[논문]적접분사식 LPG엔진에서 연료분사압력이 연소/배기특성에 미치는 영향 연구

이석환; 조준호; 오승묵

doi:10.15435/jilasskr.2011.16.1.007

문제 정의

연구는 매우 제한적이었다。, 6). 따라서, 본 연구에서는 LPG 전기점화 직접분사방식의 선행연구를 목적으로 연료분사압력에 따른 LPG 고압분사시 연료의 분무 거동과 실엔진에서의 연소/배기에 관련된 주요 특성에 관한 연구를 수행하였다.

가설 설정

그림에서는 가솔린 연료의 경우와 비교하기 위하여 함께 동일 시간대 얻은 가솔린 분무형상도 같이 보여주고 있다. 각 분사조건별 연료유량은 LPG와 가솔린의 저위발열량을 고려하여 동일한 에너지가 공급되는 것을 가정하여 동일 발열량을 기준으로 분사량을 결정하였다. 따라서, 단위질량당 발열량은 LPG 연료가 높으므로 가솔린은 24 mg, LPG는 22 mg으로 결정하였다.

제안 방법

엔진이다. Table 1에 정리된 바와 같이 보어와 스트로크는 각각 83, 92 mm, 배기량은 498 cc이며 최고 120기압까지 연료분사가 가능한 솔레노이드형의 선회형 분사기(swirl iqjector)를 장착하여 사용하였다. 사용된 연료분사기는 가솔린연료 전용으로 LPG연료를 사용했을 경우에 누설의 우려가 있으므로 이에 대한 검증을 수행하였다.
가솔린 및 LPG 연료의 분무특성을 비교하기 위하여 분무이미지 측정 장치를 .구성 하였다.
공연비 측정을 위해 배기관에 산소센서를 설치하였고, 흡기 쪽 레저버(reservoir)에 층류 유량계를 설치하여 흡입공기량을 측정하였다. 질소산화물, 미연탄화수소, 일산화탄소와 같은 가스상 배기배출물은 배출가스 분석 장치(Horiba, MEXA8120)# 통하여 측정하였으며, 배출 극미세입자의 입경별 개수 농도를 측정하기 위해 DMA(dynamic mobility analyzer)와 응축 입자 계수기 (CPC; condensation particle counter)로 구성된 Grimm사의 SMPS(scanning mobility particle sizer)를 이용하였다.
ICCD(intensified charge coupled device) 카메라는 연속 촬영 이 불가능하므로 분사시작이후 시간대별 분무이미지를 한번의 분무를 통해 얻을 수가 없다. 따라서, 동일 조건에서의 분무형태는 유사하다는 가정 하에 시간동기화를 통하여 각각 다른 분무에서 시간대별 분무형상을 ICCD 카메라로 측정하였다.
Table 1에 정리된 바와 같이 보어와 스트로크는 각각 83, 92 mm, 배기량은 498 cc이며 최고 120기압까지 연료분사가 가능한 솔레노이드형의 선회형 분사기(swirl iqjector)를 장착하여 사용하였다. 사용된 연료분사기는 가솔린연료 전용으로 LPG연료를 사용했을 경우에 누설의 우려가 있으므로 이에 대한 검증을 수행하였다. 연료분사기에 LPG 연료를 150기압으로 가압한 후 소형 버블유량계 (bubble flowmeter)를 사용하여 연료 누설이 없음을 확인하였다.
결정하였다. 엔진의 부하조건은 정미도시평균유효압력(net indicated mean effective pressure, IMEP) 기준으로 2-10 bar 범위에서 연료분사압은 60, 90, 120 bar로 변화시켰다. 연료분사 시기는 BTDC 300 CAD로 고정하여 조기분사(early injection)로 균질혼합기(homogeneous mixture) 형성을 통해 이론공연비 영역에서만 작동하는 엔진 운전조건을 선택하였다.
엔진의 부하조건은 정미도시평균유효압력(net indicated mean effective pressure, IMEP) 기준으로 2-10 bar 범위에서 연료분사압은 60, 90, 120 bar로 변화시켰다. 연료분사 시기는 BTDC 300 CAD로 고정하여 조기분사(early injection)로 균질혼합기(homogeneous mixture) 형성을 통해 이론공연비 영역에서만 작동하는 엔진 운전조건을 선택하였다. 실험에 사용된 LPG연료는 몰 기준으로 부탄 90%, 프로판 10%의 하절기용 LPG 연료 조성을 사용하였다.
실험에 사용된 LPG연료는 몰 기준으로 부탄 90%, 프로판 10%의 하절기용 LPG 연료 조성을 사용하였다. 연소실 압력센서를 통하여 측정된 500 사이클 평균 연소압력 으로부터 연소안정 성 , 연소기 간을 비교하였다.
2와 같이 구성하였다. 연소실 압력측정은 압전형 압력센서(Kistler, 6117B)를 사용하였으며, 얻어진 연소압력데이타를 가지고 열방출량해석(heat release analysis)을 통해 연소특성을 분석하였다(7).
직접분사식 LPG엔진의 연소특성을 살펴보기 위하여 연소안정성(COVimep), 연소기간(bum duration), 열효율(thennal efficiency)을 연료분사압력에 따라 비교하여 보았다. Fig.

