선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 이에 반해 분무유도방식은 실린더 중앙에 고압의 인젝터와 점화플러그가 인접하게 위치되어 보다 안정적이고 효율적인 성층 혼합기의 구현이 가능한 기술이다.(7,8) 따라서 본 연구에서는 분무유도방식을 적용하여 초희박 LPG 직접분사 엔진 개발을 목표로 연소제어인자의 변경을 통한 희박연소 조건에서의 성능 및 배출가스를 관찰하였다.
제안 방법
- 2 MPa의 운전조건에서 실험을 수행하였다. 연소제어인자로 연료 분사시기, 점화시기, 공기과잉률 및 연료 분사압력을 변경시키며 연소특성을 측정하였다. 이때 최적 연료분사시기와 점화시기는 연료소비율이 가장 낮을 때로 정의하였다.
- 순환되는 냉각수의 온도는 엔진을 충분히 Warm-up 시킨 후 80±2℃로 유지되도록 냉각수 온도 조절 시스템을 설정하였다.
- 2에 이론공연비 조건에서 연료분사 압력을 10 MPa로 고정하였을 때, 점화시기 변경에 따른 연료소비율(BSFC; brake specific fuel consumption)과 COVIMEP의 변화를 나타내었다. 엔진의 연소안정성을 판정하는 기준은 여러 가지이지만, 본 연구에서는 그 중에서 가장 신뢰도가 높은 연소실 내부의 압력을 측정하여 계산되는 COVIMEP를 기준으로 하였다. COVIMEP 값이 낮을 경우 각 IMEP 값의 변동이 적고, 연소가 안정적으로 이루어진 것으로 판단할 수 있다.
- 공기과잉률 1.5 조건에서의 실험결과를 바탕으로 공기과잉률의 변화에 따른 연소 및 배출가스 특성을 관찰하였다. 앞선 실험과 마찬가지로 각각의 공기과잉률 조건에서 점화시기 및 연료분사시기를 변화시키며 최저 연료소비율을 나타내는 조건을 찾고, Table 2에 최적 점화시기와 분사시기를 정리하여 나타내었다.
- 본 연구에서는 분무유도방식을 적용한 직접분사식 초희박 LPG 엔진 개발의 일환으로 설계변경을 통해 초도 제작된 초희박 LPG 엔진을 이용하여 연료 분사시기, 점화시기, 공기과잉률 및 연료 분사압력 등의 연소제어인자 변화에 따른 연소 특성을 관찰한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 초희박 연소기술을 기존 가스 엔진에 적용하기 위해 분무유도방식(spray-guided)의 연소시스템을 적용하고자 하였다. 직접분사 방식의 1세대로 볼 수 있는 벽면유도(wall-guided)방식이나 공기유도(air-guided)방식은 자연 급기 또는 과급 방식으로 작동되는 직접분사 엔진의 이론공연비 혼합기 형성에 용이하다.
- LPG 연료의 온도가 상승되어 기화되면 커먼레일에 연료공급을 방해하여 압력 상승이 어렵기 때문에 재순환되는 연료라인에 열교환기를 장착하여 연료를 냉각시켰다. 고압연료펌프는 최대 200 bar까지 가압이 가능하며 장착된 연료분사기는 싸이클 당 최대 4번의 연료 분사가 가능한 외부 개방형 노즐(outwardly opening nozzle)을 갖는 피에조 타입의 인젝터를 이용하였다. 이때 연료분사압력은 PCV(pressure control valve)를 통해 일정한 압력으로 유지하였고 피에조 인젝터 드라이버와 범용 ECU(engine control unit)를 사용하여 연소실로 공급되는 연료 분사량, 연료 분사시기 및 점화시기를 제어하였다.
- 고압연료펌프는 최대 200 bar까지 가압이 가능하며 장착된 연료분사기는 싸이클 당 최대 4번의 연료 분사가 가능한 외부 개방형 노즐(outwardly opening nozzle)을 갖는 피에조 타입의 인젝터를 이용하였다. 이때 연료분사압력은 PCV(pressure control valve)를 통해 일정한 압력으로 유지하였고 피에조 인젝터 드라이버와 범용 ECU(engine control unit)를 사용하여 연소실로 공급되는 연료 분사량, 연료 분사시기 및 점화시기를 제어하였다. 각각의 실린더 별 공기과잉률을 측정하기 위해 배기 매니폴드에 광역 산소센서(LSU 4.
