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문제 정의
- 배기가스 재순환 모사에 따른 예혼합 압축착화 엔진 연소 특성 및 배기배출 특성 변화를 알아보았고, 다음과 같은 결론들을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 N2와 CO2를 흡기관에 강제 공급하는 SEGR을 이용하여 DME를 사용한 예혼합 압축착화 연소에서 나타나는 EGR 효과를 알아보았고, 흡기온도 상승에 의한 배기 저감에 대해 알아보았다.
제안 방법
- )를 사용하여 제어하였다. DME 연료는 공기와의 충분히 혼합되어 실린더 내부로 공급될 수 있도록 흡기밸브로부터 약 30 cm 떨어진 곳에서 분사하였다. 짧은 순간동안에 충분한량의 DME 연료를 분사하기 위하여 질소를 사용하여 5 MPa로 DME를 가압하였고, 이에 따라 DME가 액상을 유지하면서 흡기관에 분사됨으로써 기상으로 분사되는 것에 의해 체적효율이 감소하는 것을 방지하였다.
- 짧은 순간동안에 충분한량의 DME 연료를 분사하기 위하여 질소를 사용하여 5 MPa로 DME를 가압하였고, 이에 따라 DME가 액상을 유지하면서 흡기관에 분사됨으로써 기상으로 분사되는 것에 의해 체적효율이 감소하는 것을 방지하였다. DME 연료는 윤활성이 부족하여 연료 공급 장치 및 분사기에 손상을 줄 수 있으므로 이를 방지하기 위해 DME에 윤활 향상제(Infineum, R655)를 500 ppm 첨가하였다.
- EGR 조건을 모사하기 위해 99% 이상의 순도를 가지는 CO2와 N2가스 그리고 CO2 (11.4%)+N2(88.6%) 혼합가스를 흡기관 입구에서 공급하였다. 흡입되는 혼합기 중 CO2와 O2의 농도와 배기가스 중 HC와 CO 배출물 등은 배기가스 분석기(Horiba, Mexa 1500d)를 이용하여 측정하였다.
- IMEPgross는 실측된 실린더 내부압력을 이용하여 압축행정과 팽창행정에서 발생한 일을 계산한 후 행정체적으로 나누어 계산하였다. ηc의 경우 식 (4)를 이용하여 계산하였다.
- 예혼합 압축착화 엔진은 압축과정에서 발생하는 열을 이용하여 예혼합된 공기-연료 혼합기를 자발 점화시키게 되고, 이 때 여러 곳에서 동시에 자발점화가 일어나기 때문에 연소기간이 기존의 스파크 점화기관과 압축 점화기관에 비해 짧다. 공기/연료 혼합기에 첨가된 EGR가스들에 의한 압축열의 흡수와 연소방해에 의해 자발점화시기와 연소기간이 달라지는데, 본 연구에서는 모사 EGR(SEGR: simulate EGR) 가스인 CO2와 N2 그리고 CO2+ N2 혼합가스에 의한 흡기 중 산소농도 감소에 따른 자발점화시기 변화와 연소기간 변화를 Fig. 3과 5와 같이 도시하였다.
- 따라서 CO2를 이용한 흡기중 산소농도 감소경우에 대하여 흡기 온도를가 열탱크를 이용하여 69°C로 상승시켜 실험을 수행하였다.
- 예혼합 압축착화 엔진은 연소온도가 낮기 때문에 HC와 CO의 산화반응이 활발히 일어나는 온도조건을 만들어 주기 어렵고 예혼합된 혼합기가 압축행정중 틈새영역으로 유입되고 팽창행정 중 유출되면서 HC와 CO의 배출량이 기존의 스파크 점화기관과 압축 점화기관에 비해 증가한다. 따라서 CO2와 N2 그리고 CO2+N2 혼합가스 공급에 의해 연소방해와 연소온도 감소가 나타날 때의 HC와 CO 배출에 대한 비교를 Fig. 10, 11과 같이 흡기 중 산소 농도에 대하여 도시하였다.
- 실제의 EGR은 배기가스를 사용하는 것이므로 흡기온도를 상승시키는 효과를 가지게 되는데 앞서의 실험에서는 CO2와 N2 그리고 CO2+N2 혼합가스 공급량 변화에 따른 효과를 살펴보기 위하여 흡기온도를 일정하게 유지시키며 실험을 수행하였다. 따라서 CO2를 이용한 흡기중 산소농도 감소경우에 대하여 흡기 온도를가 열탱크를 이용하여 69°C로 상승시켜 실험을 수행하였다.
- 연소 해석을 위해 연소실에 압력 센서(Kistler, 6052B)를 장착하였으며, 흡기와 배기 매니폴드의 압력을 계측하기 위해 압력 센서(Kistler, 4045A5)를 장착하였다. 혼합기의 온도와 배기가스의 온도를 측정하기 위해 흡기 매니폴드와 배기 매니폴드에 각각 K-type 열전대(thermocouple)를 장착하였다.
