[논문]압축착화 엔진에서 가솔린 예혼합이 연소 및 배기 특성에 미치는 영향

차준표; 권석주; 허정윤; 이창식; 박성욱

압축착화 엔진에서 가솔린 예혼합이 연소 및 배기 특성에 미치는 영향
Effect of Gasoline-premixing on Combustion and Exhaust Emissions Characteristics in Compression Ignition Engines 원문보기

한국연소학회지 = Journal of the Korean Society of Combustion, v.15 no.4, 2010년, pp.53 - 57

차준표 (한양대학교 대학원) , 권석주 (한양대학교 대학원) , 허정윤 (한양대학교 대학원) , 이창식 (한양대학교 기계공학과) , 박성욱 (한양대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of the present work is to investigate the effect of gasoline-premixing on a combustion and emissions characteristics in a compression ignition engine. For studying combustion characteristics, a combustion pressure and rate of heat release (ROHR) were measured using a single-cylinder DI compression ignition engine with a common-rail injection system and premixed fuel injection system. In addition, exhaust emissions characteristics were studied using emission analyzers and smoke meter. The experimental results showed that the case of gasoline-premixing had longer ignition delay and lower combustion pressure compared to the cases of diesel direct injection. Furthermore, premixed gasoline-air mixture reduced NOx emissions due to low peak of ROHR.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 옥탄가가 높은 가솔린을 이용하여 가솔린-예혼합(Gasoline-premixing)이 연소 및 배기 특성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 가솔린을 흡기과정 중에 분사하였으며 디젤은 연소실 내 직접 분사하였다. 또한 총 연료 분사량이 8 mg일 때 연소실 내 직접 분사하는 디젤의 분사량과 예혼합하는 가솔린의 분사량의 비를 7:3, 5:5로 하여 각각 실험한 결과를 디젤만을 연소실 내 직접 8 mg을 분사한 결과와 비교하였다.
본 연구에서는 압축착화기관에 가솔린 예혼합이 연소 및 배기 특성에 미치는 영향에 대한 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

연소특성을 해석하기 위해서 열발생율(Rate of heat release, ROHR)은 연소실 내의 검사체적(control volume)이 폐쇄계이며 혼합기를 이상기체로 가정하여 다음과 같이 정의하였다.

