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문제 정의
- 따라서 본 연구는 예혼합 저온연소기술 및 가솔린-디젤 2중연료 혼합비율에 따른 연소 및 배기 특성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 단기통 Light-duty 디젤기관과 커먼레일 디젤직분사 및 가솔린 포트분사로 다수의 실험을 실시하여 고효율 저공해를 얻을 수 있도록 운전영역을 분석하였다.
제안 방법
- 2중 연료(디젤-가솔린)의 가솔린 혼합비율과 연료 분사 시기 변화에 따른 RCCI 연소 및 배기 특성을 관찰하기 위하여 실험 그룹을 크게 가솔린 질량 기준으로 81% 와 85% 구별하고, 각각의 경우에서 연료분사시기를 52 에서 32TBTDC]로 지각 시키면서 압력선도와 배기가스성분을 분석하였다.
- 2중 연료(디젤-가솔린)의 가솔린 혼합비율과 연료분사시기 변화에 따른 RCCI 연소 및 배기 특성을 관찰하기 위하여 EGR없는 중부하에서 다수의 실험이 수행되었고 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 글로우 플러그 위치에 설치된 피에조 압전소자형 압력 트랜스듀서 (Kistler 6125B)의 출력전압은 3600[PPR] 엔코더 펄스와 동기 되어, 매 사이클마다 실시간 실린더 압력 및 열발생율(HRR) 계산에 사용되었다. 실린더 압력선도(P-V)는 버퍼 메모리에 300개 사이클의 원형 데이터를 FIFO 방식으로 일시 저장하고, 그 평균값으로부터 2가지 필터 (Savitzy-Golay 및 Lowpass)를 적용하여 노이즈를 없앤 후 여러가지 산술 계산에 이용되었다.
- 디젤 직분사 및 가솔린 포트분사는 National Instruments 의 cRIO-FPGA 섀시와 C-모듈(9411, 9215) 및 Driwen의 C-모듈(D00020, D000006)로 구성된 하드웨어 세트와 LabVIEW 응용 프로그램으로 시스템 되었으며, 최대 5 단 분사 및 분해능 0.01° 크랭크각의 정밀도로 연료 분사 시기 (SOI), 분사기간(Duration) 및 인젝터 구동전류 등을 제어한다.
- 디젤-가솔린 2중 연료의 연소 및 배기 특성에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 양산 차량용 가솔린 포트분사 (PFI) 방식과 디젤 커먼레일 직분사(DI) 방식을 도입하였고, 이를 통하여 예혼합 RCCI 연소를 이루었다.
- 디젤과 가솔린의 연료유량 측정은 온도 및 밀도가 자동으로 보정되는 유량계 (Endress & Hauser PROMASS- 80)를 사용하였으며, ±0.001[mg/sec]의 정밀도 출력과 DAQ 인터페이싱으로 실시간 계측되었다.
- 기술하였다. 또한 매연측정기(Ad 415S)를 이용하여 매회 4번의 샘플링 방식으로 Soot를 계측하였다.
- 리얼타임 초정밀 배기가스 성분을 분석하기 위하여 성분별 각각의 분석기로 구성된 Horiba 20-시리즈 테일파이프 벤치를 사용하였으며 Table 2에 분석기의 형식을 기술하였다. 또한 매연측정기(Ad 415S)를 이용하여 매회 4번의 샘플링 방식으로 Soot를 계측하였다.
- 및 열발생율(HRR) 계산에 사용되었다. 실린더 압력선도(P-V)는 버퍼 메모리에 300개 사이클의 원형 데이터를 FIFO 방식으로 일시 저장하고, 그 평균값으로부터 2가지 필터 (Savitzy-Golay 및 Lowpass)를 적용하여 노이즈를 없앤 후 여러가지 산술 계산에 이용되었다.
- 정밀한 분사압력을 유지하기 위해 2개의 커먼레일이 직렬로 연결되었고, 고압 펌프쪽 압력 조절 밸브(PCV)와 레일 쪽 압력조절밸브를 각각 250[Hz]와 1000[Hz]로 되먹임 듀티 제어하였다.
- 피스톤 볼은 Mexican-Hat 형상으로 유전자 알고리즘 (GA) 및 협각직분사(NADI) 개념을 도입한 CFD 계산결과에 따라 자체적으로 제작하였다(當).
대상 데이터
- 모든 실험에 사용된 가솔린은 시중에서 판매되는 옥탄가((R+M)/2) 91.6 이며, 디젤은 Chevron에서 제공된 세탄가 46의 초저유황경유(ULSD)가 사용되었다. Table3은 이들 연료에 대한 분석 결과표이다.
- DERC Lab.에 설치되어 있는 상용 4실린더 Lightduty 디젤기관(GM 1.9L)을 재가공한 단기통 테스트 엔진과 그 주변 장치들이 본 연구에 사용되었다. 엔진의 주요 제원은 Table 1에 나열되었고, 실험 장치의 개략도는 Fig.
- 이 기관은 전형적인 Light-duly 형식의 디젤 기관으로 기하학적 압축비는 15.24:1 이며, DOHC로 흡기 및 배기밸브가 각각 2개씩 구성되어 있다. 흡기 포트에는 Helical 포트와 Tangential 포트 및 가변 베인밸브가 각각 부착되어있어 개폐정도에 따라 1.
성능/효과
- 1) 디젤-가솔린 연료 혼합을 이용한 RCCI 연소 특성이 재현되었고, 연료분사시기를 진각시키는 특정 운전조건에서 낮은 연료소비율 및 향상된 열효율을 얻을 수 있었다.
- 2) 85% 가솔린 혼합비율 및 42[°BTDC] 분사 시기에서 가장 우수한 열효율(47.1%), 낮은 정미 연료소비율(190.1 [g/kW-hr]) 및 낮은 유해 배기가스(HC, CO, NOx) 등의 결과를 획득함으로써, 압축착화 내연기관의 초저공해를 실현할 수 있는 가능성이 보였다.
- 81%의 모든 경우에서 Soot는 US2010 Heavy duty 제한 값(0.013 g/kW-hr)을 모두 만족하였으나, 85%의 경우에는 모두 약간 상회함을 보여줬다. NOx는 가장 진각된 두 개의 실험 조건에서만 모두 US2010 제한값(0.
- 013 g/kW-hr)을 모두 만족하였으나, 85%의 경우에는 모두 약간 상회함을 보여줬다. NOx는 가장 진각된 두 개의 실험 조건에서만 모두 US2010 제한값(0.27 g/eW-hr)을 만족하여, 배기후처리장치 없이 RCCI 연소조건만으로 정미 평균유효압력(Net IMEP) 5.9[bar] 영역에서 초저공해가 실현됨을 보였다.
- 81% 경우 최대 압력은 3.WBTDC]에서 99.2[bar] 까지 도달했고 진각 될수록 최대 압력값과 발생 시기는 감소 및 지각되는 현상을 보였으며, 이는 디젤 분사시기를 진각시키면 연소이동이 지연되는 전형적인 RCCI 연소 결과와 동일한 경향을 보였다.
- 분사시기가 진각되고 연소구간이 지연되었을 때 정미연료소비율(Net ISFC)은 낮아지고 도시열효율은 향상되며 최대 압력상승률(Peak-PRR)은 감소하는 경향이 보였다. 85%의 42[°BTDC] SOI에서 정미 연료소비율은 가장 낮은 190.
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