- 배기가스 배출물은 배기가스 분석기(Horiba, Mexa 1500d)를 이용하여 탄화수소, 질소 산화물, 이산화탄소, 일산화탄소를 측정하였으며 데이터 수집 장치(Io Tech, Wavebook 512H)를 이용하여 수집 저장하였다. 예혼합 압축착화의 빠른 연소상태를 분석하기 위하여 실린더 압력신호는 0.175 CAD(crank angle degree) 간격으로, 100 사이클을 연속으로 취득 후 분석하였다. 자발 점화 시작점과 연소기간의 정의는 Fig.
- DME 연료는 공기와의 충분히 혼합되어 실린더 내부로 공급될 수 있도록 흡기밸브로부터 약 30 cm 떨어진 곳에서 분사하였다. 짧은 순간동안에 충분한량의 DME 연료를 분사하기 위하여 질소를 사용하여 5 MPa로 DME를 가압하였고, 이에 따라 DME가 액상을 유지하면서 흡기관에 분사됨으로써 기상으로 분사되는 것에 의해 체적효율이 감소하는 것을 방지하였다. DME 연료는 윤활성이 부족하여 연료 공급 장치 및 분사기에 손상을 줄 수 있으므로 이를 방지하기 위해 DME에 윤활 향상제(Infineum, R655)를 500 ppm 첨가하였다.
- 연소 해석을 위해 연소실에 압력 센서(Kistler, 6052B)를 장착하였으며, 흡기와 배기 매니폴드의 압력을 계측하기 위해 압력 센서(Kistler, 4045A5)를 장착하였다. 혼합기의 온도와 배기가스의 온도를 측정하기 위해 흡기 매니폴드와 배기 매니폴드에 각각 K-type 열전대(thermocouple)를 장착하였다. 배기가스 배출물은 배기가스 분석기(Horiba, Mexa 1500d)를 이용하여 탄화수소, 질소 산화물, 이산화탄소, 일산화탄소를 측정하였으며 데이터 수집 장치(Io Tech, Wavebook 512H)를 이용하여 수집 저장하였다.
- 흡입되는 혼합기 중 CO2와 O2의 농도와 배기가스 중 HC와 CO 배출물 등은 배기가스 분석기(Horiba, Mexa 1500d)를 이용하여 측정하였다. 흡기온도를 제어하기 위해 가열탱크를 설치하여 흡입되는 공기의 온도를 일정하게 유지시켰다.
- 6%) 혼합가스를 흡기관 입구에서 공급하였다. 흡입되는 혼합기 중 CO2와 O2의 농도와 배기가스 중 HC와 CO 배출물 등은 배기가스 분석기(Horiba, Mexa 1500d)를 이용하여 측정하였다. 흡기온도를 제어하기 위해 가열탱크를 설치하여 흡입되는 공기의 온도를 일정하게 유지시켰다.
대상 데이터
- 혼합기의 온도와 배기가스의 온도를 측정하기 위해 흡기 매니폴드와 배기 매니폴드에 각각 K-type 열전대(thermocouple)를 장착하였다. 배기가스 배출물은 배기가스 분석기(Horiba, Mexa 1500d)를 이용하여 탄화수소, 질소 산화물, 이산화탄소, 일산화탄소를 측정하였으며 데이터 수집 장치(Io Tech, Wavebook 512H)를 이용하여 수집 저장하였다. 예혼합 압축착화의 빠른 연소상태를 분석하기 위하여 실린더 압력신호는 0.
- 1에서 나타내었다. 본 연구에 사용된 엔진은 4행정 단기통 엔진으로써 예혼합 압축착화 엔진 실험을 위하여 압축비를 13으로 하였다. 자세한 엔진의 제원은 Table 1에 나타내었다.
성능/효과
- 1) CO2와 N2 그리고 CO2+N2 혼합가스 공급에 의해 희석효과와 열적효과에 의해 연소가 방해되고 연소온도가 낮아지는 현상에 의해 자발점화시기가 지각되고, 연소기간이 증가한다.