제안 방법

1과 같이 예혼합 분사장치를 구성하였다. 가솔린을 예혼합 연료 탱크에 주입한 후 3 MPa의 분사압력을 유지하기 위하여 질소가스로 가압하였으며, 예혼합 연료 인젝터 드라이버(TDA-3100, TEMS)를 이용하여 분사량을 제어하였다. 분사된 가솔린이 흡입된 공기와 균일한 혼합기를 이루게 하기 위하여 흡기 챔버(Intake chamber)를 설치하고 예혼합 연료 인젝터를 흡기 챔버에 Fig.
또한 가솔린 예혼합에 따른 영향을 알아보기 위하여 Fig. 1과 같이 예혼합 분사장치를 구성하였다. 가솔린을 예혼합 연료 탱크에 주입한 후 3 MPa의 분사압력을 유지하기 위하여 질소가스로 가압하였으며, 예혼합 연료 인젝터 드라이버(TDA-3100, TEMS)를 이용하여 분사량을 제어하였다.
따라서 본 연구에서는 옥탄가가 높은 가솔린을 이용하여 가솔린-예혼합(Gasoline-premixing)이 연소 및 배기 특성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 가솔린을 흡기과정 중에 분사하였으며 디젤은 연소실 내 직접 분사하였다. 또한 총 연료 분사량이 8 mg일 때 연소실 내 직접 분사하는 디젤의 분사량과 예혼합하는 가솔린의 분사량의 비를 7:3, 5:5로 하여 각각 실험한 결과를 디젤만을 연소실 내 직접 8 mg을 분사한 결과와 비교하였다.
연소해석을 위하여 엔진 헤드에 피에조 압전 소자 방식의 압력 센서(6052C, Kistler)를 설치하였고, DAQ보드 (PCIMIO-16E-1, NI)와 Labview 소프트웨어를 사용하여 연소실 내 압력데이터를 실시간으로 취득하였다. 배기가스 분석을 위하여 Soot의 농도를 측정하는 매연측정기 (Smoke meter-415S, AVL)와 유해배출가스 농도를 측정하는 배기분석기(MEXA-554JK, Horiba)를 이용하였다[9].
본 연구에서는 가솔린 예혼합에 따른 연소 및 배기 특성을 알아보기 위하여 디젤은 TDC에서 BTDC 30°까지 분사시기를 진각시키며 연소실 내 직접 분사(direct injection)하였고 가솔린은 예혼합을 위하여 흡기챔버에 분사하였다.
3 cc인 커먼레일 시스템의 단기통 디젤엔진을 DC 동력계(55 kW)를 이용하여 엔진의 운전속도를 제어하였다. 분사 시스템에서는 병렬로 연결된 두 개의 고압펌프 (HSF300, Haskel)를 이용하여 커먼레일(Common-rail, Bosch) 내 연료 분사압을 제어하였고, 타이밍 펄스 발생기 (Timing pulse generator, Blue planet)와 인젝터 드라이버(TDA 3300, TEMS)를 이용하여 연소실 직접 분사의 분사량과 분사시기를 제어하였다. 연소해석을 위하여 엔진 헤드에 피에조 압전 소자 방식의 압력 센서(6052C, Kistler)를 설치하였고, DAQ보드 (PCIMIO-16E-1, NI)와 Labview 소프트웨어를 사용하여 연소실 내 압력데이터를 실시간으로 취득하였다.
압축비가 17.8:1이고 배기량이 373.3 cc인 커먼레일 시스템의 단기통 디젤엔진을 DC 동력계(55 kW)를 이용하여 엔진의 운전속도를 제어하였다. 분사 시스템에서는 병렬로 연결된 두 개의 고압펌프 (HSF300, Haskel)를 이용하여 커먼레일(Common-rail, Bosch) 내 연료 분사압을 제어하였고, 타이밍 펄스 발생기 (Timing pulse generator, Blue planet)와 인젝터 드라이버(TDA 3300, TEMS)를 이용하여 연소실 직접 분사의 분사량과 분사시기를 제어하였다.
분사 시스템에서는 병렬로 연결된 두 개의 고압펌프 (HSF300, Haskel)를 이용하여 커먼레일(Common-rail, Bosch) 내 연료 분사압을 제어하였고, 타이밍 펄스 발생기 (Timing pulse generator, Blue planet)와 인젝터 드라이버(TDA 3300, TEMS)를 이용하여 연소실 직접 분사의 분사량과 분사시기를 제어하였다. 연소해석을 위하여 엔진 헤드에 피에조 압전 소자 방식의 압력 센서(6052C, Kistler)를 설치하였고, DAQ보드 (PCIMIO-16E-1, NI)와 Labview 소프트웨어를 사용하여 연소실 내 압력데이터를 실시간으로 취득하였다. 배기가스 분석을 위하여 Soot의 농도를 측정하는 매연측정기 (Smoke meter-415S, AVL)와 유해배출가스 농도를 측정하는 배기분석기(MEXA-554JK, Horiba)를 이용하였다[9].

이론/모형

배기특성을 해석하기 위하여 단위 출력 당 배기 배출량을 나타내는 IS-emission(Indicated specific-emission)단위를 사용하였으며 그 정의는 다음과 같다.

