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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 DME 예혼합 압축 착화엔진에서 밸브 개폐시기와 배기밸브 양정변화에 따른 IEGR 율 변화와 예혼합 압축 착화 특성변화에 대해 알아볼 것이다.
제안 방법
- DME를 사용한 예혼합 압축 착화(HCCI; homogeneous charge compression ignition) 엔진에서 밸브 개폐시기와 밸브 양정을 변화시켜 실험을 수행하였으며, 이를 통해 알아낸 사실은 다음과 같다.
- 4 mm에 대하여 실험을 하였으며, 흡기와 배기 밸브 개폐시기는 각각 최대 40 CAD와 15 CAD를 변화시켰다. IEGR 율과 예혼합 압축 착화 특성이 엔진회전수와 연료 분사량에 영향을 받으므로 각각을 1,000 rpm, 21.5 mg/stroke로 고정하여 실험하였다. 이때 연료 분사는 Fig.
- IEGR 율을 측정하기 위하여 실린더 내부에서 가스를 채취하는 직접 채집 방법을 사용하였다.6) IEGR 율 측정을 위한 시스템은 진공펌프, 고속 솔레노이드 밸브, 샘플링 챔버 및 제어장치로 구성된다.
- 또한 연료 공급 장치의 손상을 방지하기 위해 DME에 윤활 향상제(Infineum, R655)를 500 ppm 첨가하였다.
- 밸브 개폐시기와 양정에 따른 IEGR 율 변화와 예혼합 압축 착화 특성 변화에 대하여 알아보기 위하여 Table 2에 나타낸 것과 같은 실험조건에 대하여 실험하였다. 배기밸브 양정은 Fig. 2와 같이 각각 2.5 mm, 4.0 mm, 8.4 mm에 대하여 실험을 하였으며, 흡기와 배기 밸브 개폐시기는 각각 최대 40 CAD와 15 CAD를 변화시켰다. IEGR 율과 예혼합 압축 착화 특성이 엔진회전수와 연료 분사량에 영향을 받으므로 각각을 1,000 rpm, 21.
- 밸브 개폐시기와 양정에 따른 IEGR 율 변화와 예혼합 압축 착화 특성 변화에 대하여 알아보기 위하여 Table 2에 나타낸 것과 같은 실험조건에 대하여 실험하였다. 배기밸브 양정은 Fig.
- 6) IEGR 율 측정을 위한 시스템은 진공펌프, 고속 솔레노이드 밸브, 샘플링 챔버 및 제어장치로 구성된다. 실린더 내부로부터 직접 연료 공기 혼합가스를 취득하기 위하여 실린더에 샘플링을 위한 홀을 가공 하였고, 그 홀에 샘플링 라인과 솔레노이드 밸브 등을 연결하였다. 고속으로 회전하는 엔진에서 짧은 순간 동안 작동하는 솔레노이드 밸브가 필요하다.
- 연소 해석을 위해 연소실에 압력 센서(Kistler, 6052B)를 장착하였으며, 흡기와 배기 매니폴드의 압력을 계측하기 위해 압력 센서(Kistler, 4045A5)를 장착하였다. 혼합기의 온도와 배기 가스의 온도를 측정하기 위해 흡기 매니폴드와 배기 매니폴드에 각각 K-type 열전대(thermocouple)를 장착하였다.
- DME 연료는 공기와의 충분한 혼합을 위하여 흡기 밸브로부터 30 cm 떨어진 곳에서 분사하였다. 짧은 순간동안에 충분한량의 DME 연료를 분사하기 위하여 질소를 사용하여 5 MPa로 DME를 가압하였고, 이에 따라 DME가 액상 상태로 분사되었다.
- 연소 해석을 위해 연소실에 압력 센서(Kistler, 6052B)를 장착하였으며, 흡기와 배기 매니폴드의 압력을 계측하기 위해 압력 센서(Kistler, 4045A5)를 장착하였다. 혼합기의 온도와 배기 가스의 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 저장 하였다.
대상 데이터
- 고속으로 회전하는 엔진에서 짧은 순간 동안 작동하는 솔레노이드 밸브가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 고속 솔레노이드 밸브(Parker, General Valve Series 9)를 사용하였다. 이솔레노이드 밸브는 최대 응답속도가 2 ms이고 진공에서부터 약 8 MPa까지의 압력 범위에서 사용 가능하다.
- 혼합기의 온도와 배기 가스의 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 저장 하였다.
- 본 연구에 사용된 엔진은 Fig. 1에서 나타낸 것처럼 4행정 단기통 엔진으로써 예혼합 압축 착화 엔진 실험을 위하여 압축비를 13:1로 하였다. 자세한 엔진의 제원은 Table 1에 나타내었다.
