.
- 3) 다기통엔진에서의 SCV 적용결과, 저속구간에 서는 SCV에 의한 smoke 저감효과가 우수하였으나, 고속구간(2000rpm 이상)에서는 smoke 배출에 대한 개선효과가 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.
- 3차원 시뮬레이션을 통한 연구결과인 Fig. 6으로부터 본 엔진의 smoke 및 NOx는 연소실의 squish area에서 발생되는 것으로 판단되었으며, 따라서 피스톤의 형상 변경 및 유동을 이용한 연료공기의 혼합성능 개선을 도모하였다. 특히 smoke의 발생은 연료공기의 혼합의 개선에 의하여 저감될 수 있음이 지적되어 이의 연구 결과를 토대로 하여 가장 손쉽게 접근이 가능한 SCV의 장착효과에 대한 연구를 수행하였다.
- 4) 모드 시험결과 최소 soot 발생조건의 경우 base 성능 대비 soot양은 40% 정도로 감소되었으며, NOx의 경우 약 92%정도의 배출 특성을 나타내었다.
- Fig. 10(a)의 결과에서 보이듯이 1500rpm에서는 SCV의 장착에 따라 ATDC 5도까지의 연소가 활성 화되지 않는 특성을 보여주고 있으나, 2000rpm의 경우 ATDC5도에서의 연소에 SCV의 장착은 큰 효과를 나타내지 못하고 있음을 확인할 수 있다.
- 결과적으로 두 번째 분사된 연료 비율의 증가는 두 번째 분사의 착화지연을 증가시킴으로서 smoke 발생을 억제하는 역할을 수행하는 것으로 평가되었다.
- 모드 총합 평가결과 pilot 분사방식인 기본 연소 방식에 대하여 최소 soot 배출 조건에서 soot는 약 40% 그리고, NOx의 경우는 92% 정도가 배출되는 결과를 제시하였다.
- 분사기법의 개선은 기존의 단기통엔진에서의 기반 연구결과에 바탕을 두었으며, 단기통엔진에서의 연구결과 split 분사 시 두 번째 분사량비가 약 70% 이상인 경우, 기존의 인젝터로도 연비의 손실을 최소화하면서 HC, CO, Smoke 및 NOx 성능을 개선할 수 있는 결과가 제시되었다.
- 9의 (a)와 (b)는 1500rpm에서의 실험결과이며, (c)와 (d)는 2000rpm에서의 실험결과를 나타낸다. 실험결과 SCV 장착에 따라 1500rpm의 경우 엔진의 토크와 관계없이 첫 번째 분사된 연료의 연소는 억제되었으며, 이 후 전체 연소의 속도는 증가되는 경향을 나타내었다. 그러나 (c)와 (d)에 나타낸 2000rpm의 경우에서는 SCV의 장착효과가 미미한 것을 확인할 수 있다.
- 8에는 특정 엔진회전속도조건 (1500rpm 및 2000rpm)에서 SCV 적용에 따른 NOx 및 smoke 배출 특성을 각각 토크와 A/F에 대하여 제시한 그림이다. 실험결과 SCV 적용에 따라 smoke 저감효과가 뚜렷이 나타나는 것을 확인할 수 있었으나, NOx 배출은 약간 증가되는 경향이 나타났다. 한편으로 실험 조건 중 엔진의 회전속도가 높으며(2000rpm), 연료량이 많은 경우 SCV 장착에 따른 smoke 저감 성능은 약화되는 특성을 보이고 있다.
- 실험결과 저부하의 경우 split 분사와 SCV의 적용을 통하여 smoke 저감성능은 비교적 우수한 것을 알 수 있었다.
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