성능/효과

1) 모든 경우에서 분사시기를 TDC에서 BTDC 30°까지 진각 시킴에 따라 평균 유효압력은 감소하며 가솔린을 예혼합한 경우에는 다소 완만하게 감소하는 특성을 보였다.
2) 가솔린의 높은 옥탄가에 의하여 가솔린을 예 혼합한 경우에는 착화지연기간이 다소 길어지며 예 혼합 연소구간 이후에도 연소되는 특성을 보였다.
3) 예혼합된 가솔린의 영향으로 열발생율은 디젤만 직접 분사한 경우에 비하여 다소 감소하며 그 기울기도 완만한 경향을 보였다.
4) 혼합기 내 가솔린의 예혼합율이 증가함에 따라 IS-NOS는 디젤만 분사한 경우와 비교하여 분사시기 전 영역에서 감소하고 IS-soot는 분사시기에 따라 다소 감소하는 경향을 보였다.
5) 혼합기 내 가솔린의 불완전연소에 의하여 가솔린의 예혼합율이 증가할수록 IS-HC는 크게 증가하였으며 IS-CO는 다소 증가하였다.
특히 BTDC 20° 에서 가장 IMEP 가 높았던 Case 3의 최고 연소압력은 TDC 근처에서 Case 1의 최고 연소압력과 비슷한 수준까지 증가하며 IMEP에 크게 영향을 미치는 배기행정에서의 연소압력은 Case 1보다 다소 높은 특성을 보였다. 이를 종합하여 Case 3을 보면 음(-)의 일을 하는 압축행정에서의 연소압력은 Case 1보다 낮고 TDC 근처에서는 Case 1의 최대 연소압력 수준까지 높아지며 IMEP에 영향이 큰 배기행정에서는 오히려 Case 1보다 다소 연소압력이 높기 때문에 IMEP가 가장 높은 것으로 판단할 수 있다.
2는 엔진 회전속도 1,200 rpm에서 디젤을 100 MPa로 직접 분사할 때 분사시기를 TDC에서 BTDC 30°까지 진각 시킴에 따른 평균 유효압력(Indicated mean effective pressure, IMEP)에 대한 특성이다. 전체적으로 모든 경우에서 분사시기를 진각 시킬수록 IMEP가 감소하는 특성이 나타났다. 이는 Table 1에서 나타나듯이 TDC 근처의 분사시기에 최적화되어 있는 피스톤 형상과 156^°의 분사각(Spary angle)을 가진 인젝터를 사용하여 분사시기를 진각시키면 분사된 연료가 실린더 벽면에 묻는 현상(wall-wetting)과 틈새 체적(crevice volume) 내로 유입된 연료의 불완전 연소 현상 그리고 압축행정에 연소가 이루어져 음(-)의 일을 하게 되는 현상 등에 의한 것으로 판단된다.
특히 BTDC 20° 에서 가장 IMEP 가 높았던 Case 3의 최고 연소압력은 TDC 근처에서 Case 1의 최고 연소압력과 비슷한 수준까지 증가하며 IMEP에 크게 영향을 미치는 배기행정에서의 연소압력은 Case 1보다 다소 높은 특성을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압축착화기관의 장점은?	최근 전 세계적으로 지구 온난화 현상을 비롯하여 이례적인 기후 변화가 나타남에 따라 선진국을 중심으로 모든 산업분야에 환경규제가 적용되고 있으며 자동차 산업에서의 규제는 특히 더욱 엄격해지고 있다. 이에 대응하기 위하여 압축착화기관(compression ignition engine)은 높은 압축비에 의하여 열효율이 높고 연료의 자착화(auto-ignition) 특성을 이용하기 때문에 희박한 영역에서 운전되어 CO2의 배출량이 현저히 낮은 장점을 갖고 있어 많은 연구가 이루어지고 있다. 하지만 입자상물질(Particulate matter, PM)과 질소산화물(NOx)의 배출이 큰 단점을 갖고 있다[1,2].
	dual-fuel은 무엇인가?	dual-fuel은 예혼합에 의한 노킹을 억제하며 착화 지연기간을 길게 하여 착화시점을 TDC 근처에서 제어하기 위하여 옥탄가(Octane number)가 높은 연료를 흡기과정 중에 예혼합하여 연소실 내에 균일한 혼합기를 형성하고 높은 세탄가(Cetane number)를 가진 연료를 직접 분사하여 착화시킴으로써 미리 형성된 균일한 혼합기를 연소시키는 방법이다[5,6].
	압축착화기관에 가솔린 예혼합이 연소 및 배기 특성에 미치는 영향에 대한 실험을 수행하여 얻은 결론은?	1) 모든 경우에서 분사시기를 TDC에서 BTDC 30°까지 진각 시킴에 따라 평균 유효압력은 감소하며 가솔린을 예혼합한 경우에는 다소 완만하게 감소하는 특성을 보였다. 2) 가솔린의 높은 옥탄가에 의하여 가솔린을 예 혼합한 경우에는 착화지연기간이 다소 길어지며 예 혼합 연소구간 이후에도 연소되는 특성을 보였다. 3) 예혼합된 가솔린의 영향으로 열발생율은 디젤만 직접 분사한 경우에 비하여 다소 감소하며 그 기울기도 완만한 경향을 보였다. 4) 혼합기 내 가솔린의 예혼합율이 증가함에 따라 IS-NOS는 디젤만 분사한 경우와 비교하여 분사시기 전 영역에서 감소하고 IS-soot는 분사시기에 따라 다소 감소하는 경향을 보였다. 5) 혼합기 내 가솔린의 불완전연소에 의하여 가솔린의 예혼합율이 증가할수록 IS-HC는 크게 증가하였으며 IS-CO는 다소 증가하였다.

