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문제 정의
- 본 논문에서는 저 세탄가 (CN 30)에 대하여 방향족 성분과 연료의 증발온도가 다량의 EGR(약 41%)을 적용한 저온디젤연소에서 연소 및 배기가스 배출 특성에 미치는 영향을 비교하였다. 저세탄가 연료들이므로 고세탄가 (e.
제안 방법
- 1500 rpm 2.6 bar 조건에 대하여 SOI 에 따른 연소 해석을 통하여 방향족과 T90 온도에 따른 연소 특성을 분석하였다. 4 가지 연료에 대하여 EGR 약 41% 로 일정하게 유지였다.
- 6%에 해당한다. EGR 은 흡기관과 배기관에서 측정된 CO2 농도의 비로 부터 계산하였다. Table 3 은 보다 자세한 엔진 작동시의 여러 인자들을 나타낸다.
- 방향족 성분과 T90 온도 중 NOx 생성에 지배적 인자를 판단하기 위하여 Minitab 을 이용한 실험계획법을 수행하였다. MFB50% 위치에 관계없이 방향족 성분이 NOx 생성에 주효과로 작용하였고, T90 온도와 두 인자에 의한 교호작용에 의한 효과는 작았다. 전통디젤연소에서와 같이 저온디젤연소에서도 방향족 성분의 증가는 높은 NOx 생성 배출 특성을 보였다(11).
- 4 가지 연료에 대하여 EGR 약 41% 로 일정하게 유지였다. SOI 에 따른 질량연소율 (mass fraction burned, MFB) 50% (MFB50%)를 갖는 크랭크 각을 비교하였다. Fig.
- 이는 방향족 성분의 링 구조 (ring structure)에 기인한 열분해 (thermal decomposition) 혹은 열해리(pyrolysis)의 어려움과 T90 온도가 높기 때문으로 판단된다(10). 방향족 성분과 T90 온도 중 어느 것이 착화지연에 지배적 인자인지를 판단하기 위하여 Minitab 을 이용하여 실험계획법을 수행하였다. MFB50% 위치에 관계없이 T90 온도가 착화지연에 가장 지배적인 인자였고, 5°CA ATDC 이후에는 T90 온도와 방향족 성분의 교호작용(interaction) 효과가 증가하였다.
- 배기매니폴드 끝 단에서 약 20cm 떨어진 위치에서 PM 측정을 하였으며, AVL 사의 415S 장비를 이용하여 광학식 방법으로 측정하였다. 터보과급기에서 약 1m 정도 떨어진 위치에서 매연필터를 통과한 배기가스의 THC, CO, NOx, CO2, O2 농도를 일반 배기가스 측정 장비를 이용하여 측정하였으며 실험 오차는 5% 이내였다.
- 본 연구는 1.9L 커먼레일 직접분사 디젤 엔진을 이용하여 1500rpm 2.6bar BMEP 조건에서 다량의 EGR (약 41%)을 적용한 저온디젤연소 영역에서 저세탄가(CN30) 연료에서 방향족 성분과 T90 온도가 연소 및 배기가스에 미치는 영향을 비교 분석하였다. 주어진 엔진 작동 조건하에서 방향족 성분 및 T90 온도에 따른 영향을 구분하기 위하여 실험계획법을 이용하였다.
- 상기 시험 결과를 토대로 각 각의 연료에 대하여 MFB50% 위치에 따른 PM, NOx, THC, CO 및 BSFC 를 비교하였다. Fig.
- 6 bar BMEP 로 SOI 에 따른 토크의 변동은 연료량으로 조정하였다. 연료 분사는 파이럿 분사 (pilot injection)없이 오직 주 분사(main injection) 만으로 이루어졌다. 실험을 수행하는 동안 연료레일압력(fuel rail pressure)은 875bar 를 유지하였으며, EGR 은 약 41%로 흡입산소량의 약 15.
- 이상의 결과를 정리하면 세탄가 30 인 저세탄가 연료에서 방향족 성분과 T90 온도가 연소특성에 미치는 영향을 질량연소율 위치에 대하여 착화지 연기간, 연소기간을 비교 분석하였다. 연료의 종류에 관계없이 SOI 변경에 따라 MFB5% 위치와 MFB50%의 위치를 제어 할 수 있음을 알 수 있었다.
