[논문]연소제어 전략 및 분사기 위치 변경에 따른 직접분사식 초희박 LPG 엔진의 연소특성 연구

박철웅; 박윤서; 이용규; 오승묵; 김태영

doi:10.7467/ksae.2014.22.4.098

연소제어 전략 및 분사기 위치 변경에 따른 직접분사식 초희박 LPG 엔진의 연소특성 연구
A Study on the Combustion Characteristics with Control Strategy and Injector Position Changes in a Lean-burn LPG Direct Injection Engine 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.22 no.4, 2014년, pp.98 - 104

박철웅 (한국기계연구원 그린동력연구실) , 박윤서 (한국기계연구원 그린동력연구실) , 이용규 (한국기계연구원 그린동력연구실) , 오승묵 (한국기계연구원 그린동력연구실) , 김태영 (한국기계연구원 그린동력연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

The technologies employing spray-guided type combustion system for ultra-lean combustion direct injection engine is focused as a promising technology for satisfying emission regulations and improving fuel economy. In the present study, control and design optimization of lean-burn LPG direct injection engine was carried out with control strategy and injection position changes. Inter-injection spark ignition strategy was applied and the effect of the strategy was assessed at relatively higher load operation condition than previous researches. In order to create richer mixture in the vicinity of spark plug electrode, relative distance between the dead-end of injector and the electrode of spark plug was changed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 분무유도방식을 적용한 초희박 LPG 직접분사식 엔진 개발의 일환으로 연소제어 전략 및 헤드 설계 변경에 따른 연소 특성을 확인하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이에 본 연구에서는 직접분사식 초희박 LPG엔진의 운전영역 확장을 목표로 중부하 운전조건에서의 ISI 연소제어 전략의 적용가능성을 검토하고, 연소 안정성 확보를 위한 설계 변경 요소에 대한 영향을 실험적으로 확인하고자 하였다. 이를 바탕으로 한 연구결과들은 초희박 LPG 직접분사식 엔진 개발의 기초 데이터로서 이용될 수 있다.
앞선 결과로부터 ISI 연소제어 전략 및 각각의 분사시기 및 점화시기의 변경만으로는 연료소비율의 개선을 이루기 어렵고, 점화플러그의 전극 주위에보다 농후한 혼합기를 형성하는 것이 보다 긍정적일 것으로 예상되었다. 점화가 일어나는 전극 주변의 혼합기 형성은 인젝터와 점화플러그와의 거리가큰 영향을 미치며, 본 연구에서는 기존의 설계를 기반으로 한 인젝터의 장착위치를 변경하여 상대적인 거리를 증가시키고자 하였다. 이를 위해 전술한 바와 같이, 인젝터 장착시 가스켓을 삽입하여 인젝터의 돌출을 기존 1.

