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문제 정의
- 본 연구는 HCNG 엔진에서 압축비를 변경하여 엔진 성능 및 노킹 특성을 파악하는데 목적이 있다. 기존의 CNG 엔진에 CNG 및 HCNG 연료를 적용하여 공기과잉률의 변화에 따른 연소 특성을 분석하고, 압축비 변경 후 동일 실험을 수행함으로써 압축비가 엔진의 성능에 미치는 영향을 파악하였다.
- 본 연구는 엔진 효율 및 CO2 배출 저감 효과를 극대화하기 위하여 HCNG 엔진에서 고압축비 적용에 따른 성능 및 노킹 특성을 파악하는데 목적이 있다. 공기과잉률 및 점화시기의 변경에 따른 연소데이터를 확보하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 과급기에서 가압된 신기는 인터쿨러에서 냉각된 후 흡기 파이프로 공급된 연료와 혼합되며, 혼합기는 스로틀 밸브를 지나 엔진 연소실 내부로 공급된다. 1번 실린더에 스파크플러그형 압력 센서(KISTLER co., 6117BFD17)를 설치하였고 압력 트랜스듀서로부터 나오는 신호는 전용 증폭기(KISTLER co., 5011)를 이용해 증폭시켰다. 증폭된 신호를 크랭크축에 연결된 엔코더의 신호와 동기화 시켜서 연소해석기(DEWETRON co.
- 1은 엔진 실험의 개략도를 나타낸 것이다. CNG와 수소 용기로부터 레귤레이터를 거쳐 감압된 가스가 MFC를 통해 공급되고, 유량을 각각 제어하여 수소의 혼합비를 제어함으로써 HCNG 연료를 모사하였다. 과급기에서 가압된 신기는 인터쿨러에서 냉각된 후 흡기 파이프로 공급된 연료와 혼합되며, 혼합기는 스로틀 밸브를 지나 엔진 연소실 내부로 공급된다.
- , LA4)를 이용해 측정하였다. ECU 프로그램을 이용해서 점화 시기, 스로틀 밸브, 연료 유량, 과급 압력 등을 제어하였으며, 데이터 취득장치(GRAPHTEC co., GL810)를 사용하여 엔진 주요 부위의 온도 및 압력, 연료 유량을 측정하였다.
- 실험에 사용된 연료의 특성을 정리하여 Table 3에 나타내었다. 공기과잉률은 1.3부터 0.1씩 증가시켜가며 최대 효율이후 효율이 다시 감소하는 공연비 조건까지 실험하였다. 점화시기는 2 CAD (Crank angle degree) 간격으로 진각 또는 지각시키며 최대 효율을 나타내는 점화시기를 찾았으며, 각 운전조건에 대하여 엔진은 충분히 예열된 상태에서 실험을 진행하였다.
- 배기량이 상대적으로 작은 승용차량용 엔진에서 1의 압축비 차이는 효과를 관찰하기에 작은 차이일 수 있다. 그러나 연소실 내경이 크고 운전회전수가 낮은 대형엔진에서는 작은 압축비 차이로도 운전성능에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에, 열효율 및 노킹 특성에 관한 실험을 수행하였다.
- 본 연구는 HCNG 엔진에서 압축비를 변경하여 엔진 성능 및 노킹 특성을 파악하는데 목적이 있다. 기존의 CNG 엔진에 CNG 및 HCNG 연료를 적용하여 공기과잉률의 변화에 따른 연소 특성을 분석하고, 압축비 변경 후 동일 실험을 수행함으로써 압축비가 엔진의 성능에 미치는 영향을 파악하였다.
- 노킹 발생의 판별을 위해 본 연구에서는 연소실 압력의 최대 변화율을 기준으로 하였다. 연소 해석기를 통해 연소실 압력 선도를 관찰할 때 연소실 압력이 고주파 특성을 나타내며 불규칙하게 흔들리는 조건에서 소음이 동반되는 현상이 빈번하게 나타났다.
- 이때 연소실 압력의 최대 변화율은 500 kPa/CAD 이상으로 관찰되었다. 따라서 위와 같은 현상이 나타날 때 노킹이 일어나는 것으로 판정할 수 있으며, 정량적인 기준으로는 연소실 압력의 최대 변화율을 동시에 관찰하여 500kPa/CAD 이상 값을 갖는 조건으로 하였다. 상기와 같은 기준은 일반적인 차량 제작사에서도 운전을 피하는 이상연소 조건에서의 기준과 유사한 값이다.
