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문제 정의
- 본 연구는 Gasoline-diesel 예혼합 압축착화 연소 및 미세입자 배출 특성을 다양한 조건에서 비교 분석하였다. 실험 및 해석결과로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- . 따라서 예혼합 압축착화 연소와 운전조건의 변화에 따른 미세입자의 입경분포를 측정하여 극미세입자의 배출물 특성에 미치는 영향 등을 분석하였다.
- 측정 과정 중 배기 가스의 응축을 방지하기 위해 희석온도는 150℃로 유지하였고 주변공기와 배기가스의 희석율은 500:1로 유지하였다. 또한 정확한 극미세입자 개수 및 체적을 측정하기 위하여 운전 조건이 변경 때마다 일정기간 동안 연소를 한 후 안정된 값을 측정하였다.
- 1° 단위로 분사시기의 제어가 가능하도록 하였다. 또한, 배기가스 분석을 위해 soot 측정기(AVL, 415S), NOx 측정기(Yanaco, BCL511), HC 및 CO 분석기(Horiba, MEXA-554JK) 등을 사용하였다.
- 본 연구에서는 예혼합 압축착화 엔진의 문제점으로 지적되고 있는 부분, 즉, 엔진의 운전 가능한 영역이 저속, 저부하의 특정 구간에 한정되며 낮은 연소온도로 인한 불완전 연소가스의 배출이 증가하고, 예혼합기의 착화시기 제어의 문제점 등(7,8)을 해결하기 위하여 기존의 커먼레일 디젤 엔진에 예혼합 연료 공급 장치를 적용하여 연료의 증발특성이 우수한 가솔린 예혼합기를 연소실에 공급한 후, 연소실로 직접 분사되는 디젤 연료를 이용하여 착화시키는 PCCI 엔진 시스템을 적용하였다. 착화원이 되는 디젤 연료의 직분사시기와, 예혼합기와 직분사 연료량을 다양하게 변화 시켜면서 연소 및 배기 특성을 비교 분석하였으며, 이를 기존의 디젤 연소와 비교 분석하였다.
- 엔진으로부터 배출되는 극미세입자의 분석을 위해 희석장치인 Raw gas diluter와 SMPS(Scanning mobility particle counter, CPC(Condensation particle counter)등을 사용하였다.
- 엔진의 회전속도는 1200 rpm으로 일정하게 유지하였고, 엔진의 성능 및 극미세입자 배출 특성을 규명하기 위해서 연료의 총 공급량은 디젤 연료 저위발열량 기준으로 10 mg/cycle(Φ=0.43)에 해당하는 연료를 분사 하였으며, 예혼합률의 변화와 연소실 내 직분사 되는 연료의 분사시기를 BTDC 40˚에서 TDC까지 변화시켜 실험을 수행하였다.
- 43)에 해당하는 연료를 분사 하였으며, 예혼합률의 변화와 연소실 내 직분사 되는 연료의 분사시기를 BTDC 40˚에서 TDC까지 변화시켜 실험을 수행하였다. 연소실로 직접 분사되는 초저유황경유와 예혼합 연료로 사용된 가솔린의 비율을 나타내기 위하여 연소실내로 공급되는 각각의 연료 총열량에 대한 예혼합 분사되는 연료의 열량의 비율인 예혼합율(rp, premixed ratio)를 계산하여 실험하였다.
- 이들 신호를 이용하여 타이밍 펄스 발생기 (timing pulse generator)에서 0.1° 단위로 분사시기의 제어가 가능하도록 하였다.
- 을 해결하기 위하여 기존의 커먼레일 디젤 엔진에 예혼합 연료 공급 장치를 적용하여 연료의 증발특성이 우수한 가솔린 예혼합기를 연소실에 공급한 후, 연소실로 직접 분사되는 디젤 연료를 이용하여 착화시키는 PCCI 엔진 시스템을 적용하였다. 착화원이 되는 디젤 연료의 직분사시기와, 예혼합기와 직분사 연료량을 다양하게 변화 시켜면서 연소 및 배기 특성을 비교 분석하였으며, 이를 기존의 디젤 연소와 비교 분석하였다.
- 실험 장치는 예혼합 연료와 연소실로 직접 분사되는 연료 공급 제어장치, 연료 압력 제어장치, 냉각수와 윤활유 온도제어 및 공급 장치, 그리고 연소 및 배기 분석을 위한 장치로 구성하였으며, 엔진에 공급되는 연료의 압력을 일정하게 유지하며 조절하기 위하여 연료압력 제어장치(TEMS, TDA 1100)를 사용하였다. 커먼레일 인젝터는 별도의 인젝터 드라이버 (TEMS, TDA 3300)에 의하여 통전시간을 조절하여 분사량을 제어할 수 있도록 하였으며, 또한 두 인젝터의 분사시기와 분사량을 제어를 위해 크랭크 각 센서 (1800 pulse/rev)와 캠축 위치 센서를 동기화하여 설치하였다. 이들 신호를 이용하여 타이밍 펄스 발생기 (timing pulse generator)에서 0.
대상 데이터
- Gasoline-diesel 연료의 예혼합 압축 착화 연소 특성 및 극미세입자 배출 특성을 분석하기 위해 Fig. 1과 같은 실험 장치를 구성하였으며, 배기량 373.6 cc, 고압펌프와 커먼레일 (common-rail) 분사 시스템이 적용된, DOHC 4밸브식의 압축비 17.8인 단기통 직접분사식 디젤엔진을 이용하여 실험을 수행하였다. 실험용 엔진의 세부 제원은 Table 1과 같다.