- 이때 연료분사압력은 PCV(pressure control valve)를 통해 일정한 압력으로 유지하였고 피에조 인젝터 드라이버와 범용 ECU(engine control unit)를 사용하여 연소실로 공급되는 연료 분사량, 연료 분사시기 및 점화시기를 제어하였다. 각각의 실린더 별 공기과잉률을 측정하기 위해 배기 매니폴드에 광역 산소센서(LSU 4.2 / LA4, ETAS Co.)를 설치하여 혼합기의 상태를 관찰하였다. 연소제어인자 변경에 따른 연소실내 연소특성을 파악하기 위해 실린더 내부에 압력센서를 장착하였다.
- 연소제어인자 변경에 따른 연소실내 연소특성을 파악하기 위해 실린더 내부에 압력센서를 장착하였다. 압력센서로 부터 측정되는 신호를 연소해석기(Osiris, D2T Co.)로 받아들여 실시간으로 계산되는 도시평균 유효압력(indicated mean effective pressure; IMEP)과 변동계수(coefficient of variation; COV) 값을 관찰하고, 200 사이클에 해당하는 압력신호를 저장하여 계산에 이용하였다. COVIMEP는 200 사이클의 IMEP 값의 표준편차를 평균값으로 나누어 백분율로 표시한 것이다.
- COVIMEP는 200 사이클의 IMEP 값의 표준편차를 평균값으로 나누어 백분율로 표시한 것이다. 배기관에 가스 추출라인을 장착하여 배기가스 분석기(AMA i60, AVL Co.)를 통해 배기가스를 분석하였다.
- 본 연구에서는 승용차량에서 주로 사용되는 운전영역중 하나인 2,000 rpm, BMEP(brake mean effective pressure) 0.2 MPa의 운전조건에서 실험을 수행하였다. 연소제어인자로 연료 분사시기, 점화시기, 공기과잉률 및 연료 분사압력을 변경시키며 연소특성을 측정하였다.
- 이때 최적 연료분사시기와 점화시기는 연료소비율이 가장 낮을 때로 정의하였다. 연료 분사시기는 BTDC(before top dead center) 330 CAD(crank angle degree)에서 BTDC 40 CAD까지 변경하였고, 점화시기는 BTDC 60 CAD에서 BTDC 25 CAD까지 변경하였다. 공기과잉률은 이론공연비에서 희박연소한계 영역까지 0.
- 연료 분사시기는 BTDC(before top dead center) 330 CAD(crank angle degree)에서 BTDC 40 CAD까지 변경하였고, 점화시기는 BTDC 60 CAD에서 BTDC 25 CAD까지 변경하였다. 공기과잉률은 이론공연비에서 희박연소한계 영역까지 0.5 단위로 증가시켰으며 연료 분사압력은 10 MPa, 15 MPa 및 20 MPa의 세 조건에서 실험을 수행하였다. 순환되는 냉각수의 온도는 엔진을 충분히 Warm-up 시킨 후 80±2℃로 유지되도록 냉각수 온도 조절 시스템을 설정하였다.
- COVIMEP 값이 낮을 경우 각 IMEP 값의 변동이 적고, 연소가 안정적으로 이루어진 것으로 판단할 수 있다.분사시기를 BTDC 330 CAD로 고정한 후 점화시기를 BTDC 30 CAD에서 BTDC 60 CAD까지 5 CAD씩 진각시켰다. BTDC 45 CAD 조건에서 연소안정성이 가장 좋게 나타났으며 그 결과 최저 연료소비율을 확인하였다.
- 5 조건에서 연료분사시기를 BTDC 330 CAD에서 BTDC 50 CAD까지 점차 지각시키며 연료소비율의 변화를 측정한 그래프이다. 이때 연료분사압력의 변화에 따른 영향을 살펴보기 위해 연료분사압력을 10 MPa, 15MPa, 20 MPa로 변화하였다. 점화시기는 이론공연비 조건에서 최적으로 판단된 BTDC 45 CAD로 고정하였다.
- 외부개방형 노즐의 경우 분사된 연료의 선단에서 재순환되는 영역이 발생하는데 이 영역이 점화가 일어나는 지점과 가깝고 혼합기가 이론공연비에 가까울수록 안정적이 성층연소가 일어나고 이때를 최적 성층혼합기 형성 조건으로 판단할 수 있다. 변경된 최적 연료 분사시기로 인해 최적 점화시기도 변경되었을 것으로 판단하여 연료분사시기를 BTDC 50 CAD로 고정한 후 점화시기를 BTDC 48 CAD에서 BTDC 34 CAD까지 변화시키며 연료소비율을 측정한 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 이론공연비 조건의 최적 점화시기인 BTDC 45 CAD 근처에서 최저 연료소비율을 나타내고 있으며, 연료분사압력별로 최저 연료소비율을 나타내는 점화시기가 다르게 나타났다.