제안 방법

측정된 연소압력결과는 D2T 연소해석기를 통해 연소 안정성및 열방출률 등의 계산에 이용되었다. 가스 추출라인(Gas sampling line)을 장착하여 배기 분석기(AMA i60, AVL)를 통해 배기를 분석하였다.
가스켓을 삽입하여 인젝터의 돌출을 기존 1.4 mm에서 0.4 mm로 1 mm 상승시키더라도 희박연소 한계조건에서의 연료소비율 개선효과는 얻을 수 없었으나, ISI 전략의 적용에 의한 배출가스 저감효과를 살펴보았다. Fig.
승용차량에서 주로 운전되는 영역중 하나인 2,000 RPM, BMEP 4 bar 조건에서 연구를 수행하였다. 가장 낮은 연료소비율 및 연소 안정성을 나타내는 조건을 최적운전조건으로 간주하고, 이론 공연비 조건에서 희박 한계 영역까지 공기과잉률을 0.2 씩 증가시키며 연료소비율을 측정하여 각 공기과잉률 조건에서 최적조건을 찾았다. 점화 플러그 주위에 형성되는 농후한 혼합기의 최적화를 위해, 인젝터 장착 시 가스켓의 삽입 유무에 따라 인젝터 돌출 거리를 변경하여 실린더 내 점화플러그와 인젝터 사이의 상대적인 거리 변화에 따른 연료소비율의 변화를 측정하였다.
각각의 배기 매니폴드에 열전대와 광역산소센서(LA4, ETAS co.)를 장착하여 실린더 별 배기온도 및 공기과잉률을 측정하였으며 각 연소실 내에 압력센서를 설치하여 연소압력을 측정하였다. 측정된 연소압력결과는 D2T 연소해석기를 통해 연소 안정성및 열방출률 등의 계산에 이용되었다.
본 연구에서는 2,000 cc급 포트분사방식 엔진을 베이스 엔진으로 실린더 헤드의 재설계를 통해 분무유도방식을 적용한 초희박 직접분사 LPG 엔진을 구성하였다. 구성된 엔진의 제원을 Table 1에 나타내었다.
승용차량에서 주로 운전되는 영역중 하나인 2,000 RPM, BMEP 4 bar 조건에서 연구를 수행하였다. 가장 낮은 연료소비율 및 연소 안정성을 나타내는 조건을 최적운전조건으로 간주하고, 이론 공연비 조건에서 희박 한계 영역까지 공기과잉률을 0.
¹⁰⁾ 따라서 분사된 연료의 혼합기가 스파크 전극의 위치에 가깝도록 하는 형상부분의 설계 변경이 고려되었다. 이를 위해 인젝터가 장착되는 깊이를 달리하여 상대적인 분무 도달 거리를 변경하였다. 인젝터의 장착 깊이의 변경은 Fig.
점화가 일어나는 전극 주변의 혼합기 형성은 인젝터와 점화플러그와의 거리가큰 영향을 미치며, 본 연구에서는 기존의 설계를 기반으로 한 인젝터의 장착위치를 변경하여 상대적인 거리를 증가시키고자 하였다. 이를 위해 전술한 바와 같이, 인젝터 장착시 가스켓을 삽입하여 인젝터의 돌출을 기존 1.4 mm에서 0.4 mm로 1 mm 상승시킴으로써 점화플러그와의 상대적인 간격을 증가시 켰다.
이전의 연구결과로부터 다단분사의 사이에 점화를 일으키는 분사간 점화착화(ISI; inter-injection spark ignition) 연소제어 전략을 이용하여 상대적으로 저부하 운전조건에서 연소안정성을 확보하여 초희박 연소를 구현하였다.^7-9) 그러나 연료분사시기 및 점화시기와의 상관관계 또는 연료분사시간 등의 제어에 민감하게 영향을 받는 성층 혼합기의 희박연소 특성상 상대적으로 높은 부하 조건에서의 연소안정성 확보를 위한 추가적인 설계 변경 또는 제어 전략의 변경이 요구될 수 있다.
2 씩 증가시키며 연료소비율을 측정하여 각 공기과잉률 조건에서 최적조건을 찾았다. 점화 플러그 주위에 형성되는 농후한 혼합기의 최적화를 위해, 인젝터 장착 시 가스켓의 삽입 유무에 따라 인젝터 돌출 거리를 변경하여 실린더 내 점화플러그와 인젝터 사이의 상대적인 거리 변화에 따른 연료소비율의 변화를 측정하였다.
이때 재순환 되는 연료의 온도 상승에 의한 연료압력 저하를 방지하기 위해 열교환기를 장착하여 재순환되는 연료를 냉각시켰다. 한 사이클당 최대 4회의 연료분사가 가능한 피에조(piezo) 형식의 인젝터를 장착하였으며, 범용 ECU(engine control unit)를 사용하여 연료 분사시기, 연료 분사량 및 점화시기를 제어하였다.

데이터처리

)를 장착하여 실린더 별 배기온도 및 공기과잉률을 측정하였으며 각 연소실 내에 압력센서를 설치하여 연소압력을 측정하였다. 측정된 연소압력결과는 D2T 연소해석기를 통해 연소 안정성및 열방출률 등의 계산에 이용되었다. 가스 추출라인(Gas sampling line)을 장착하여 배기 분석기(AMA i60, AVL)를 통해 배기를 분석하였다.