- 예혼합 압축착화 엔진은 아주 희박한 혼합기를 연소시킬 수 있어 연료경제성이 뛰어 나고 연소온도가 높지 않아 질소산화물(NOx: nitrogen oxides)의 발생량이 낮으며, 예혼합된 연료/공기 혼합기를 사용하기 때문에 국부적으로 농후한 영역이 감소하여 입자상물질(PM: particulate matter)의 배출량을 저감할 수 있다.1) 하지만 자발점화시기와 연소 기간을 제어하기 힘들다는 단점이 있고, 부하를 늘리기 위해 연료 공급량을 증가시키게 되면 노킹이 발생하여 큰 소음이 발생하고, 짧은 순간 동안 발생하는 큰 압력에 의해 엔진이 손상될 가능성이 있다. 또한 낮은 연소온도로 인하여 압축행정 동안에 실린더 내부에 존재하는 틈새체적(crevice volume)에 들어갔던 연료들이 팽창행정 중 산화반응의 부족으로 인하여 불완전 연소하여 탄화수소(HC: hydro carbon)와 일산화탄소(CO: carbon mono-oxide)의 배출량을 증가시키는 단점이 있다.
- 2) CO2의 높은 열용량으로 인하여 실린더 내부온도 감소가 N2사용 시 보다 더 커지게 되어 자발점화 시기와 연소기간 변화에 큰 영향을 미친다.
- 3) DME의 예혼합 압축착화 엔진 적용시 DME 가 가지는 우수한 기화 특성 때문에 기존 디젤 HCCI 에서 문제시 되었던 벽면적심 현상 및 국부적으로 농후한 영역에 의해 발생하는 soot 생성이 줄어드는 장점을 가진다. 그러나 DME를 예혼합 압축착화 엔진에 사용하게 되면 우수한 기화와 자발점화 특성 때문에 조기착화의 문제가 크게 나타난다.
- 3) 자발점화시기 지각과 연소기간 증가에 의해 팽창행정기간 중에 발생하는 일의 증가로 인해 도시평균유효압력의 증가한다.
- 4) CO2와 N2 그리고 CO2+N2 혼합가스 공급에 의해 연소가 방해되고 연소온도가 낮아지는 현상에 의해 손실되는 열량이 증가하여 연소효율이 감소되고, HC와CO의 배출량이 증가한다.
- 5) CO2 공급증가로 인해 흡기중 산소농도가 약 18% 이하가 될 경우 연소방해가 심각해져 부분 연소가 나타난다.
- 6) CO2 공급에 의한 부분연소는 흡기온도가 상승되면 실린더 내부온도가 상승하게 되어 HC 및 CO의 배출량이 감소하게 되지만 자발점화시기 진각 및 연소기간 단축으로 인하여 도시평균유효 압력이 감소한다.
- 6) 하지만 당량비가 낮은 경우 온도 상승이 충분치 못해 고온산화반응이 나타나지 않는 경우도 있다.8) Fig. 5에서 도시하였듯이 CO2를 사용하여 흡기중 산소농도를 17%로 감소시킨 경우의 실린더 내부온도를 확인하여 보면 고온산화반응이 발생하는 1000 K 이하에서 연소가 진행된 것을 확인할 수 있다. 따라서 고온산화반응이 일어나지 않고 저온산화반응만 발생한 부분연소임을 알수 있다.
- SEGR 공급에 의해 흡기중 산소농도가 감소할수록 연소기간이 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 그리고 N2만을 사용하였을 때 보다 CO2가 첨가되었을 때의 연소기간 증가가 더 크고, 이보다는 CO2만을 사용하였을 경우의 연소기간 증가가 더 큼을 알 수 있다. SEGR 공급에 의한 산소량부족으로 인하여 반응율이 감소하면서 연소기간이 증가하게 되고, 열용량이 큰 CO2 첨가에 의해 연소온도가 감소되기 때문이다.
- 2와 6을 통하여 확인한 바와 같이 CO2와 N2 그리고 CO2+N2 혼합가스 공급에 의한 산소농도 감소에 의해 자발점화시기가 지각되고 연소기간이 증가한다. 이에 의해 압축 행정에서 발생하는 음의 일이 감소하고 팽창행정에서 발생하는 양의 일이 증가하여 Fig. 8에서 확인할 수 있듯이 IMEPgross가 증가하고 있음을 확인할 수 있다. N2만을 사용하여 산소농도를 감소시키는 경우 보다 CO2와의 혼합가스 또는 CO2 가스에 의한 IMEPgross 값 증가가 더 큰 것은 CO2에 의한 자발점화시기 지각과 연소기간 증가가 더 크기 때문이다.
- 이는 앞서 설명한 것과 같이 CO2와N2 그리고 CO2+N2 혼합가스 공급에 의한 연소 방해와 연소온도 감소에 의한 것이다. 특히 CO2의 공급량이 증가할수록 HC와 CO의 배출량이 증가하는 것을 확인 할 수 있으며 산소농도가 약 18% 이하일 경우 부분연소로 인한 급격한 HC 배출량 증가와 CO의 감소를 확인 할 수 있다. 여기서 나타나는 CO의 감소는 CO의 산화에 의해 나타나는 것이 아닌 부분연소에 의해 연소과정중 생성되는 절대적인 CO량 감소에 의해서 나타난 것이다.
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