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문제 정의
- 본 실험은 냉간시동 및 무부하 조건에서 크랭킹 기간부터 공회전 정상상태에 도달하는 시점까지 이루어졌다. 주변 환경의 영향을 배제하기 위하여 실험 공간 내의 대기 온도, 냉각수 온도, 오일 온도를 냉간시동 조건인 20℃ 온도로 유지하였다.
- 본 연구에서는 합성 가스를 배 기 다기 기 관에 분사하기 이 전에, 합성가스의 연소 환경을 파악하기 위한 실험이 수행되었다. Fig.
가설 설정
- 가스의 농도 등에 의해 결정된다.6)본 실험에서 배기다기관에 분사된 합성가스의 연소는 X =1.1 이상의 조건에서 이루어진다.
제안 방법
- 공연비와 점화시 기 와 같은 기관의 제어 변수를 변경하기 때문에 기관의 원활한 작동특성을 파악하기 위하여 연소안정성을 평가하였다. 또한 합성가스의 분사압력 은 배 기 가스 온도 및 유해 배 출물의 저감에 영향을 미치므로 분사압력을 변화하여 실험을 수행하였다.
- 기관의 제어로 공연비와 점화시기를 변경하였으며, 연소 안정성 평가를 위해 Kistler6052B를 사용하여 0JOCA간격으로 연소실 압력을 측정하였다. 기관의 제어 변수의 변경과 합성가스의 연소에 의 한 촉매의 활성 화 특성을 파악하기 위해 Horiba Exsa-1500을 사용하여 촉매 후단의 THC, CO 의 농도 변화를 측정하였으며, k-type 열전대를 통하여 촉매 내부의 온도 변화를 측정하였다
- 1은 본 실험에서 사용된 실험장치의 개략도이다.기관의 제어로 공연비와 점화시기를 변경하였으며, 연소 안정성 평가를 위해 Kistler6052B를 사용하여 0JOCA간격으로 연소실 압력을 측정하였다. 기관의 제어 변수의 변경과 합성가스의 연소에 의 한 촉매의 활성 화 특성을 파악하기 위해 Horiba Exsa-1500을 사용하여 촉매 후단의 THC, CO 의 농도 변화를 측정하였으며, k-type 열전대를 통하여 촉매 내부의 온도 변화를 측정하였다
- 냉 간시동 조건에서 배 기다기 관에 분사된 합성 가스의 연소 조건을 파악하기 위해 공연비를 변경하였으며 배기가스의 온도 변화특성을 파악하기 위해 각각의 공연비 조건에서 점화시기를 변경하였다. 또한 합성 가스의 분사압력 에 따른 배 기 가스의 온도변화 및 유해배출물 성분의 농도 변화를 평가하기 위하여 분사압력을 1-5, 2 bar로 변화하여 실험을 수행하였으며 이때의 합성가스는 각각 0.
- 냉간시동 조건에서 배기가스의 온도를 상승하여 촉매의 활성화 온도도달시간을 단축하고자 배기 다기관에 합성가스를 분사하였으며 이때의 공연비 및 점화 시기를 제어하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 변경하였다. 또한 합성 가스의 분사압력 에 따른 배 기 가스의 온도변화 및 유해배출물 성분의 농도 변화를 평가하기 위하여 분사압력을 1-5, 2 bar로 변화하여 실험을 수행하였으며 이때의 합성가스는 각각 0.37, 0.47 g/s 로 분사되게 된다. 각각의 실험 변수의 제어조건은 Table 3에 정 리하였다.
- 공연비와 점화시 기 와 같은 기관의 제어 변수를 변경하기 때문에 기관의 원활한 작동특성을 파악하기 위하여 연소안정성을 평가하였다. 또한 합성가스의 분사압력 은 배 기 가스 온도 및 유해 배 출물의 저감에 영향을 미치므로 분사압력을 변화하여 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 기관 작동 시 공연비 제어를 통해 배기가스에 포함되어 있는 02 농도를 조절하여 배기 다기 관에 분사된 합성 가스의 연소 조건을 파악하였으며 합성가스의 분사와 함께 공연비와 점화 시기와 같은기관제어 변수를 변경하여 배기가스의 온도 및 유해배출물의 농도 변화를 비교, 분석하였다. 공연비와 점화시 기 와 같은 기관의 제어 변수를 변경하기 때문에 기관의 원활한 작동특성을 파악하기 위하여 연소안정성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 냉간시동 조건에서 촉매의 활성화 온도 도달시간을 효과적으로 단축시 키 기 위하여 합성가스를 배기다기관에 분사하여 연소시켰다. 배기 다기관은 부족한 O2 농도, 불규칙한 맥동에 의해 연소 조건 형성이 매우 어렵지만 합성가스에 포함되어 있는 수소의 빠른 연소 속도 및 넓은 가연한계는2) 배 기 가스의 온도를 효과적으로 상승시 킬 수 있다.