대상 데이터
- 1은 본 연구에 사용된 실험장치의 전체적인 구성을 나타낸 개략도이다. 본 연구에서는 승용차량용 2 ℓ급 포트분사방식 엔진을 기반으로 직접분사식 초희박 LPG 엔진의 시제품을 제작하여 실험을 수행하였으며 엔진의 제원을 Table 1에 나타내었다. LPG 저장 탱크의 저압연료펌프에서 5 bar의 압력으로 LPG 연료를 고압연료펌프에 공급한다.
- 이때 연료분사압력의 변화에 따른 영향을 살펴보기 위해 연료분사압력을 10 MPa, 15MPa, 20 MPa로 변화하였다. 점화시기는 이론공연비 조건에서 최적으로 판단된 BTDC 45 CAD로 고정하였다. 조기연료분사조건인 BTDC 330 CAD의 경우 이론공연비 조건에 비해 연소안정성이 악화되어 연료소비율이 증가하였다.
성능/효과
- 최근 에너지원의 다변화와 청정연료로서의 가스연료 엔진에 대한 관심이 높아지면서 저연비, 고효율 가스엔진과 같은 새로운 기술이 요구되고 있는 상황이다. 따라서 초희박 연소기술을 기존 가스 엔진에 적용함으로써 체적효율 증가, 펌핑 손실 저감 및 희박영역 확장 등 여러 이점을 통해 기존 가스 엔진의 연비와 출력을 향상시키고 배기가스 저감이 가능할 것으로 판단하였다.
- 분사시기를 BTDC 330 CAD로 고정한 후 점화시기를 BTDC 30 CAD에서 BTDC 60 CAD까지 5 CAD씩 진각시켰다. BTDC 45 CAD 조건에서 연소안정성이 가장 좋게 나타났으며 그 결과 최저 연료소비율을 확인하였다. 이론공연비 조건이기 때문에 최적점화시기 조건에서 벗어나더라도 연소안정성 및 연료소비율의 악화 정도는 크지 않았으며, 이와 같은 결과는 일반적인 포트분사방식의 연소조건과 크게 다르지 않다.
- 연소실 내 불균질한 예혼합기는 연소안정성의 악화를 야기하고 악화된 연소안정성으로 인해 연료소비율 또한 악화되는 경향을 나타내었다. 이와 같은 결과를 통해 이론공연비 영역에서의 최적 연료 분사시기와 최적점화시시는 각각BTDC 330 CAD와 BTDC 45 CAD로 나타났다.
- 그러나 연료분사시기가 지연될수록 점화가 일어날 때 플러그 주위에 형성되는 성층혼합기의 비율이 증가하여 연소안정성이 개선되는 것으로 예상된다. 결론적으로 희박연소조건에서는 연료의 조기분사 보다는 지연분사를 적용하여 성층혼합기를 이용할 경우 연소안정성과 연료소비율의 개선에 더 효과적인 것으로 나타났다.
- 5에 나타내었다. 이론공연비 조건의 최적 점화시기인 BTDC 45 CAD 근처에서 최저 연료소비율을 나타내고 있으며, 연료분사압력별로 최저 연료소비율을 나타내는 점화시기가 다르게 나타났다. 이는 연료분사압력에 따라 성층혼합기를 형성하는데 걸리는 시간이 다름을 나타내는 결과이며, 연료분사기간 및 연료의 미립화 특성 등이 이에 영향을 미칠 것으로 판단된다.
- 이는 LPG 연료가 가지는 높은 기화특성에 인한 것으로 점화시기와 연료분사시기를 최적화할 경우 연료의미립화 특성이 연소에 영향을 미치지 않기 때문에 나타나는 결과로 판단된다. 이에 반해 공기과잉률 1.5 조건은 조기연료분사와 지연분사의 중간영역에 있는 조건으로서 희박연소 조건임에도 불구하고 다른 희박연소 조건에 비해 상대적으로 작은 공기 유량에 의해 공기이용률이 감소하여 연료소비율이 오히려 증가하였으며, 미립화 특성이 가장 좋은 높은 연료분사압력 조건에서 가장 좋은 결과를 보였다.
