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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 직접구동 피에조 인젝터를 대상으로 고압 분무가시화 및 단기통 디젤엔진에서의 연소 및 배출가스 성능 특성을 현재 대부분 사용 중인 유압서보 방식의 솔레노이드 및 피에조 인젝터와 비교·분석하고자 함이 목적이다.
제안 방법
- AC Dynamometer(Powertester사, 250 Nm, 50 kW)를 단기통 엔진 크랭크축에 연결하고 AC동력계의 회전수를 귀한 제어하면서 단기통 엔진을 구동시켰다. 또한 실린더 헤드에 설치한 압력 센서(Kistler, 6052C, range 0~25 MPa)의 신호는 신호증폭기(Kistler, 5011B)를 거쳐 연소해석기(D2T, Orisis evloution 3)에서 실린더 내 압력과 열 발생율을 계산하였다.
- 이를 3장 고속분무가시화 실험 결과와 같이 직접구동방식피에조 인젝터가 구동신호 후 시간기준으로 유압서보 피에조 인젝터에 비해 더 늦게 분사되는 것을 통해 확인하였다. 따라서 분사압력 30, 60 MPa인 경우 엔진회전수 1200 rpm 조건에서 2 CAD, 4 CAD로 실험조건 분사시기 대비 진각 시켜 유압서보 방식 피에조 인젝터의 실제 분사시작 시기와 동일하도록 하였다.
- 따라서, 엔진 실험에서 직접구동 피에조 인젝터의 실제 분사시기는 유압서보 피에조 인젝터 대비 엔진회전수 1200 rpm 그리고 30, 60 MPa조건에서 실제 분사시작 시간 차이만큼 각각 2°, 3°를 진각시켜 분사하였다.
- AC Dynamometer(Powertester사, 250 Nm, 50 kW)를 단기통 엔진 크랭크축에 연결하고 AC동력계의 회전수를 귀한 제어하면서 단기통 엔진을 구동시켰다. 또한 실린더 헤드에 설치한 압력 센서(Kistler, 6052C, range 0~25 MPa)의 신호는 신호증폭기(Kistler, 5011B)를 거쳐 연소해석기(D2T, Orisis evloution 3)에서 실린더 내 압력과 열 발생율을 계산하였다. 또한, 측정한 모터링 실린더 내 압력을 기준으로 TDC(Top Dead Center)를 결정하였고, 엔진의 크랭크 축에 설치한 Rotary encoder (Autonics, 1800 PPR)의 신호를 Pulse generator (ZB-100)로 받아 연료 분사시기 결정하였다.
- 냉각수 온도조절은 Open-loop방식으로 냉각수 입구, 출구 밸브 개도량을 조절하여 적절하게 유지하였다. 또한, 연료온도와 흡기온도는 연료-공기 혼합율에 영향을 미치기 때문에 연료온도는 냉각장치를 설치하여 온도를 유지시켰으며, 흡기온도는 흡기매니폴드 전단에 K-type 열전대를 설치하여 모니터링하였다.
- 또한 실린더 헤드에 설치한 압력 센서(Kistler, 6052C, range 0~25 MPa)의 신호는 신호증폭기(Kistler, 5011B)를 거쳐 연소해석기(D2T, Orisis evloution 3)에서 실린더 내 압력과 열 발생율을 계산하였다. 또한, 측정한 모터링 실린더 내 압력을 기준으로 TDC(Top Dead Center)를 결정하였고, 엔진의 크랭크 축에 설치한 Rotary encoder (Autonics, 1800 PPR)의 신호를 Pulse generator (ZB-100)로 받아 연료 분사시기 결정하였다.
- 배출가스를 측정하기 위해 샘플링 프로브는 배기 매니폴드 후단 15 cm에 설치하고 동일한 위치에 배기 온도 측정을 위한 K-type 열전대를 설치하였다. 입자상 물질 개수(Particle Number, PN) 측정을 위한 PPS(Pegasor, Pegasor Particle Sensor) 그리고 배출가스분석장치는CO, HC, NOX, CO2 및 O2를 측정할 수 있는 배기가스 분석기(Horiba, MEXA-554JKNOX)를 각각 사용하였다.
- 본 연구에서 사용한 횡형 자연흡기 단기통 디젤 엔진은 농기계용 직분사식 디젤 단기통엔진(ND10DE)의 기계식 플런져 인젝터에서 커먼레일용 직접분사 시스템으로 변경하였으며, 인젝터 장착과 압력센서 장착을 위해 실린더 헤드를 가공하였다. 단기통 디젤엔진의 상세제원은 Table 2에 나타내었다.
