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문제 정의
- 본 연구에서는 soot의 저감을 위하여 함산소 연료인 바이오디젤(대두유)을 압축 착화 엔진에 적용하고 매우 높은 EGR율까지 적용시켜 그에 따른 연소 및 배기 배출물의 특성에 대하여 연구하였다.
제안 방법
- 1° 단위로 분사시기 제어가 가능하도록 했다. 그리고 타이밍 펄스 발생기로부터 인가받은 지정된 분사시기에서 인젝터 드라이버(TDA 3300, TEMS)는 통전 시간을 조절하여 인젝터에서 분사량을 제어할 수 있도록 하였다.
- 43mg/cycle의 분사량을 TDC에서 BTDC 30°까지 진각시키며 분사압 120MPa로 분사하였다. 또한 EGR 20, 40, 60%에 대하여도 동일하게 실험을 수행하였다. 이에 대한 실험 조건을 Table 3에 나타내었다.
- 또한 배기가스와 흡입공기의 균일한 혼합을 위하여 흡기부에 챔버를 설치하였고 유량계(GFC67, Aalborg)를 설치하여 정확한 유량 제어를 하였다. 이 유량값에 의하여 EGR은 총 흡기유량에 대한 배기가스 유량의 질량 퍼센트로 정의하였다.
- 4nm 범위에서 크기별 배출 분포를 측정하는 SMPS(Scaninng mobility particle sizer, TSI)를 구성하였다. 또한 유해배출가스 농도를 측정하기 위하여 배기가스 분석기(MEXA-554JK, Horiba)를 설치하여 측정하였다.
- 배기가스 분석을 위하여 soot의 농도를 측정하는 매연측정기(Smoke meter-415S, AVL)와 입자상 물질의 10.4~392.4nm 범위에서 크기별 배출 분포를 측정하는 SMPS(Scaninng mobility particle sizer, TSI)를 구성하였다. 또한 유해배출가스 농도를 측정하기 위하여 배기가스 분석기(MEXA-554JK, Horiba)를 설치하여 측정하였다.
- 본 실험은 바이오디젤 연료를 적용하여 EGR율의 변화에 따른 연소 특성과 배기 특성을 알아보기 위한 것으로 실제 배기가스를 재순환 시키는 방법으로 EGR을 구현하였으며, 배기가스의 높은 온도에 의한 영향을 억제하기 위하여 수냉식의 CooledEGR을 적용하였다.
- 분사시스템은 크랭크 각 센서(1800pulse/rev)와 캠축 위치 센서를 설치하고 이 두 신호를 타이밍 펄스 발생기(timing pulse generator)에서 논리연산에 의하여 TDC를 인식하여 이 시점을 기준으로 0.1° 단위로 분사시기 제어가 가능하도록 했다.
- 실험 운전 영역으로 엔진 회전 속도는 동력계를 이용하여 1200rpm으로 고정하였으며 바이오디젤의 연소 시 당량비(Equivalence ratio) Φ=0.4에 상응하는 8.43mg/cycle의 분사량을 TDC에서 BTDC 30°까지 진각시키며 분사압 120MPa로 분사하였다.
- 압축비가 17.8:1이고 배기량이 373.3cc인 커먼레일 분사시스템의 단기통 디젤엔진을 DC 동력계(55kW)를 이용하여 엔진의 운전속도 및 토크를 제어하였다.
- 연료 공급 및 압력 제어장치는 병렬로 연결된 두 개의 고압펌프(HSF-300, Haskel)를 이용하여 체임버 내에 연료를 가압하고 압력제어기를 통하여 커먼레일의 압력을 일정하게 유지하였다.
- 연소해석을 위하여 엔진 헤드에 피에조 압전 소자 방식의 압력센서(6052C, Kistler)를 설치하여 실린더 내의 압력 신호를 받고 이를 통하여 DAQ보드(PCI-MIO-16E-1, NI)와 Labview 소프트웨어를 사용하여 실시간으로 취득하였다.
- 이를 위하여 엔진 회전속도 1200rpm에서 120MPa의 분사압력과 8.43mg의 분사량을 TDC에서 BTDC 30°까지 진각 시키며 분사하는 운전 조건으로 실험하였고 같은 조건으로 EGR율 60%까지 증가시키면서 실험하였다.
대상 데이터
- Table 1은 본 연구에서 사용된 엔진과 인젝터의 주요 제원을 나타내었고, 또한 Fig. 1은 커먼레일 디젤엔진, 연료 공급 및 압력 제어장치, 연료 분사 제어장치, 연소 및 배기분석을 위한 장치로 구성된 실험 장치를 나타내었다.
성능/효과
- 1) EGR율을 증가함에 따라 연료의 착화 지연 기간은 길어지고 최대 연소 압력과 최대 열발생율은 저하하였다.
- 2) NOx의 배출량은 EGR의 증가에 따라 현저하게 저감되었고, 특히 EGR 60%경우에서는 전 구간에 걸쳐서NOx의 배출이 거의 되지 않았다.
- 3) soot의 배출량은 EGR율의증가에따라급격하게 증가하였으나, 바이오디젤 연료의 경우 안정적인 연소를 보여주는 TDC근처의 분사시기에서의 함산소 성분의 영향으로 soot의 배출이 매우 적었다.
- 4) 미연소 생성물인 HC와 CO의 배출량은 EGR의 증가함에 따라 배출량 또한 증가하였으며, 특히 EGR율 60%에서는 상대적으로 많은 양이 배출되었다.
- 5) 미세입자 입경분포 특성은 EGR 적용에 의하여 배기가스의 온도가 증가하였으며 이로 인하여 Accumulation mode의 입자수가 감소하고 Nuclei mode의 입자수가 증가하였다.
- 디젤의 경우 EGR 율의 증가에 따라 혼합기의 산소농도의 감소로 인하여 soot 배출물이 다소 증가한다고 보고되고 있다.6) 그러나 본 실험에서 바이오디젤의 경우에는 IMEP의 큰 저감이 없는 TDC근처의 분사시기에서는 EGR의 적용의 경우에도 soot의 배출량이 적게 나타났다. 이것은 EGR율의 증가로 인하여 연소실의 산소농도가 감소되지만 바이오디젤 연료 내에 포함된 산소성분이 연소를 촉진시키고, 연소과정 중에서 soot 배출물의 산화에 영향7)을 미치기 때문인 것으로 생각된다.
- EGR 20, 40%의 경우는 EGR율을 적용시키지 않은 경우보다 다소 길어진 착화지연 기간과 최대 연소 압력이 점진적으로 낮아지나 그 차이는 크지 않으며 EGR 60%의 경우에는 확연히 낮아진 최대 연소 압력과 길어진 착화 지연 기간이 나타난다. 열발생율 곡선에서도 EGR율의 증가에 따라 최대 열발생율은 낮아지고 그 기울기는 완만해지는 경향을 보였고, 특히 EGR율 60%의 경우에 그 정도가 큰 것으로 나타났다. 이는 EGR 60%에서는 유입되는 공기량이 일반적인 경우에 비하여 40%로 낮아지고 많은 양의 배기가스(60%)가재 유입되어 연소가 방해된 것으로 판단된다.
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