- 6에 나타내었다. 앞 절에서 배기가스의 온도 상승이 가장 높게 나타난 A=L2 조건을 공통 조건으로 설정하여 촉매 내부의 온도 변화를 측정하였다. IGA가 -3°로 지각됨에 따라 화염의 생성 시기가 늦어지게 지고 팽창행정 말기까지 연소 가지 속되 므로 배 기 가스의 온도가 상승하는 것을 확인할 수 있다.
- 2 mm 크기의 노즐팁을 사용하였다. 전자식 밸브를 장착하여 기관이 회전하는 동안 합성가스가 지속적으로 공급되도록 하였다. 또한 합성 가스와 혼합된 배 기 가스의 연소를 위해 점화원으로 글로플러그(SRM type, Y722J)를 배기 다기관의 중심 부분에 장착하였다.
- 주변 환경의 영향을 배제하기 위하여 실험 공간 내의 대기 온도, 냉각수 온도, 오일 온도를 냉간시동 조건인 20℃ 온도로 유지하였다. 합성가스는 배 기가스에 포함되어 있는 6와의 혼합을 증가시키기 위해 4번 배기분지관에서 분사되 었으며, 3)합성가스가 포함된 배기가스의 연소를 위한 글로우 플러그는 충분히 예열된 상태에서 실험하였다.
- 주변 환경의 영향을 배제하기 위하여 실험 공간 내의 대기 온도, 냉각수 온도, 오일 온도를 냉간시동 조건인 20℃ 온도로 유지하였다. 합성가스는 배 기가스에 포함되어 있는 6와의 혼합을 증가시키기 위해 4번 배기분지관에서 분사되 었으며, 3)합성가스가 포함된 배기가스의 연소를 위한 글로우 플러그는 충분히 예열된 상태에서 실험하였다.
대상 데이터
- 2는 합성가스 분사노즐과 글로플러그의 장착 상태를 보여주고 있다. 배기다기관에 합성가스를 분사하기 위해 배기 다기관 상단으로부터 3.6 cm 아랫부분에 수직방향으로 합성가스 분사노즐을 장착하였으며 1.2 mm 크기의 노즐팁을 사용하였다. 전자식 밸브를 장착하여 기관이 회전하는 동안 합성가스가 지속적으로 공급되도록 하였다.
- 본 실험에 사용된 기 관은 1, 979 cc DOHC 가솔린 기관이며, 기관의 주요 제원은 Table 1에 정리하였다.
- 실험에 사용된 합성가스는 공급의 편의를 위 해서 가솔린 연료를 개질하여 생산되는 합성 가스와 성분비가 유사한 H2: 26.8%, CO: 22.8%, N2: 50.4%의 모사 가스를 사용하였다. Table 2는 가솔린과 합성 가스의 구성성분 중 에너지를 발생할 수 있는 H2, CO의 물성 치 를 나타낸다
성능/효과
- 2) 합성 가스의 분사압력 을 2 bar에서 1.5bar로 변화하였을 때 유해배줄물 저감율이 높아진다. λ=1.
- 3) λ=1.2조건으로공연비가희박할수록, IGA가-3°로 지 각됨 에 따라 배 기 가스의 온도 상숭 및 유해 배출물 저감에 효과적이지만 상대적으로 연소 안정성이 악화된다.
- 4) 연소안정성을 보장하는 범위에서 합성가스의 연소에 의한 배기가스의 온도 상승 및 유해 배출물 저 감 효과를 높이기 위해서는 λ=1.2, IGA=3 ~ 0° 조건으로 공연비와 점화시기를 제어하여야 한다.
