[논문]DME 분사 시기 조절을 통한 수소-DME 부분 예혼합 압축착화 연소 제어

전지연; 배충식

doi:10.15231/jksc.2013.18.1.027

DME 분사 시기 조절을 통한 수소-DME 부분 예혼합 압축착화 연소 제어
Combustion Control through the DME Injection Timing in the Hydrogen-DME Partially Premixed Compression Ignition Engine 원문보기

한국연소학회지 = Journal of the Korean Society of Combustion, v.18 no.1, 2013년, pp.27 - 33

Abstract ▼ AI-Helper

Hydrogen-dimethy ether(DME) partially premixed compression ignition(PCCI) engine combustion was investigated in a single cylinder compression ignition engine. Hydrogen and DME were used as low carbon alternative fuels to reduce green house gases and pollutant. Hydrogen was injected at the intake manifold with an injection pressure of 0.5 MPa at fixed injection timing, $-210^{\circ}CA$ aTDC. DME was injected directly into the cylinder through the common-rail injection system at injection pressure of 30 MPa. DME inejction timing was varied to find the optimum PCCI combustion to reduce CO, HC and NOx emissions. When DME was injected early, CO and HC emissions were high while NOx emission was low. As the DME injection was retarded, the CO and HC emissions were decreased due to high combustion efficiency. NOx emissions were increased due to the high in-cylinder temperature. When DME were injected at $-30^{\circ}CA$ aTDC, reduction of HC, CO and NOx emissions was possible with high value of IMEP.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

DME는 기존 디젤연료에 비해 기화와 혼합이 용이하고 압축착화 특성이 우수하여 수소의 착화에 직접적인 영향을 주었다. DME의 다양한 분사 전략을 통하여 좀 더 효과적으로 수소 엔진을 구동하여 높은 출력과 낮은 배기를 얻고자 하였다. 또한 고옥탄 연료와 고세탄 연료의 동시 사용을 통하여, 두 연료의 연소시 생기는 화학적 메커니즘을 구명하고자 하였다.
DME의 다양한 분사 전략을 통하여 좀 더 효과적으로 수소 엔진을 구동하여 높은 출력과 낮은 배기를 얻고자 하였다. 또한 고옥탄 연료와 고세탄 연료의 동시 사용을 통하여, 두 연료의 연소시 생기는 화학적 메커니즘을 구명하고자 하였다. 이를 위하여 각각의 연료의 분사 시기를 제어 변수로 하여 엔진 운전에 미치는 영향을 살펴 보았으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 수소-DME 예혼합 압축착화 연소를 구현하여 예혼합 압축착화 방식의 가장 큰 문제점으로 지적되고 있는 연소상 제어와 일산화탄소 및 탄화수소의 배출 문제를 해결할 수 있는 방향을 제시하고자 한다.