대상 데이터

본 연구에 사용된 엔진은 상용 2리터급 가솔린 직접 분사방식의 엔진을 기본으로 제작된 단기통 엔진이다. Table 1에 정리된 바와 같이 보어와 스트로크는 각각 83, 92 mm, 배기량은 498 cc이며 최고 120기압까지 연료분사가 가능한 솔레노이드형의 선회형 분사기(swirl iqjector)를 장착하여 사용하였다.
연료분사 시기는 BTDC 300 CAD로 고정하여 조기분사(early injection)로 균질혼합기(homogeneous mixture) 형성을 통해 이론공연비 영역에서만 작동하는 엔진 운전조건을 선택하였다. 실험에 사용된 LPG연료는 몰 기준으로 부탄 90%, 프로판 10%의 하절기용 LPG 연료 조성을 사용하였다. 연소실 압력센서를 통하여 측정된 500 사이클 평균 연소압력 으로부터 연소안정 성 , 연소기 간을 비교하였다.

이론/모형

쪽 레저버(reservoir)에 층류 유량계를 설치하여 흡입공기량을 측정하였다. 질소산화물, 미연탄화수소, 일산화탄소와 같은 가스상 배기배출물은 배출가스 분석 장치(Horiba, MEXA8120)# 통하여 측정하였으며, 배출 극미세입자의 입경별 개수 농도를 측정하기 위해 DMA(dynamic mobility analyzer)와 응축 입자 계수기 (CPC; condensation particle counter)로 구성된 Grimm사의 SMPS(scanning mobility particle sizer)를 이용하였다.

성능/효과

1) 스월인섹터에서 LPG 연료의 고압분사는 낮은 각운동량과 높은 증발특성으로 인하여 분무각의 크기는 작고 분무관통거리는 증가하는 경향을 보였다.
2) 연소특성을 살펴본 결과 저부하/고압분사(Pisj=120 bar, 2 bar IMEP) 조건에서 낮은 연소실 유동장 세기와 긴 분무거리로 인하여 연소안정성(COMmep)이 떨어지고 연소기간도 상대적으로 길어지는 것을 제외하고는 연료분사압의 변화에 크게 영향을 받지 않았으며 도시열효율의 경우에도 분사압력의 영향은 미미하였다.
3) 배기특성의 경우 대부분의 조건에서 연료분사압력보다는 부하변동에 더 크게 영향을 받는 것으로 나타났지만 고부하 조건(10 bar IM化P)에서 THC는 고압분사(Pinj=120 bar)를 통하여 감소할 수 있음을 확인하였다.
4) LPG 연료의 나노입자수는 동일조건 가솔린연료의 1/100 수준으로 낮게 나타났으나 입자분포특성은 작은 크기의 입자咛가 증가하는 경향을 보였다.
5) LPG연료는 긴 분무관통거리에도 불구하고 높은 증발특성으로 인하여 전체적으로 연소 및 배기특성이 분사압력에 크게 영향을 받지 않는 것으로 나타났으므로 균일예혼합/이론공연비 운전조건에서는 낮은 분사압력으로도 직접분사방식을 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
또한, IMEP 10 bar 조건에서 가솔린 연료와 비교해서 1/100 수준으로 낮게 나타났다. LPG의 높은 증발특성이 입자상물질의 생성을 억제하여, 긴 관통거리를 갖는 분무특성이 입자상 물질의 생성에 크게 영향을 주지 않고 있음을 예측할 수 있다. 그러나, Fig.
또한, LPG가 옥탄가가 높기 때문에 고부하에서도 노킹 특성이 우수하여 이상연소에 의한 연소기간의 비정상적인 변화는 없었다.
5의 90% 연소기간 비교에서도 COVimep와 같은 결과가 나타났는데 Pi旷120 bar, 2 bar IMEP 조건이 긴 연소 기간을 보여주고 있다. 부하증가에 따라 연소기간은 선형적으로 감소하고 있으며 분사압력에 따른 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.
사용된 연료분사기는 가솔린연료 전용으로 LPG연료를 사용했을 경우에 누설의 우려가 있으므로 이에 대한 검증을 수행하였다. 연료분사기에 LPG 연료를 150기압으로 가압한 후 소형 버블유량계 (bubble flowmeter)를 사용하여 연료 누설이 없음을 확인하였다. 가솔린 연료의 공급은 고압연료펌프를 사용하였으나 LPG의 경우는 공압용 펌프(pneumatic pump)와 축압기 (accumulator)를 사용하여 Fig.
부하가 증가하면서 연소안정성 또한 증가하는 일반적 경향이 나타나고 있다. 전체적으로 분사압력 간의 특이할 만한 차이는 없지만 Pmj=120 bar, 2 bar 承1EP에서 상대적으로 COVimep 가 높게 나타났다분사압력이 증가하면 연료의 비등 및무화 정도가 우수할 것으로 예상되지만 위의 분무 결과에서도 나타난 바와 같이 분사압력의 증가로 분무의 관통 길이가 길어지고 특히, 저부하에서는 내부 유동의 세기가 상대적으로 약해서 벽면충돌(wall impingement)의 가능성이 높아지기 때문인 것으로 판단된다. Fig.

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