- 저세탄가인 CN 30 에 대하여 방향족 성분과 T90 온도를 조합한 4 가지 연료에 대하여 엔진제어 변수 중에서 SOI 에 따른 연소 특성 및 배기가스 분석을 실시하여 연료 특성이 저온디젤연소에 미치는 영향을 분석하였다.
- 사용한 연료는 초저유황 디젤연료이며 물성치의 목표치는 세탄가 30 에 대하여 각각 방향족 성분 20%, 45%, T90 온도는 270°C, 340°C 이다. 최대한 목표치에 근접하도록 연료를 조성하였다. 상세한 연료 조성치는 Table 2 에 나타내었다.
- 배기매니폴드 끝 단에서 약 20cm 떨어진 위치에서 PM 측정을 하였으며, AVL 사의 415S 장비를 이용하여 광학식 방법으로 측정하였다. 터보과급기에서 약 1m 정도 떨어진 위치에서 매연필터를 통과한 배기가스의 THC, CO, NOx, CO2, O2 농도를 일반 배기가스 측정 장비를 이용하여 측정하였으며 실험 오차는 5% 이내였다. 배기가스 분석을 위한 모든 샘플라인(sampling line)은 190℃ 로 유지하여 탄화수소 및 물의 응축을 최소화 하였다.
대상 데이터
- 본 실험을 위하여 미국 General Motors 사의 1.9L DOHC 전자식 커먼레일 직접분사(common rail direct injection) 엔진을 이용하여 연료분사압력과 연료분사시기(start of injection, SOI)를 제어하였다. Table 1에서 보듯이 피스톤의 형상은 보울인(bowl-in) 타입이며 압축비는 17.
- 사용한 연료는 초저유황 디젤연료이며 물성치의 목표치는 세탄가 30 에 대하여 각각 방향족 성분 20%, 45%, T90 온도는 270°C, 340°C 이다.
- 엔진의 운전 영역은 1500rpm, 2.6 bar BMEP 로 SOI 에 따른 토크의 변동은 연료량으로 조정하였다. 연료 분사는 파이럿 분사 (pilot injection)없이 오직 주 분사(main injection) 만으로 이루어졌다.
이론/모형
- 4 에서 설명하였듯이 연소기간이다른 연료에 비하여 짧아서 고온연소 영역에서 보다 강렬한 열 발생으로 인한 연소온도 증가에 따른 것으로 판단된다. 방향족 성분과 T90 온도 중 NOx 생성에 지배적 인자를 판단하기 위하여 Minitab 을 이용한 실험계획법을 수행하였다. MFB50% 위치에 관계없이 방향족 성분이 NOx 생성에 주효과로 작용하였고, T90 온도와 두 인자에 의한 교호작용에 의한 효과는 작았다.
- 6bar BMEP 조건에서 다량의 EGR (약 41%)을 적용한 저온디젤연소 영역에서 저세탄가(CN30) 연료에서 방향족 성분과 T90 온도가 연소 및 배기가스에 미치는 영향을 비교 분석하였다. 주어진 엔진 작동 조건하에서 방향족 성분 및 T90 온도에 따른 영향을 구분하기 위하여 실험계획법을 이용하였다. 연료에 관계없이 MFB5% 위치와 MFB50% 위치는 선형 관계를 이루어 SOI 변경에 따라서 두 개의 연소위상 위치를 동일하게 제어할 수 있음을 확인하였다.
성능/효과
- 6 bar 조건에 대하여 SOI 에 따른 연소 해석을 통하여 방향족과 T90 온도에 따른 연소 특성을 분석하였다. 4 가지 연료에 대하여 EGR 약 41% 로 일정하게 유지였다. SOI 에 따른 질량연소율 (mass fraction burned, MFB) 50% (MFB50%)를 갖는 크랭크 각을 비교하였다.
- MFB50% 위치에 관계없이 T90 온도가 착화지연에 가장 지배적인 인자였고, 5°CA ATDC 이후에는 T90 온도와 방향족 성분의 교호작용(interaction) 효과가 증가하였다.
- 연료의 종류에 관계없이 SOI 변경에 따라 MFB5% 위치와 MFB50%의 위치를 제어 할 수 있음을 알 수 있었다. 그리고 실험계획법에 의하여 MFB50% 위치에 따른 착화지연 기간의 관계는 T90 온도가 가장 지배적인 인자였으며, MFB50% 위치가 지각됨에 따라 T90 온도와 방향족 성분에 의한 교호작용이 존재함을 확인하였다.