- 본 연구에서는 직접분사식 단기통 커먼레일 디젤엔진에 서로 다른 구동방식별(SI, PI, DPI) 인젝터 대상으로 분사압력, 분사시기 변화에 따른 연소실 압력, 열방출율과 배출가스 특성을 실험하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 피에조 인젝터 구동장치(ZB-6200), 솔레노이드 인젝터구동장치(ZB-5100) 그리고커먼레일제어장치(ZB-9013)를 각각 사용하였다. 연료 분사량 측정은 고정밀 전자저울(AND사, GF-4000)를 사용하여 1000회 분사하고 이를 3회 반복하여 평균을 내었다. 연료온도에 따라 측정되는 연료 무게가 틀려지기 때문에 연료온도는 연료탱크 내K-type 열전대를 설치하고 라디에이터-팬을 이용하여 일정한 온도를 유지시켰다.
- 배출가스를 측정하기 위해 샘플링 프로브는 배기 매니폴드 후단 15 cm에 설치하고 동일한 위치에 배기 온도 측정을 위한 K-type 열전대를 설치하였다. 입자상 물질 개수(Particle Number, PN) 측정을 위한 PPS(Pegasor, Pegasor Particle Sensor) 그리고 배출가스분석장치는CO, HC, NOX, CO2 및 O2를 측정할 수 있는 배기가스 분석기(Horiba, MEXA-554JKNOX)를 각각 사용하였다.
대상 데이터
- Photo. 1은 본 연구에 사용한 구동방식이 다른 피에조 인젝터를 분해한 사진이다. 직접구동방식 인젝터(사진 아래)는 기존 유압서보 인젝터와 다르게 유압회로 없이 충 방전에 따라 피에조 스택이 변위가 생기고 니들 변위 증폭기 역할을 하는 탄성체를 거쳐 니들을 직접 구동하는 특징이있다.
- 최대 200 MPa까지 가압할 수 있는 고압 펌프(Bosch, CP4S1)는 DC모터와 벨트를 연결해서 구동 시켰다. 피에조 인젝터 구동장치(ZB-6200), 솔레노이드 인젝터구동장치(ZB-5100) 그리고커먼레일제어장치(ZB-9013)를 각각 사용하였다. 연료 분사량 측정은 고정밀 전자저울(AND사, GF-4000)를 사용하여 1000회 분사하고 이를 3회 반복하여 평균을 내었다.
이론/모형
- 2는 엔진 실험장치 구성을 나타낸 것이다. 연료 분사는 연료 분사시스템 구성은 EDC 17용 커먼레일 시스템(Bosch)을 적용하였다. 최대 200 MPa까지 가압할 수 있는 고압 펌프(Bosch, CP4S1)는 DC모터와 벨트를 연결해서 구동 시켰다.
성능/효과
- 1) 고속 분무가시화 실험결과, 직접구동 피에조 인젝터는 유압서보 인젝터에 비해 동일한 분사조건에서 분무기간이 더 짧아 고속분무 성능이 더 뛰어난 것을 알 수 있었다.
- 2) 디젤 엔진 연소 실험을 통해 직접구동 피에조 인젝터와 유압서보 인젝터를 비교한 결과, 분사시기, 분사압력을 변화시키고 동일 연료 분사량 조건에서 높은 연소실 내 압력과 점화지연기간 감소로 인해 예혼합 연소상이 진각 되었고, 상대적으로 빠른 분사율로 인해 예혼합 연소상과 제어 연소상 구간에서 열 방출율이 더 큰 경향이 나타난 것을 알 수 있었다. 따라서 직접구동방식 피에조 인젝터는 유압서보 방식 인젝터에 비해 빠른 연소 속도에 의한 높은 열 방출율 특성을 가짐을 알 수 있었다.
- 3) 그리고 직접구동 피에조 인젝터는 높은 열 방출율로 인해 NOX 배출은 증가하였지만, HC, CO 배출특성은 구동방식별 인젝터에 따른 배출량 차이는 그다지 크지 않음을 알 수 있었다.
- PPS 사용하기 전의 초기 분위기 상태는 PN(particle number) 0.007×106/cm3 이며, 이를 감안하여 측정한 결과, NOX 배출특성과 대체서보인젝터 대비 높은 PN 배출 특성을 가지는 것을 알 수 있었는데, PPS의 계측범위는 최소 수 nm ~ 23 nm에서 최대 2.5 μm로 직접구동 피에조 인젝터의 경우, 상대적으로 입자개수의 농도가 크게 계측되었다.