성능/효과

1) 중부하운전조건에서는분사간점화착화(ISI) 전략을 적용하더라도 TDC 이전의 급속한 열방출에 의해 단분사 조건에 비해 오히려 연료소비율이 증가하거나 비슷한 수준을 보였다.
2) 열방출률의 제어를 위해 점화시기를 지각시키더라도, 초기 분사된 연료의 점화가 지각되어 열 방출이 감소되고 점화 후에 분사된 나머지 연료는 연소에 기여하는 비율이 감소하였다.
3) 인젝터의 장착위치가 상승하여 스파크플러그와 의 상대적인 거리가 변경되면 최적 운전조건에서의 ISI 전략의 첫번째 분사시기가 크게 진각되었고, 연료소비율은 비슷하거나 혼합기가 희박해질수록 악화되었다.
초희박 직접분사 기술은 기존 직접분사 기술의 공기과잉률을 연소한계 영역까지 높여 연소시킴으로써 연비를 보다 향상시킬 수 있는 기술이다.⁴⁾ 그러나 연소되는 혼합기의 연료가 너무 희박하기 때문에 안정적인 연소를 위해서는 성층 혼합기 형성 여부가 많은 영향을 미치게 된다. 직접분사식 희박연소방식에는 벽면유도방식(wall-guided type), 공기유도방식(air-guided type) 및 분무유도방식(spray-guided type) 등이 있다.
4) 인젝터의 장착위치가 상승하여 스파크플러그와의 상대적인 거리가변경되면, 탄화수소의 배출은 감소하지만 질소산화물의 배출은 증가하였다.
2 이상의 희박연소 조건에서는 성층 혼합기의 희박연소 구현을 위한 지연분사 전략이 적절하여 각각의 조건에서 분사시기를 달리하였다.⁷⁾ 연소제어 전략에 관계없이 조기분사 조건과 지연분사 조건의 천이영역에 해당하는 공기과잉률 1.2와 1.4 조건에서는 연료소비율이 이론공연비 조건에 비해 증가하였다. 공기과잉률이 증가할수록 희박연소에 의한 영향으로 연료소비율이 감소하였으나, 상대적으로 높은 부하조건이기 때문에 희박연소한계조건에서의 공기과잉률이 크지 않아 연료소비율의 개선 폭이 작음을 확인할 수 있다.
4 조건에서는 연료소비율이 이론공연비 조건에 비해 증가하였다. 공기과잉률이 증가할수록 희박연소에 의한 영향으로 연료소비율이 감소하였으나, 상대적으로 높은 부하조건이기 때문에 희박연소한계조건에서의 공기과잉률이 크지 않아 연료소비율의 개선 폭이 작음을 확인할 수 있다. 이전 연구결과에서는 ISI 제어전략을 이용하여 연소안정성 및 연료소비율의 개선 효과를 얻을 수 있었으나, 본 연구의 운전조건에서는 ISI 전략을 적용하더라도 단분사 조건에 비해 오히려 연료소비율이 증가하거나 희박연소한계 조건에서는 비슷한 수준을 보였다.
앞선 결과로부터 ISI 연소제어 전략 및 각각의 분사시기 및 점화시기의 변경만으로는 연료소비율의 개선을 이루기 어렵고, 점화플러그의 전극 주위에보다 농후한 혼합기를 형성하는 것이 보다 긍정적일 것으로 예상되었다. 점화가 일어나는 전극 주변의 혼합기 형성은 인젝터와 점화플러그와의 거리가큰 영향을 미치며, 본 연구에서는 기존의 설계를 기반으로 한 인젝터의 장착위치를 변경하여 상대적인 거리를 증가시키고자 하였다.
열방출률의 제어를 위해 Fig. 5와 같이 점화시기와 연료분사시기간의 간격을 일정하게하고 점화시기를 지각시켰으나, 초기 분사된 연료의 점화가 지각되어 열방출이 감소되고 점화 후에 분사된 나머지 연료는 연소에 기여하는 비율이 감소하고 일부 열원이 분무의 기화에 이용되어 TDC 이후에 열방출이 오히려 음의 값으로 급격히 감소되었다. 그 결과 Table 3에 나타낸 것과 같이 점화시기가 지각될수록 연소안정성의 악화와 함께 연료소비율이 증가 하였다.
Table 2의 기존의 설계를 기반으로 한 인젝터의 장착위치 조건과 비교할 때 점화시기의 차이는 5 CAD로 작은 반면 단분사의 연료분 사시기와 ISI 전략의 첫 번째 분사시기가 크게 진각 되었다. 예상과 같이 인젝터의 장착위치 상승과 함께 점화플러그의 전극 주위에 보다 농후한 혼합기가 형성되었을 경우 최적 연료분사시기와 점화시기의 큰 변화 없이 연소안정성 및 연료소비율이 개선될 것으로 예측하였다. 그러나 인젝터의 장착위치가 상승하여 분사되는 연료의 일부가 헤드상면과 충돌하여 연료 분무 형상이 기존 설계의 경우와 다르게 나타나 중공원형분사 형상이 왜곡되었을 것으로 판단된다.
공기과잉률이 증가할수록 희박연소에 의한 영향으로 연료소비율이 감소하였으나, 상대적으로 높은 부하조건이기 때문에 희박연소한계조건에서의 공기과잉률이 크지 않아 연료소비율의 개선 폭이 작음을 확인할 수 있다. 이전 연구결과에서는 ISI 제어전략을 이용하여 연소안정성 및 연료소비율의 개선 효과를 얻을 수 있었으나, 본 연구의 운전조건에서는 ISI 전략을 적용하더라도 단분사 조건에 비해 오히려 연료소비율이 증가하거나 희박연소한계 조건에서는 비슷한 수준을 보였다. 그 원인은 희박한 계에 해당하는 WOT(wide open throttle) 운전조건에서 각각의 연소제어 전략에 따른 연소실 압력선도와 열방출률 선도를 나타낸 Fig.
인젝터 돌출 깊이가 0.4 mm이며 최적 연료분사 시기인 조건의 경우 최대 열방출률을 나타내는 시기가 인젝터 돌출 깊이 1.4 mm인 경우와 비슷한 시기를 나타내고 있으나 상사점 이후에 급격히 감소하지 않고 다른 기울기의 형상을 나타내는 반면, 최초 연료분사시기가 지각될수록 최대 열방출율 값이 크게 감소되고 연소속도가 저하되는 결과를 보였다.