- 앞 절에서 배기가스의 온도 상승이 가장 높게 나타난 A=L2 조건을 공통 조건으로 설정하여 촉매 내부의 온도 변화를 측정하였다. IGA가 -3°로 지각됨에 따라 화염의 생성 시기가 늦어지게 지고 팽창행정 말기까지 연소 가지 속되 므로 배 기 가스의 온도가 상승하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 IGA=-3°, λ=1.
- 12는 점 화시 기 와 합성 가스의 분사압력을 변화하였을 때 촉매 후단부에서 측정한 CO의 농도변화를 나타낸다. IGA가 -3°로 지각됨에 따라서 높은 배기가스의 온도에 의한 후연소로 CO의 농도는 감소하고 합성가스의 분사압력을 2 bar에서 1.5 b 이로 변화하였을 때 상대적으로 합성가스에 포함되어 있는 CO의 농도가 감소함에 따라 전체적으로 CO의 배출량이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그 결과 IGA=3°, 0°, -3° 조건에서 합성가스를 1.
- 5에 나타내었다. λ=1.2 조건으로 공연비 가 희 박해질수록 화염 전파 속도가 감소하여 연소실 내부 화염의 지속시간이 증가하기 때문에배출되는 배기가스의 온도는 상승하게 된다, 또한 합성 가스를 분사하였을 경우, 합성 가스는 산소농도가 약 4%인 A=1.0에서는 연소를 일으키지 못하지만,λ=1.1 이상의 조건에서 배기가스에 포함된 산소량의 증가로 배기다기관에 분사된 합성가스가 연소반응을 일으켜 촉매 내부의 온도가 급격히 상승하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 λ=1.
- 3은 공연비와 점화시기 변경에 따른 기관의 연소 안정성을 나타낸다. 가솔린 기관의 냉간 시동 조건에 서 유해 배 출물의 저 감과 촉매 의 빠른 활성 화를 위해서는 희박한 공연비 제어와 충분히 지각된 점화 시기 제어가 요구되지만, Fig. 3을 통해 공연비가 희 박할수록, 점 화시 기 가지 각될수록 상대적으로 연소안정성이 악화되는 것을 확인할 수 있다. 그러나 합성가스를 냉간시동 조건에서 가솔린과 혼합하여 연료로 사용할 경우 희박한 공연비 조건과 지각된 점화시기 조건에서 보다 안정적인 연소가 가능하다는 이 전의 연구보고가 있다.
- 2 조건에서 합성가스를 분사하였을 경우, THC의 배출량이 base 조건에 비해 약 63% 감소한다 그러나 합성가스의 연소가 일어나지 않는 λ=L0 조건에서는 합성가스를 분사하였을 경우 상대적으로 저 온인 합성 가스가 배 기 가스의 온도를 감소시키므로 base 조건에 비해 THC 의 배출량이 증가한다. 결론적으로λ=1.2 조건에서 합성가스의 연소는 유해 배 출물 저 감에 가장 효과적 이다.
- 5 b 이로 변화하였을 때 상대적으로 합성가스에 포함되어 있는 CO의 농도가 감소함에 따라 전체적으로 CO의 배출량이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그 결과 IGA=3°, 0°, -3° 조건에서 합성가스를 1.5 bar로 분사하였을 경우, CO의 배출량이 base 조건에 비해 약 64, 66, 73% 감소한다.
- IGA가 -3°로 지 각됨 에 따라 연소압력 이 감소하여 간극체 적 에 축적 되는 THC 의 양이 감소하고8) 배기과정 동안의 높은 온도의 기연가스에 의한 THC의 산화가 증가하므로 THC의 배출량이 감소한다. 그 결과 IGA=3°, 0°, -3° 조건에서 합성가스를 분사하였을 경우, THC의 배출량이 base 조건에 비해 약 47, 63, 64% 감소한다. 따라서 IGA=-3°, X=1.
- 2 조건으로 공연비가 희박해질수록 기관 및 합성가스의 연소효율이 높아지기 때문에 THC는 저감되는 경향을 보이 며 합성 가스를 분사하였을 경우 배기 다기 관의 합성 가스 연소 과정 중에 배 기 가스에 포함된 THC의 연소로 THC의 농도가 감소한다. 그 결과λ=1.2 조건에서 합성가스를 분사하였을 경우, THC의 배출량이 base 조건에 비해 약 63% 감소한다 그러나 합성가스의 연소가 일어나지 않는 λ=L0 조건에서는 합성가스를 분사하였을 경우 상대적으로 저 온인 합성 가스가 배 기 가스의 온도를 감소시키므로 base 조건에 비해 THC 의 배출량이 증가한다. 결론적으로λ=1.