- 자세한 엔진 제원은 Table 1에 나타내었다. 압축비를 기존의 10.5에서 11.5로 증가시키기 위해 피스톤의 보울의 깊이를 기존의 32.1 mm에서 27.9 mm로 줄이는 방법을 선택했으며, 보울의 직경과 형상은 그대로 유지하였다. 배기량이 상대적으로 작은 승용차량용 엔진에서 1의 압축비 차이는 효과를 관찰하기에 작은 차이일 수 있다.
- ) 를 이용하여 연소실 압력을 측정 및 실시간 관찰하였다. 연소실 압력의 실시간 측정을 통해 열방출률, 연소실 압력의 최대 변화율 등을 분석하였다. 혼합기의 공기과잉률은 터빈 후단에 설치한 공연비 측정 장비(ETAS co.
- 와류 동력계(Schenck)를 사용하여 엔진의 속력 및 부하를 제어하면서 실험적 연구를 수행하였다. 본 연구를 위해 EURO-5 배기규제에 대응할 수 있는 11 L급 6기통 CNG 엔진(GL11K, Doosan Infracore Inc.
- 적절한 운전조건의 선정 및 검토를 위해 Fig.10과 11에 각 압축비 조건에 대해 공기과잉률의 변화에 따른 노킹 발생 점화시기와 MBT 점화시기를 비교하여 노킹 마진을 도시하였다. MBT 점화시기를 기준으로 노킹이 발생하기까지의 점화 시기 여유를 노킹 마진으로 정의할 수 있다.
- 1씩 증가시켜가며 최대 효율이후 효율이 다시 감소하는 공연비 조건까지 실험하였다. 점화시기는 2 CAD (Crank angle degree) 간격으로 진각 또는 지각시키며 최대 효율을 나타내는 점화시기를 찾았으며, 각 운전조건에 대하여 엔진은 충분히 예열된 상태에서 실험을 진행하였다.
- , 5011)를 이용해 증폭시켰다. 증폭된 신호를 크랭크축에 연결된 엔코더의 신호와 동기화 시켜서 연소해석기(DEWETRON co.) 를 이용하여 연소실 압력을 측정 및 실시간 관찰하였다. 연소실 압력의 실시간 측정을 통해 열방출률, 연소실 압력의 최대 변화율 등을 분석하였다.
- 연소실 압력의 실시간 측정을 통해 열방출률, 연소실 압력의 최대 변화율 등을 분석하였다. 혼합기의 공기과잉률은 터빈 후단에 설치한 공연비 측정 장비(ETAS co., LA4)를 이용해 측정하였다. ECU 프로그램을 이용해서 점화 시기, 스로틀 밸브, 연료 유량, 과급 압력 등을 제어하였으며, 데이터 취득장치(GRAPHTEC co.
대상 데이터
- Table 2는 실험 조건을 정리하여 나타낸 것이다. 대형 차량용 엔진의 주요 운전영역에 해당하며, 노킹이 일어날 가능성이 큰 최대 토크의 운전조건으로 엔진의 운전조건을 선정하였다. 연료는 HCNG30(CNG 70 vol.
- 와류 동력계(Schenck)를 사용하여 엔진의 속력 및 부하를 제어하면서 실험적 연구를 수행하였다. 본 연구를 위해 EURO-5 배기규제에 대응할 수 있는 11 L급 6기통 CNG 엔진(GL11K, Doosan Infracore Inc.)을 사용하였다. 자세한 엔진 제원은 Table 1에 나타내었다.
- 대형 차량용 엔진의 주요 운전영역에 해당하며, 노킹이 일어날 가능성이 큰 최대 토크의 운전조건으로 엔진의 운전조건을 선정하였다. 연료는 HCNG30(CNG 70 vol.%, H2 30 vol.%)을 사용하였고 비교를 위해 CNG 연료에 대해서도 동일한 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 연료의 특성을 정리하여 Table 3에 나타내었다.
성능/효과
- (1) HCNG 엔진에서 압축비를 10.5에서 11.5로 증가하여 팽창일 증가 효과를 통해 약 2.4% 정도 열효율을 향상시킬 수 있었다.
- (2) 일정한 운전조건에서 고압축비의 적용은 열효율의 상승 및 연료 소모량의 감소에 의해 배기가스 온도를 감소시키는 효과가 있으며, 그 결과 과급 압력 감소와 함께 출력 저하의 원인으로 작용하였다.
- (3) 노킹 특성의 경우 상대적으로 높은 압축비 조건에서 노킹이 발생하는 점화시기가 크게 지각되어 노킹 마진이 감소하였다.