- 하지만 솔레노이드 밸브의 응답성을 고려하여 크랭크 각도 60 CAD 동안의 초기 압축행정에서 진행되도록 하였다. 채집된 가스는 가스 크로마토그래피(GC; gas chromato graphy)를 이용하여 이산화탄소(CO2)의 농도측정에 이용하였다. IEGR 율은 식 (1)과 같이 채집된 가스와 배기 가스중의 CO2 농도의비로 계산되었다.
성능/효과
- 4인 경우(Fig. 4(a))에 배기 MOP가 진각되면서 발생하는 NVO에 의해 배기 행정 말기에 재압축 과정이 발생하게 되어 0 CAD 부근에서 실린더 압력이 약 30 kPa 정도 증가한 것을 확인할수있다. L2.
- 4) 인 경우 (Fig. 3(a))에는 큰 차이를 보이지 않으나, 흡기 MOP 가 지각되면서 발생하는 네거티브 밸브 오버랩 (NVO; negative valve overlap)에 의해 30 CAD 부근에서 실린더 압력이 감소하였다가 다시 증가하는 것을 확인할 수 있다. 배기 밸브 양정이 2.
- 1) 배기 밸브 양정이 2.5 mm인 경우 배기 밸브 열림 기간이 짧아 네거티브 밸브 오버랩(NVO: negative valve overlap)이 크며, 배기 행정중에 재압축이 크게 나타난다. 이때 재압축은 흡기 밸브 개폐 시기 보다 배기 밸브 개폐시기에 더 크게 영향을 받는다.
- 2) HCCI 엔진의 경우 스로틀링이 거의 없기 때문에 배기 밸브 양정이 높고 열림기간이 긴 경우 내부 배기 가스 재순환(IEGR; internal exhaust gas recirculation)이 잘 되지않아 IEGR 율이 낮지만, 배기 밸브양정이 낮고 열림 기간이 짧은 경우에는 배기 밸브가 일찍 닫히게 되어 트랩되는 배기 가스의 양이 증가하게 되어 IEGR 율이 증가하게 된다.
- 3) DME의 예혼합 압축착화 엔진 적용시 DME 가 가지는 우수한 기화 특성 때문에 기존 디젤 HCCI 에서 문제시 되었던 벽면 적심 현상 및 국부적으로 농후한 영역에 의해 발생하는 soot 생성이 줄어드는 장점을 가진다. 그러나 DME를 예혼합 압축착화 엔진에 사용하게 되면 우수한 기화와 자발 점화 특성 때문에 조기 착화의 문제가 크게 나타난다.
- 3) 배기 밸브 양정이 8.4 mm인 경우에는 흡기 밸브 개폐시기 지각에 따른 유효 압축비 감소에 의해 자발 점화 시기가 지각되며, 배기 밸브 개폐시기에 따른 자발 점화 시기 영향은 무시할 만하다. 하지만 배기 밸브 양정이 2.
- 4) 연소 효율은 배기 밸브 양정이 낮은 경우 재압축과 내부 배기 가스 재순환에 의해 공급되는 추가적인 열량에 의해 증가한다. 이에 의해 배기밸브 양정이 높은 경우에 만족하지 못했던 연소 효율의 허용 가능한 최소값을 배기 밸브 양정이 낮은 경우에는 만족하고 있다.
- 따라서 본 연구에서 사용된 엔진의 경우 DME HCCI 엔진 연소에서 낮은 밸브 양정을 가지는 배기 캠샤프트를 사용할 경우 IEGR 율 증가로 인해 저 부하 운전 시 연료 변환 효율을 유지하면서 연소 효율을 증가시킴으로써 운전 영역을 확장 시킬 수 있음을 확인 할 수있다.
- 여기서 배기 밸브 열림 최대 지점 변화 때 보다 IEGR 율 증가량이 크지 않은 결과를 통해, 배기 밸브 개폐시기 변화가 흡기 밸브 개폐시기 변화보다 IEGR 율에 더 큰 영향을 주고 있음을 알 수있다.
- 효율 결과를 통해서 보았을 때, 연료 변환 효율은 모든 경우에 대하여 연소 효율 85% ~ 90%, 실린더 내부 최고 온도 약 1,400 K이 되는 지점까지 증가한후, 그 이후에 다시 감소하고 있다. 이는 DME와 같이 세탄가(centane number)가 높은 연료를 이용하여 HCCI 연소를 하였을 때, 연료량이 증가할수록 자발 점화 시기가 TDC 이전으로 빨라지고, 연소 기간이 감소하게 되어 압축 행정 동안에 발생하는 음의 일이 증가하게 되어 결국 연료 변환 효율이 감소하게 된다.
- 흡기와 배기 밸브 열림 최대 지점이 빠를수록, 그리고 배기 밸브 양정이 낮을수록 연소상이 앞당겨지고 있음을 확인할 수 있다. 이때 L8.
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