- 4 는 MFB50% 위치와 연소기간(combustion duration, MFB50% 위치와 MFB5% 위치의 차이로 정의)을 비교한 결과이다. 동일한 MFB50% 위치에 대하여 A45-T340 연료를 제외한 나머지 연료들은 거의 동일한 연소기간을 가짐을 알 수 있었다. A45-T340 연료의 경우 MFB50% 5°CA ATDC 이후부터 다른 세 연료와 비교하여 짧은 연소기간을 가진다.
- 2 는 MFB5% 위치와 MFB50% 위치와의 상관 관계를 나타낸다. 방향족이나 T90 온도에 관계없이 네 가지 연료 모두 선형관계를 이루며 동일한 직선 위에 존재하였으며 이는 SOI 를 변경하여 MFB5% 위치와 MFB50% 위치를 일정하게 제어할 수 있음을 나타낸다.
- 연료에 관계없이 MFB5% 위치와 MFB50% 위치는 선형 관계를 이루어 SOI 변경에 따라서 두 개의 연소위상 위치를 동일하게 제어할 수 있음을 확인하였다. 실험 계획법을 통하여 착화지연 기간은 MFB50% 위치에 관계없이 T90 온도가 가장 지배적인 인자임을 확인할 수 있었다. 연료에 관계없이 저세탄가에 의한 착화지연 기간의 증가로 PM 배출은 거의 존재하지 않았다.
- 주어진 엔진 작동 조건하에서 방향족 성분 및 T90 온도에 따른 영향을 구분하기 위하여 실험계획법을 이용하였다. 연료에 관계없이 MFB5% 위치와 MFB50% 위치는 선형 관계를 이루어 SOI 변경에 따라서 두 개의 연소위상 위치를 동일하게 제어할 수 있음을 확인하였다. 실험 계획법을 통하여 착화지연 기간은 MFB50% 위치에 관계없이 T90 온도가 가장 지배적인 인자임을 확인할 수 있었다.
- 이상의 결과를 정리하면 세탄가 30 인 저세탄가 연료에서 방향족 성분과 T90 온도가 연소특성에 미치는 영향을 질량연소율 위치에 대하여 착화지 연기간, 연소기간을 비교 분석하였다. 연료의 종류에 관계없이 SOI 변경에 따라 MFB5% 위치와 MFB50%의 위치를 제어 할 수 있음을 알 수 있었다. 그리고 실험계획법에 의하여 MFB50% 위치에 따른 착화지연 기간의 관계는 T90 온도가 가장 지배적인 인자였으며, MFB50% 위치가 지각됨에 따라 T90 온도와 방향족 성분에 의한 교호작용이 존재함을 확인하였다.
- PM 의 경우 MFB50% 위치에 관계없이 그리고 방향족 및 T90 온도에 관계없이 거의 배출이 없었다. 이와 달리 본 논문에는 포함되지 않았지만, 세탄가 55 에 대하여 방향족 및 T90 온도에 따른 실험 결과는 MFB50% 위치에 따라서 PM 은 0.4 이하의 값으로 세탄가 30 의 경우보다 높았다. 이러한 차이는 저세탄가에 의한 충분한 착화지연에 의하여 예혼합 정도가 증가하여 PM 발생이 줄어든 것으로 판단된다.
- 이는 가장 짧은 연소기간으로부터 가장 강렬한 고온연소가 이루어졌고 이로 인하여 연소온도가 가장 높았기 때문으로 판단된다. 특히, 실험계획법을 통하여 NOx 생성에 지배적 인자는 MFB50% 위치에 관계없이 방향족 성분임을 확인 하였다.
후속연구
- 본 논문에서는 저 세탄가 (CN 30)에 대하여 방향족 성분과 연료의 증발온도가 다량의 EGR(약 41%)을 적용한 저온디젤연소에서 연소 및 배기가스 배출 특성에 미치는 영향을 비교하였다. 저세탄가 연료들이므로 고세탄가 (e.g. CN 55) 대비 착화지연 기간의 증가에 따른 PM 저감 효과와 더불어 방향족 성분 및 연료의 증발온도에 따른 영향을 분석하여 저온디젤연소에 대한 이해를 높일 수 있을 것으로 판단된다.
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