후속연구

이에 본 연구에서는 직접분사식 초희박 LPG엔진의 운전영역 확장을 목표로 중부하 운전조건에서의 ISI 연소제어 전략의 적용가능성을 검토하고, 연소 안정성 확보를 위한 설계 변경 요소에 대한 영향을 실험적으로 확인하고자 하였다. 이를 바탕으로 한 연구결과들은 초희박 LPG 직접분사식 엔진 개발의 기초 데이터로서 이용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	분무유도방식은 무엇인가?	분무유도방식은 이러한 단점을 보다 개선시킨 방식으로 실린더 헤드 중앙에 고압의 인젝터와 점화 플러그가 인접하게 장착되어 성층 혼합기의 구현을 보다 안정적으로 구현할 수 있는 기술이다. 5) 연료가 실린더 헤드 중앙에서 분사되기 때문에 벽면이나 피스톤에의 부착을 방지할 수 있으며 실린더 내부 유동에 대한 영향이 적기 때문에 성층 혼합기가 형성되는 운전조건을 확장시켜 효율적인 성층 혼합기 형성이 가능한 기술이다.
	분무유도방식의 특징은 무엇인가?	분무유도방식은 이러한 단점을 보다 개선시킨 방식으로 실린더 헤드 중앙에 고압의 인젝터와 점화 플러그가 인접하게 장착되어 성층 혼합기의 구현을 보다 안정적으로 구현할 수 있는 기술이다. 5) 연료가 실린더 헤드 중앙에서 분사되기 때문에 벽면이나 피스톤에의 부착을 방지할 수 있으며 실린더 내부 유동에 대한 영향이 적기 때문에 성층 혼합기가 형성되는 운전조건을 확장시켜 효율적인 성층 혼합기 형성이 가능한 기술이다. 6)
	직접분사식 희박연소방식은 무엇이 있는가?	4) 그러나 연소되는 혼합기의 연료가 너무 희박하기 때문에 안정적인 연소를 위해서는 성층 혼합기 형성 여부가 많은 영향을 미치게 된다. 직접분사식 희박연소방식에는 벽면유도방식(wall-guided type), 공기유도방식(air-guided type) 및 분무유도방식(spray-guided type) 등이 있다. 1세대 연료유도방식으로 불리는 벽면유도방식이나 공기유도방식의 경우 이론공연비 혼합기 형성은 용이 하지만 혼합기가 형성되는 조건이 실린더 내부 유동에 많은 영향을 받기 때문에 혼합기가 형성되는 운전조건이 매우 좁은 특성을 나타낸다.

참고문헌 (10)

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A. Ramesh, "An Experimental Study of Cyclic Variations in a Lean Burn Natural Gas Fuelled Spark Ignition Engine," ASME, ICEF2003-0772, pp.321-329, 2003.
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C. W. Park, Y. S. Park, S. M. Oh, Y. G. Lee, T. Y. Kim, H. S. Kim, Y. Choi and K. Y. Kang, "Emission Characteristics of Gasoline and LPG in a Spray-guided-type Direct Injection Engine," SAE 2013-01-1323, 2013.
Y. S. Park, C. W. Park, T. Y. Kim, Y. Choi, Y. G. Lee and S. M. Oh, "Study of Performance and Emission Characteristics in a LPG Direct Injection Engine according to Multiple Injection," KIGAS Fall Conference Proceedings, p.4, 2012.
H. S. Kim, J. W. Oh, S. D. Kim, C. W. Park, S. H. Lee and Y. Y. Jeong, "A Study on the Ultra Lean Combustion Characteristics of the BMW N53 GDI Engine," Transactions of KSAE, Vol.19, No.6, pp.82-89, 2011.
J. Y. Jung, M. S. Lee, H. C. Oh and C. S. Bae, "Combustion Characteristics of an LPG Fueled Spray-guided Engine under Lean Stratified Condition," KSAE Annual Conference Proceedings, pp.59-64, 2012.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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