- (3) 공기과잉률 2.0 이상에서 연료분사압력의 변화는 연료소비율에 거의 영향을 미치지 않았으며, 지연연료분사를 적용한 공기과잉률 3.5에서 이론공연비 대비 연료소비율이 약 14% 개선되었다.
- (4) 성층연소의 특징으로 인해 공기과잉율의 변화에 관계없이 국부적으로 온도가 높은 영역이 유지되어 질소산화물 발생이 크게 저감되지 않았으며, 탄화수소의 배출은 공기과잉률 2.5에서 최대를 보이고 이보다 희박한 공기과잉률 조건에서 다시 감소하였다.
- 일반적으로 이론공연비 연소는 포트분사된 연료가 공기와 적절하게 혼합된 혼합기를 상사점(TDC; top dead center) 인근에서 점화하여 연소를 일으키는 것으로서, 직접분사식 엔진에서 이론공연비 조건의 연소를 구현하기 위해서는 조기연료분사를 통해 예혼합기의 형성시간을 확보해야 한다. Fig. 3에 나타난 것과 같이 분사시기를 BTDC 330 CAD에서 50 CAD 간격으로 BTDC 150 CAD까지 지각시키며 연료소비율과 연소안정성을 측정한 결과, 예상한 것과 같이 조기연료분사 조건인 BTDC 330 CAD에서 가장 좋은 연료소비율과연소안정성을 나타내었다. 이에 반해, 연료분사시기를 지각시켜 TDC에 가깝게 분사할수록 연소실내 균질한 예혼합기의 형성 시간이 감소하게 되어 국부적으로 농후한 영역이 형성되게 된다.
- 5의 공기과잉률이 LPG의 희박연소 한계조건에 가깝기 때문에 BTDC 250 CAD 조건에 비해 감소된 결과를 나타내었다. 반면에 연료분사시기를 지각시킬수록 연료소비율이 다시 감소되었으며, BTDC 50 CAD로 지연분사시켰을 경우 조기연료분사 조건에 비해 낮은 연료 소모율을 보였다. 이는 지연분사로 인해 점화가 일어날 때 플러그 주위에 적절한 성층 혼합기가 형성되어 연소안정성과 연료소비율이 개선되었기 때문으로 판단된다.
- 연료 분사압력을 20 MPa로 증가시켜 분사하였을 경우에는 최적 분사시기가 BTDC 46 CAD로 진각되는 것을 확인하였다. 위와 같은 결과로부터 지연분사조건에서 최적의 성층혼합기를 형성하는데 필요한 분사시기와 점화시기간의 간격이 10 MPa, 15 MPa, 20 MPa의 각각에 대해서 Fig. 6과 같이 8 CAD, 6 CAD, 4 CAD 임을 알 수 있었다.
- 연료분사압력에 관계없이 BTDC 42 CAD 조건에서 최저 연료소비율을 나타내고 있으며, 이는 성층 희박연소시 연소속도가 연료분사압력에 크게 영향 받지 않음을 나타내는 결과로 볼 수 있다. 그러나 연료의 미립화 및 성층화 정도는 연소효율에 영향을 미치기 때문에 연료분사압력이 증가할수록 연료소비율이 점차 개선되었으며, 연료분사압력을 20 MPa로 했을 때 10 MPa 조건 대비 연료소비율이 약 14% 개선되는 결과를 보였다.
- 8은 각 연료분사압력 조건에서 Table 2의 최적 연료 분사시기와 점화시기를 적용하였을 때 공기과잉률의 변화에 따른 연료소비율의 변화를 나타낸 것이다. 예상한 바와 같이 공기과잉률이 증가할수록 희박연소 효과에 의해 연료소비율이 개선되었으며, 공기과잉률 1.5 조건의 결과를 제외하면 연료분사압력 변화가 연료소비율에 거의 영향을 주지 않음을 확인할 수 있다. 이는 LPG 연료가 가지는 높은 기화특성에 인한 것으로 점화시기와 연료분사시기를 최적화할 경우 연료의미립화 특성이 연소에 영향을 미치지 않기 때문에 나타나는 결과로 판단된다.
- (1) 이론공연비 연소에서 연료 분사시기는 조기 연료분사가 효과적이며 최적 연료 분사시기는 BTDC 330 CAD, 점화시기는 BTDC 45 CAD로 나타났다.
- (2) 희박영역 연소 시 조기연료분사보다 지연연료분사가 효과적이며 최적 점화시기는 BTDC 42 CAD, 최적 연료분사시기는 연료분사압력에 따라 다르게 나타났다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.