- 8은 분사시기, 분사압력 변화에 따른 구동방식별 인젝터의 배출가스 특성을 나타낸 것이다. 대체적으로 분사시기가 진각 될수록, 분사압력이 낮을수록 NOX 배출량은 적어짐을 확인 할 수 있었다. 직접구동 피에조 인젝터의 경우 유압서보 인젝터에 비해 높은 NOX 배출량을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
- 1 mg/stroke 조건에서 분사압력, 분사시기변화에 따른 실린더 내 압력과 열방출율을 나타낸 것이다. 동일 분사압력 기준에서 분사시기를 진각 시키면 점화지연기간이 길어지는 것을 알 수 있었다. 또한, 공기-연료가 예혼합기를 형성하는데 충분한 시간이 주어지기 떄문에 급격한 연소특성을 보임을 확인할 수 있었다.
- 2) 디젤 엔진 연소 실험을 통해 직접구동 피에조 인젝터와 유압서보 인젝터를 비교한 결과, 분사시기, 분사압력을 변화시키고 동일 연료 분사량 조건에서 높은 연소실 내 압력과 점화지연기간 감소로 인해 예혼합 연소상이 진각 되었고, 상대적으로 빠른 분사율로 인해 예혼합 연소상과 제어 연소상 구간에서 열 방출율이 더 큰 경향이 나타난 것을 알 수 있었다. 따라서 직접구동방식 피에조 인젝터는 유압서보 방식 인젝터에 비해 빠른 연소 속도에 의한 높은 열 방출율 특성을 가짐을 알 수 있었다.
- 동일 분사압력 기준에서 분사시기를 진각 시키면 점화지연기간이 길어지는 것을 알 수 있었다. 또한, 공기-연료가 예혼합기를 형성하는데 충분한 시간이 주어지기 떄문에 급격한 연소특성을 보임을 확인할 수 있었다. 특히, 분사압력60 MPa 조건에서예 혼합 연소상의 폭이 좁아지고 열방출율 상승이 급격히지는 것을 알 수있었다.
- 5,7,8) 그리고 점화지연기간이 짧아 예혼합 연소상이 상대적으로 진각 되어 있는 것을 확인 할 수 있었다. 또한, 동일한 분사시기를 가질 때, 분사압력이 높을수록 상대적으로 연료의무화되는 정도가 양호해 공기-혼합율 상승과 더불어 예혼합 연소상 그리고 제어 연소상 구간에서의 열 방출율이 높은 것을 알 수 있었다.
- 실험결과 직접구동 방식 피에조 인젝터는 ‘방전 시 분사’되는 구동조건 때문에 본 연구에서 사용한 피에조 구동장치는 ‘충전 시 분사’하도록 하는 구동방식만을 지원하기 때문에 트리거 후 실제 분사시작(SOI)은 늦지만 SOI 이후 분무기간(spray duration)은 더 짧은 것을 알 수 있었다.
- 본 연구에서 사용한 범용 피에조 인젝터 구동장치는 ‘충전 시 분사’구동로직만을 지원하기 때문에‘방전 시 분사’구동로직을 필요로 하는 직접구동 방식 피에조 인젝터와 분사시기에 차이가 발생한다. 이를 3장 고속분무가시화 실험 결과와 같이 직접구동방식피에조 인젝터가 구동신호 후 시간기준으로 유압서보 피에조 인젝터에 비해 더 늦게 분사되는 것을 통해 확인하였다. 따라서 분사압력 30, 60 MPa인 경우 엔진회전수 1200 rpm 조건에서 2 CAD, 4 CAD로 실험조건 분사시기 대비 진각 시켜 유압서보 방식 피에조 인젝터의 실제 분사시작 시기와 동일하도록 하였다.
- 대체적으로 분사시기가 진각 될수록, 분사압력이 낮을수록 NOX 배출량은 적어짐을 확인 할 수 있었다. 직접구동 피에조 인젝터의 경우 유압서보 인젝터에 비해 높은 NOX 배출량을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 연소 특성 해석결과와 같이 열 방출율이 높아 상대적으로 실린더 내 연소열에 의한 것으로 판단된다.
- 또한, 공기-연료가 예혼합기를 형성하는데 충분한 시간이 주어지기 떄문에 급격한 연소특성을 보임을 확인할 수 있었다. 특히, 분사압력60 MPa 조건에서예 혼합 연소상의 폭이 좁아지고 열방출율 상승이 급격히지는 것을 알 수있었다.
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