참고문헌 (10)

Dae Sik Kim, Myung Yoon Kim, Chang Sik Lee, "Combustion and emission characteristics of a partial homogeneous charge compression ignition engine when using two-stage injection", Combust. Sci. and Tech. Vol. 179, 2007, pp. 531-551

상세보기
Chang Sik Lee, Young Hoon Yoon, Myung Yoon Kim, "Effect of cooled-EGR on the characteristics of performance and exhaust in a HCCI diesel engine", Transactions of KSAE, Vol. 13, No. 5, 2005, pp. 35-41

원문보기 상세보기
Rudolf H. Stanglmaier and Charles E. Roberts, "Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI): Benefits, Compromises, and Future Engine Applications", SAE 1999-01-3682
Mingfa Yao, Zhaolei Zheng, and Haifeng Liu, "progress and recent trends in homogeneous charge compression ignition (HCCI) engines", Progress in Energy and Combustion Science xxx, 2009 pp. 1-40
Patrick B. Dunbeck and Rolf D. Reitz, "An Experimental Study of Dual Fueling with Gasoline Port Injection in a Single-Cylinder, Air-Cooled HSDI Diesel Generator", SAE 2010-10-0869, 2010
Reed Hanson, Derek Splitter and Rolf Reitz, "Operating a Heavy-Duty Direct-Injection Compression-Ignition Engine with Gasoline for Low emissions", SAE 2009-01-1442
Naoki Shimazaki, Tadashi Tsurushima and Terukazu Nishimura, "Dual mode combustion concept with premixed diesel combustion by direct injection near top dead center", SAE 2003-01-0742
Gautam T. Kalghatgi, Per Risberg and Hans-Erik Angstrom, "Partially Pre-mixed Auto-Ignition of Gasoline to Attain Low Smoke and Low NOx at High Load in a Compression Ignition Engine and Comparison with a Diesel Fuel", SAE 2007-01-0006
Junepyo Cha, Seung Hyun Yoon, Mun Soo Chon, Chang Sik Lee, "Combustion and nano-particulate emissions characteristics of a compression ignition engine fueled with oxygenated blending fuel", Transactions of KSAE, Vol. 17, No. 5, 2009, pp. 61-66

원문보기 상세보기
Heywood, J. B., "Internal combustion engine fundamentals", McGraw-Hill, New York, 1988.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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