- Raw gas diluter는 엔진의 배기관으로부터 배출되는 배기가스를 CPC가 측정 가능한 농도의 가스로 희석 시키고 고온의 조건으로 유지하여 배출가스의 응축을 방지하여 SMPS를 통해 미세입자를 크기별로 분류한 후 CPC를 이용하여 개수를 측정하게 된다. 본 시스템을 이용해, 약 10.4~392.4 nm 범위의 입자상 물질을 측정하였다.
- 본 연구에 사용된 예혼합 연료는 2 MPa의 압력으로 분사되는 가솔린 연료이고, 연소실로 직접 분사되어 착 화원을 형성하는 연료는 초저유황 경유(Ultra low sulfur diesel)로 Table 2는 본 연구에 적용된 실험 조건을 나타낸 것이다. 엔진의 회전속도는 1200 rpm으로 일정하게 유지하였고, 엔진의 성능 및 극미세입자 배출 특성을 규명하기 위해서 연료의 총 공급량은 디젤 연료 저위발열량 기준으로 10 mg/cycle(Φ=0.
- 실험 장치는 예혼합 연료와 연소실로 직접 분사되는 연료 공급 제어장치, 연료 압력 제어장치, 냉각수와 윤활유 온도제어 및 공급 장치, 그리고 연소 및 배기 분석을 위한 장치로 구성하였으며, 엔진에 공급되는 연료의 압력을 일정하게 유지하며 조절하기 위하여 연료압력 제어장치(TEMS, TDA 1100)를 사용하였다. 커먼레일 인젝터는 별도의 인젝터 드라이버 (TEMS, TDA 3300)에 의하여 통전시간을 조절하여 분사량을 제어할 수 있도록 하였으며, 또한 두 인젝터의 분사시기와 분사량을 제어를 위해 크랭크 각 센서 (1800 pulse/rev)와 캠축 위치 센서를 동기화하여 설치하였다.
성능/효과
- 1. 예혼합 연소의 경우 최고 연소압력은 예혼합율(rp)이 증가 할수록 높아지며, 착화지연기간은 감소하는 경향을 보이고 있다. 또한, 직접분사시기가 지각되고 예혼합율(rp)이 증가 할수록 기존의 디젤연소특성에서 후연소구간에 해당하는 열발생율은 감소하는 특성을 보이고 있다.
- 2. BTDC 25° 이상 진각된 조기분사조건에서 예혼합 연소의 출력특성은 기존 디젤연료의 연소에 비해 다소 감소하는 결과를 나타내고 있으나, NOx와 Soot 배출물의 동시 저감하는 특성을 나타내었다.
- 3. 미세입자 총 발생개수 및 체적 특성의 경우, rp=0가 가장 많은 개수의 미세입자를 배출하고 있으며, 예혼 합률이 증가함에 따라 미생입자 총 발생량이 감소함을 나타내고 있다. 특히, 예혼합율이 높은 0.
- 예혼합 연소의 경우 최고 연소압력은 예혼합율(rp)이 증가 할수록 높아지고 착화 지연기간이 감소하는 경향을 보이고 있다. 또한, 분사시기 BTDC 5˚의 경우 예혼합율(rp)이 증가 할수록 기존의 압축착화 연소특성에서의 확산연소 구간(mixing controlled combustion phase) 중 후연소 구간에 해당하는 열발생율은 감소하는 특성을 보이고 있다.
- 예혼합 연소의 경우 최고 연소압력은 예혼합율(rp)이 증가 할수록 높아지며, 착화지연기간은 감소하는 경향을 보이고 있다. 또한, 직접분사시기가 지각되고 예혼합율(rp)이 증가 할수록 기존의 디젤연소특성에서 후연소구간에 해당하는 열발생율은 감소하는 특성을 보이고 있다.
- 3은 예혼합율과 직분사 연료의 분사시기 변화 따른 연소성능 관계를 나타낸 것이다. 엔진의 출력을 나타낼 수 있는 IMEP(indicated mean effective pressure)는 예혼합율이 증가할수록 대체적으로 증가하는 경향을 보이고 있으며 직분 디젤의 분사시기가 지각됨에 따라 IMEP가 다소 증가하는 것으로 보아 착화원인 디젤 연료를 지각된 시기에 분사하는 것이 예혼합된 가솔린 연료의 연소를 촉진하는 데에 효과적임을 알 수 있다. 이것은 디젤 연료의 분사시기가 지각됨에 따라 예혼합연료의 착화시점에서 연소실의 온도, 압력이 상승하여 예혼합 연료(가솔린)의 연소가 촉진되었기 때문으로 판단된다.
- 4(a)의 Soot의 경우 직분사시기 BTDC 30° 이상 조기 분사한 조건에서 예혼합율이 증가 할수록 배출량이 현저히 감소하는 결과를 나타내고 있으며, NOx 배출물의 경우 TDC에서 분사시기가 진각되는 경우에서 압축행정 중에 급격한 연소가 발생하여 NOx의 발생량이 급격히 증가하는 경향을 보이고 있으나, BTDC 25˚보다 분사시기가 진각되면 다시 감소하는 경향을 나타내었다. 이상의 배기 특성에서 조기분사와 예혼합 연소는 Fig. 3에서와 같이 출력특성은 BTDC 20˚에서 TDC까지의 IMEP값에 비하여 다소 감소하는 결과를 보이나 NOx와 Soot 배출물의 동시저감에 효과가 있는 것으로 판단된다.
- 8의 연소 경우와 매우 낮은 수의 배출 특성을 나타내고 있으며 직분사 연료의 분사시기 변화에 영향을 적게 받는 것으로 나타냈다. 총체적 특성의 경우 총 배출개수와 마찬가지로 디젤 연소(rp=0)가 가장 높은 체적 특성을 보이며, 예혼합이 증가할수록 체적이 감소하는 결과를 나타내었다.
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