제안 방법

수소를 흡기관 내에 분사한 후 DME의 분사시기를 조절하면서 DME의 분사 시기에 따른 열 방출 특성을 살펴보았다.
수소-DME 압축착화 연소 실험을 위하여 커먼레일 분사 시스템을 장착한 직접 분사식 디젤 엔진을 사용하였다. 4기통 2리터의 배기량을 갖는 소형 디젤엔진을 연구의 목적에 맞게 단기통으로 개조하였다. 엔진의 보어는 83 mm, 행정 92 mm, 배기량 498 cm³이며,압축비는 17.
9%의 순도를 가진 연료에, 낮은 점성 보완을 위한 윤활 향상제(Infineum R655)를 500 ppm 첨가하였다. DME는 상용 커먼레일 연료분사시스템을 통해 공급되었는데, 액상 공급을 위하여 외부에서 2 MPa로 가압하여 공압펌프로 공급되었고, 공압펌프로 압축하여 30 MPa의 압력으로 커먼레일 분사 시스템으로 공급되었다. 연료 분 무에는 솔레노이드 타입의 상용 7 hole 디젤 인젝터 (Bosch)를 사용하였고, 분사기 구동장치(TEMS Ltd.
본 연구에서는 수소 압축착화 엔진 구현에 있어서 가장 문제가 되는 자발화 특성을 보완하기 위하여 DME를 착화제로 선정하였다.
분사 시기는 아주 이른 시기인 -80 °CA aTDC 부터 -5 °CA aTDC까지 변화시켰다.
수소-DME의 연소 제어와 배기 저감을 위하여, 수소를 0.8 MPa의 압력으로 포트에 분사하고, DME는 커먼레일을 통하여 실린더 내에 직접분사하는 방식을 채택하였다. 수소의 분사시기는 밸브 열림 시기에서, 피스톤 하사점 이전 가장 늦은 시기에 분사하여, 수소의 누설 위험을 최소화 하였으며, DME의 분사시기는 적절한 연소 시기 제어를 위하여 -80~-5 °CA aTDC로 변경하는 전략을 사용하였다.
수소를 주 연료로 사용하고, DME를 착화제로 이용한 압축착화 엔진의 연소 해석은 압력 센서를 통해 측정된 실린더 내 압력으로부터 열방출량 분석(heat release analysis)을 통해 계산하였다. 틈새체적으로의 엔탈피 변화와 연소실벽면으로의 열전달량을 고려하여 열역학 제 1법칙을 이용하여 식 (1)과 같이 계산하였다[14].
수소와 DME의 혼합 정도에 따른 연소 영향을 살펴보기 위하여 DME의 분사시기를 -80 °CA aTDC에서 -5 °CA aTDC까지 변화시켰다.
수소의 분사시기는 밸브 열림 시기에서, 피스톤 하사점 이전 가장 늦은 시기에 분사하여, 수소의 누설 위험을 최소화 하였으며, DME의 분사시기는 적절한 연소 시기 제어를 위하여 -80~-5 °CA aTDC로 변경하는 전략을 사용하였다.
동력계(dynamometer)는 단기통 엔진의 구동을 위해 엔진의 크랭크축에 연결하고 회전수를 제어하였다. 엔진의 크랭크축에 장치되어있는 엔코더(360 pulse/rev)의 신호를 이용하여 분사시기를 제어하였고 연료 분사량을 제어하기 위해 전용 분사기 구동 장치(TDA 3000H, TEMS Ltd)를 통하여 제어하였다. 연소로부터 배출되는 가스 중 HC, NOx, CO 등의 측정에는 배기 가스 분석장치(HORIBA Ltd.
또한 고옥탄 연료와 고세탄 연료의 동시 사용을 통하여, 두 연료의 연소시 생기는 화학적 메커니즘을 구명하고자 하였다. 이를 위하여 각각의 연료의 분사 시기를 제어 변수로 하여 엔진 운전에 미치는 영향을 살펴 보았으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

대상 데이터

DME의 분사량이 5 mg보다 작은 경우, 본 실험조건에서는 실화의 발생 빈도가 높아 실험이 제한되었다. 본 실험에서는 최소한의 탄소계 연료를 사용하여 엔진을 안정적으로 운전하기 위한 최소량인 DME 5 mg을 사용하였다. Fig.
8 MPa의 압력으로 레귤레이터를 통하여 흡기관에 분사되었다. 분사기로는 수소용으로 개조한 상용 압축천연가스(CNG; Compressed Natural Gas)용 솔레노이드 타입 single hole 인젝터(Bosch)를 사용하였으며 분사기 구동장치를 제작하여 구동하였다. DME의 경우 99.
실험 조건은 Table 2에 나타내었다. 사용된 연료는 DME와 수소이다. 흡입 공기는 303 ± 1 K으로 일정하게 유지시켜 흡입하였고 냉각수 온도는 353 ± 2 K로 일정하게 유지하였다.
사용된 연료는 수소와 DME이다. 99.
수소-DME 압축착화 연소 실험을 위하여 커먼레일 분사 시스템을 장착한 직접 분사식 디젤 엔진을 사용하였다. 4기통 2리터의 배기량을 갖는 소형 디젤엔진을 연구의 목적에 맞게 단기통으로 개조하였다.
4기통 2리터의 배기량을 갖는 소형 디젤엔진을 연구의 목적에 맞게 단기통으로 개조하였다. 엔진의 보어는 83 mm, 행정 92 mm, 배기량 498 cm³이며,압축비는 17.3 : 1이다. 자세한 엔진의 제원은 Table 1에 나타내었으며, 엔진의 개략도는 Fig.
엔진의 크랭크축에 장치되어있는 엔코더(360 pulse/rev)의 신호를 이용하여 분사시기를 제어하였고 연료 분사량을 제어하기 위해 전용 분사기 구동 장치(TDA 3000H, TEMS Ltd)를 통하여 제어하였다. 연소로부터 배출되는 가스 중 HC, NOx, CO 등의 측정에는 배기 가스 분석장치(HORIBA Ltd., MEXA1500D)를 사용하였다. 이 장치는 각각의 배기 가스를 측정 하는 장비들이 통합된 장치로, 각 성분들마다 다른 측정 원리가 적용된다.