- (4) 압축비를 증가하더라도 각 공기과잉률에 대해서 최대 효율을 나타내는 점화시기에서의 운전은 가능하다. 그러나 노킹 발생의 가능성이 커지기 때문에, MBT 점화시기 대비 최소 4 CAD 이상 지각된 점화시기에서의 운전이 적절할 것으로 판단된다.
- MBT 점화시기를 기준으로 노킹이 발생하기까지의 점화 시기 여유를 노킹 마진으로 정의할 수 있다. 결과를 살펴보면 압축비가 11.5인 경우 10.5인 경우에 비해서 두 점화시기 간의 폭이 크게 감소하여 노킹 마진이 줄어드는 것을 볼 수 있다. 압축비 10.
- 1 CAD 정도에 불과하다. 결론적으로 압축비를 증가하더라도 각 공기과잉률에 대해서 최대 효율을 나타내는 점화시기에서의 운전은 가능하지만 노킹 발생의 가능성이 커지게 된다. 따라서 실제 차량 운전 시, 연료 조성 및 ECU 오작동과 같은 편차에 대해서 운전 안정성을 확보하기 위해서는 MBT 점화시기 대비 최소 4 CAD 이상 지각된 점화시기에서의 운전이 적절할 것으로 판단된다.
- 5의 경우에 비해서 전체적으로 높은 열효율을 보이는 것을 알 수 있다. 공기과잉률 1.6에서 압축비에 따른 영향을 살펴보면, HCNG30 연료의 경우 고압축비 조건에서 기본 압축비인 10.5 대비 열효율이 약 2.4% 향상되었다. 기본 압축비 조건에서 CNG 연료를 사용한 경우에 비해서는 열효율이 약 5.
- 5의 경우에 비해 높기 때문에 연소 속도가 상대적으로 빠르다. 그 결과 전체적으로 약간 지각된 점화시기에서 노킹이 발생하고, 압축비 10.5의 경우보다 최대 변화율의 기울기가 크게 나타남을 확인할 수 있다. 압축비 11.
- 4% 향상되었다. 기본 압축비 조건에서 CNG 연료를 사용한 경우에 비해서는 열효율이 약 5.2% 향상되는 효과를 얻을 수 있었다. 이는 이론적으로 압축비가 높을 때 팽창일의 증가에 의해서 열효율이 상승하기 때문인 것으로 판단된다.
- 점화시기를 진각시킬수록 연소실 압력의 최대 변화율은 급상승하는 공통된 경향을 보인다. 또한 일정한 점화시기 조건에서는 혼합기가 희박할수록 연소실 압력의 최대 변화율이 낮은 것을 확인할 수 있다. 노킹 발생의 기준으로 설정한 500 kPa/CAD에 도달하는 점화시기를 공기과잉률 별로 비교해 보면 희박할수록 해당 점화시기가 진각되는 것을 볼 수 있다.
- 5인 경우에 비해서 두 점화시기 간의 폭이 크게 감소하여 노킹 마진이 줄어드는 것을 볼 수 있다. 압축비 10.5인 조건에서는 최소 노킹 마진이 5.5 CAD인 것에 반해, 압축비 11.5일 때는 0.4 CAD로 매우 높은 노킹 가능성을 보였다. 압축비 11.
- 5인 경우에 비해서 지각된 시기로 MBT 점화시기에 보다 근접해 있는 것을 볼 수 있다. 압축비가 10.5인 경우는 1.7의 공기과잉률 조건에서 노킹이 발생하지 않았으나, 11.5의 압축비 조건에서는 약 4 CAD 정도 진각된 점화시기에서 노킹이 발생하는 것을 확인하였다. 고압축비를 적용함으로써 연소실내의 압력과 온도가 높아지게 되고, 그 결과 노킹 발생의 가능성이 상대적으로 증가함을 의미하는 결과로 볼 수 있다.
- 노킹 발생의 판별을 위해 본 연구에서는 연소실 압력의 최대 변화율을 기준으로 하였다. 연소 해석기를 통해 연소실 압력 선도를 관찰할 때 연소실 압력이 고주파 특성을 나타내며 불규칙하게 흔들리는 조건에서 소음이 동반되는 현상이 빈번하게 나타났다. 이때 연소실 압력의 최대 변화율은 500 kPa/CAD 이상으로 관찰되었다.
- 최대 열효율을 나타내는 점화 시기에서 운전했을 때 열효율을 살펴보면, 압축비가 11.5인 경우 10.5의 경우에 비해서 전체적으로 높은 열효율을 보이는 것을 알 수 있다. 공기과잉률 1.
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