- 5 bar로 변화하였을 때 상대적으로 높은 배기가스의 온도에 의한 촉매의 빠른 활성화와 합성가스 연소 과정 중의 배기가스에 포함되어 있는THC의 연소율의 증가로 전체적으로 THC의 배출량이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그결과 IGA=3°, 0°, -3° 조건에서 합성가스를 1.5 bar로 분사하였을 경우, THC의 배출량이 base 조건에 비해 약 51, 64, 69% 감소한다. 따라서 합성가스의 분사압력을 2bai.
- 합성가스를 거 H 기 다기관에 분사하였을 경우 합성가스 내에 포함되어있는 CO에 의해 CO의 농도는 전체적으로 증가한다. 그러나 λ=1.2 조건에서 합성가스를 분사하였을 경우, 높은 연소효율과 합성가스 연소에 의한 촉매의 빠른 활성화가 가능하며 그 결과 IGA=3°, 0°, -3° 조건에서 합성가스를 분사하였을 경우, CO의 배출량이 base 조건에 비해 약 48, 61, 70% 감소한다
- 2 조건으로 공연비가 희박해질수록 기관 및 합성가스의 연소효율이 높아지기 때문에 CO의 농도는 감소하는 경향을 보이며 배기 다기관에 합성 가스를 분사하였을 경우 합성 가스에 포함되어 있는 CO로 인해 CO의 농도는 전체적으로 증가한다. 따라서 합성가스의 연소가 이루어지는 λ=1.1 조건에서는 합성가스의 연소에 의한 빠른 촉매 활성화에도 불구하고 합성가스에 포함되어 있는 CO에 의해 CO의 배출량이 base 조건에 비해 증가한다 그러나 λ=L2 조건에서 합성가스를 분사하였을 경우, 높은 연소효율과 합성가스 연소에 의한 촉매의 빠른 활성화로 CO 배출량이 급격하게 감소하였으며 그 결과 CO의 배출량이 base 조건에 비해 약61% 감소한다.
- IGA가 -3°로 지각됨에 따라서 후연소에 의한 THC의 저감효과를 확인할 수 있다. 또한 합성가스의 분사압력을2bar에서 1.5 bar로 변화하였을 때 상대적으로 높은 배기가스의 온도에 의한 촉매의 빠른 활성화와 합성가스 연소 과정 중의 배기가스에 포함되어 있는THC의 연소율의 증가로 전체적으로 THC의 배출량이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그결과 IGA=3°, 0°, -3° 조건에서 합성가스를 1.
- 에서 2 bai.로증가시 킴 에 따라 합성 가스에 포함되어 있는 불활성 가스인 N2의 증가와 합성 가스의 유량증가로 인한 열용량의 증가로 배기가스의 온도가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
- 4는 냉간시동 조건에서 공연비를 제어하였을 때 O2의 농도변화를 나타낸다. 이론 공연비 조건(λ=1.0) 에서 공회전 정상 상태의 배기가스 내의 02 농도는 약4%이고 A가 1.1, 1.2 로 증가함에 따라 배 기 가스 내의 6의 농도는 각각 약 6%, 8%로 증가한다
- 2 조건이 유해배출물 저감에 가장 효과적 이지만 상대적으로 연소안정성이 악화된다. 즉, 기관 idle 구간에서의 안정 적 인 COVmep 조건이 약 15% 이하인 것을 고려하여 볼 때에 IGA=-3°,λ=1.2 조건이 상대적으로 연소가 불안정한 것을 확인할 수 있다
후속연구
- 그러나 합성가스를 냉간시동 조건에서 가솔린과 혼합하여 연료로 사용할 경우 희박한 공연비 조건과 지각된 점화시기 조건에서 보다 안정적인 연소가 가능하다는 이 전의 연구보고가 있다.5) 따라서 보다 안정적인 연소 조건에서 ESGI의 적용이 가능할 것으로 기대된다.
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