이론/모형

이 장치는 각각의 배기 가스를 측정 하는 장비들이 통합된 장치로, 각 성분들마다 다른 측정 원리가 적용된다. HC의 경우, HC가 연소될 때 배출되는 전자와 양이온의 배출로부터 탄소 원자수를 산출하는 화염이온화 감지법(FID; Flame Ionization Detector)을 사용하며, CO와 CO₂는 비분산 적외선 흡수법(NIDR; Non-dispersive Infrared Absorption)을 이용한다. NOx는 화학발광법(CLD; Chemiluminescence Detection)을 이용하여 측정하였다.
HC의 경우, HC가 연소될 때 배출되는 전자와 양이온의 배출로부터 탄소 원자수를 산출하는 화염이온화 감지법(FID; Flame Ionization Detector)을 사용하며, CO와 CO₂는 비분산 적외선 흡수법(NIDR; Non-dispersive Infrared Absorption)을 이용한다. NOx는 화학발광법(CLD; Chemiluminescence Detection)을 이용하여 측정하였다.
틈새체적으로의 엔탈피 변화와 연소실벽면으로의 열전달량을 고려하여 열역학 제 1법칙을 이용하여 식 (1)과 같이 계산하였다[14]. 열전달 모델은 Woschni의 모델을 사용하였다[15].
수소를 주 연료로 사용하고, DME를 착화제로 이용한 압축착화 엔진의 연소 해석은 압력 센서를 통해 측정된 실린더 내 압력으로부터 열방출량 분석(heat release analysis)을 통해 계산하였다. 틈새체적으로의 엔탈피 변화와 연소실벽면으로의 열전달량을 고려하여 열역학 제 1법칙을 이용하여 식 (1)과 같이 계산하였다[14]. 열전달 모델은 Woschni의 모델을 사용하였다[15].

성능/효과

-30 °CA aTDC 이후의 연소는 CO, HC의 배출이 줄었으며, 상사점 근처로 연소상이 미뤄져, 도시평균 유효압력이 증가함을 보였다.
착화제의 분사 시기가 이른 경우, 즉 DME의 연소가 잘 일어나 탄화수소와 일산화탄소의 배출이 거의 없으나 연소온도가 높지 않아 질소산화물의 배출이 낮은 시기인 -30 °CA aTDC 의 경우와 다른 분사시기간의 배기, 출력 등의 결과를 비교한 결과 수소-DME 연소는 PCCI연소가 다른 분사 전략에 비하여 타당함을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화석연료가 갖고 있는 한계는?	최근 에너지의 지속가능성이 화두가 되고 있다. 화석연료는 그 매장량이 한정되어 있고, 또한 특정 지역에 편중되어 매장되어 있기 때문에 수급 및 지속성에 많은 문제를 내포하고 있다는 단점이 있다. 또한 석유 매장량에 따른 유가 상승의 불안은 가중되고 있는 실정이며, 탄소계 연료의 사용으로 인한 온실가스 배출은 여전히 풀어야 할 과제로 남아 있다. 이에 따라 석유계 연료를 대체할 수 있는 친환경 대체 연료를 개발하고 이용하려는 노력은 세계 각국에서 활발히 진행되고 있다.
	고옥탄가 연료인 수소의 장점은?	이에 따라 석유계 연료를 대체할 수 있는 친환경 대체 연료를 개발하고 이용하려는 노력은 세계 각국에서 활발히 진행되고 있다. 특히 대체 연료 중 고옥탄가 연료인 수소는 그 양이 거의 무한에 가깝고 연소 생성물이 물뿐이라는 장점을 갖는다. 이에 가장 유망한 대체 연료 중 하나로 주목받고 있으며, 수소의 사용 방법 중 하나가 내연기관 내에서의 연소라 할 수 있겠다.
	수소 압축착화 엔진을 흡기 가열이나 과급없이 상용 디젤엔진 정도의 압축비를 사용하여 압축착화를 하기 위해 DME를 사용하는 이유는?	수소 압축착화 엔진을 흡기 가열이나 과급없이 상용 디젤엔진 정도의 압축비를 사용하여 압축착화를 하려면, 보조 연료의 도입이 필요하다[7-11]. DME는 자착화 온도가 508 K 정도로 낮고 압축 착화성을 나타내는 세탄가가 55 이상으로 높아 압축착화 엔진의 착화제로 사용하기 용이하다[12]. 또한, 최근 DME를 수소저장매체로 이용하기 위한 연구가 주목받고 있다.

참고문헌 (17)

Verhelst S, Wallner T, Hydrogen-fueled internal combustion engines. Int J Hydrogen Energy 2009; 35: 490-527
White CM, Steeper RR, Lutz AE, The hydrogenfueled internal combustion engine: a technical review, Int J Hydrogen Energy 2006;32:1292-1305
Akagawa H, Miyamoto T, Harada A, Sasaki S, Shimazaki N, Hakeshi T, Approaches to solve pro blems of the premixed lean diesel combustion control, SAE Technical Paper, 1999-01-0183, 1999, DOI: 10.4271/1999-01-0183
Kook S, BAE C, Combustion control using two- Stage diesel fuel injection in a single-cylinder PCCI engine, SAE Technical Paper 2004-01-0938, 2004, DOI: 10.4271/2004-01-0938
Szwaja S, Grab-Rogalinski K, Hydrogen combustion in a compression ignition diesel engine. Int J Hydrogen Energy 2009;24:4413-4421
Narioka Y, Yokoyama T, Lio S, Takagi Y, HCCI combustion characteristics of hydrogen and hydrogen- rich natural gas reforme supported by DME supplement. SAE Technical Paper, 2006-01-0628, 2006, DOI: 10.4271/2006-01-0628
Inagaki K, Fuyuto T, Nishikawa K, Nakakita K, Dual-fuel PCI combustion controlled by in-cylinder stratification, SAE Technical Paper 2006-01- 0028, 2006, DOI: 10.4271/2006-01-0028
Shudo T, Ono Y, HCCI combustion of hydrogen, carbon monoxide and dimethyl ether, SAE Technical Paper, 2002-01-0112, 2002, DOI: 10.4271/2002- 01-0112
Guo H, Hosseini V, Neill WS, Chippior WL, An experimental study on the effect of hydrogen enrichment on diesel fueled HCCI combustion. Int J Hydrogen Energy 2011;36:13820-13830

상세보기
Yeom K, Jang J, Bae C, Homogeneous charge compression ignition of LPG and gasoline using variable valve timing in an engine, Fuel, 2007, Vol 86, No 4, pp 494-503

상세보기
Yeom K, Bae C, Gasoline-di-methyl ether homogeneous charge compression ignition engine, Energy and fuels, 2007, Vol 21, No 4, pp1942-1949

상세보기
Arcoumanis C, Bae C, Crookes R, Kinoshita E, The potential of di-methyl ether(DME) as an alternative fuel for compression-ignition engines: A review. Fuel, Vol 87, No 7, pp 1014-1030, 2008.

상세보기
Park CH, Kim KS, Jun JW, Cho SY, Lee YK, Thermodynamic Analysis of DME Steam Reforming for Hydrogen Production, J. Korean Ind. Eng. Chem., Vol. 20, No. 2, April 2009, 186-190, 186

원문보기 상세보기
Heywood JB, Internal combustion engine fundamentals, McGraw-Hill (1998).
Woschni G, A Universally applicable equation for the instantaneous heat transfer coefficient in the internal combustion engine. SAE Technical Paper 670931 1967, DOI: 10.4271/670931
Shudo T Yamada H, Hydrogen as an ignition-controlling agent for HCCI combustion engine by suppressing the low-temperature oxidation. Int J of Hydrogen Energy 2007;32:3066-3072

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Imuta T, Hata R, Tsujimura T, Tokunaga Y, Senda J, Fujimoto H, Combustion method of diesel engine fueled with hydrogen for high efficiency, COMODIA 2008, FL1-2

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