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문제 정의
- 본 연구에서는 기존 LPG엔진에 헤드의 재설계를 통해 분무유도방식을 적용한 초희박연소를 구현하였고, 직접분사식 초희박 LPG 엔진을 통하여 공기과잉률 변화에 따른 연소특성을 관찰한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 현재 양산되고 있는 가솔린 엔진에 직접분사식 초희박 연소기술과 LPG 연료 공급 기술을 적용하기 위해 엔진 및 주변장치를 변경하였다. Fig.
- 그러나 희박한계조건에서의 연료소비율 감소폭이 이론공연비조건에 비해 크지 않고, 희박연소 조건에서 삼원촉매의 사용이 어려운 점을 고려할 때 370 ppm 수준의 질소산화물 배출은 상용화에 문제점으로 작용할 것으로 보인다. 이에 예혼합기를 이용한 희박연소 조건과 연료소비율 및 배출가스 특성을 비교하여 상용화 타당성을 검토하였다.
제안 방법
- 전략을 적용했을 때 열효율 증가와 안정적인 연소안정성을 확보할 수 있음을 확인하였다.10) 따라서 본 연구에서도 I.S.I전략을 이용하여 공기과잉률의 변화에 따른 연소특성을 파악하였다. 이때 분사비율은 첫 번째와 두 번째 연료 분사에 대해서 각각 50%, 50%의 분사비율로 I.
- 최적 분사시기와 점화시기는 연료소비율이 가장 낮을 때로 정의하였고 최적 타이밍은 Table 2에 나타내었다. 공기과잉률은 전자식 스로틀 밸브의 개도를 조절하여 이론공연비 조건에서 희박연소한계영역까지 0.2 단위로 증가시키며 실험을 수행하였다. 단, 연료분사시기가 BTDC(Before top dead cener) 330 CAD(Cranke angle degree)에 해당하는 조기연료분사를 적용한 예혼합연소조건에서는 예혼합기에 의한 연소상태가 연소안정성을 확보하는 조건까지 측정하였다.
- 연료분사 압력은 PCV(Pressure Control Valve)를 통해 20 MPa로 일정한 압력을 유지하였고 피에조 인젝터 드라이버와 범용 ECU(Engine Control Unit)를 사용하여 연소실에 공급되는 연료 분사량, 연료 분사시기 및 점화시기를 제어하였다. 공기과잉률을 측정하기 위해서 배기 매니폴드와 각각의 실린더 내에 광역산소센서(LSU 4.2 / LA4, ETAS Co.)를 설치하여 연소된 혼합기의 상태를 실시간으로 측정하였다. 연소실 내의 연소특성을 파악하기 위해 실린더 내부에 압력센서를 장착하였다.
- 기존 MPI 방식의 승용차량용 2L급 가솔린 엔진의 헤드를 재설계하여 분무유도방식(Spray guided type)을 적용하였으며, 엔진의 제원을 Table 1에 나타내었다.
- 2 단위로 증가시키며 실험을 수행하였다. 단, 연료분사시기가 BTDC(Before top dead cener) 330 CAD(Cranke angle degree)에 해당하는 조기연료분사를 적용한 예혼합연소조건에서는 예혼합기에 의한 연소상태가 연소안정성을 확보하는 조건까지 측정하였다. 순환되는 냉각수의 온도는 엔진을 Warm-up 시켜 80 ± 2℃로 유지되도록 냉각수 온도 조절 시스템을 설정하였다.
- 따라서 본 연구에서는 분무유도방식을 적용한 직접분사식 가스엔진에서 연소전략 및 공기과잉률의 변화에 따른 연소 및 배기특성을 파악하고, 기존의 포트분사방식 엔진의 연소와 유사한 예혼합연소조건과 희박연소 구현을 위한 성층희박연소 조건에 대해서 각각 연비와 배출가스 특성을 비교하였다.
- )를 통해서 실시간으로 계산되는 도시평균유효압력(Indicated Mean Effective Pressure; IMEP)과 변동계수(Coefficient of variation; COV) 값을 확인하고, 변동계수를 나타내는 연소안정성인 COVIMEP 값은 200 싸이클에 해당하는 연소실 압력을 측정하여 계산하였다. 배기관에 배기가스 측정 라인을 설치하여 빠져나오는 배기가스를 포집하여 배기가스분석기(AMA i60, AVL Co.)를 통해 배기가스를 분석하였다.
- 본 연구의 실험조건은 승용차량에서 주로 많이 사용되고 평가되고 있는 2000 rpm의 회전수 및 BMEP(Brake Mean Effective Pressure) 0.4 MPa의 부하조건에서 실험을 수행하였다. 최적 분사시기와 점화시기는 연료소비율이 가장 낮을 때로 정의하였고 최적 타이밍은 Table 2에 나타내었다.
- 가장 낮은 COVIMEP 값과 연료소비율을 나타내는 최적점화시기는 BTDC 35 CAD로 나타났으며, 연소상의 진각에 의한 조기 열방출의 영향보다는 연소안정성에 의한 영향이 크게 나타나는 결과를 보인다. 상기와 같은 결과를 통해서 성층희박연소 조건에서의 최적 연료분사시기와 최적 점화시기는 각각 BTDC 47 CAD 와 BTDC 35 CAD로 선정하여 공기과잉률의 변화에 따른 연소특성을 관찰하였다.
- 순환되는 냉각수의 온도는 엔진을 Warm-up 시켜 80 ± 2℃로 유지되도록 냉각수 온도 조절 시스템을 설정하였다.
- 연소실 내의 연소특성을 파악하기 위해 실린더 내부에 압력센서를 장착하였다. 압력 센서로 측정되는 신호를 연소해석기(Osiris, D2T Co.)를 통해서 실시간으로 계산되는 도시평균유효압력(Indicated Mean Effective Pressure; IMEP)과 변동계수(Coefficient of variation; COV) 값을 확인하고, 변동계수를 나타내는 연소안정성인 COVIMEP 값은 200 싸이클에 해당하는 연소실 압력을 측정하여 계산하였다. 배기관에 배기가스 측정 라인을 설치하여 빠져나오는 배기가스를 포집하여 배기가스분석기(AMA i60, AVL Co.
- 연료분사기는 외부 개방형 노즐(outwardly opening nozzle)을 갖는 피에조 타입을 사용하였고 상기의 연료분사기를 이용할 경우 싸이클당 최대 4회의 다단분사가 가능하다. 연료분사 압력은 PCV(Pressure Control Valve)를 통해 20 MPa로 일정한 압력을 유지하였고 피에조 인젝터 드라이버와 범용 ECU(Engine Control Unit)를 사용하여 연소실에 공급되는 연료 분사량, 연료 분사시기 및 점화시기를 제어하였다. 공기과잉률을 측정하기 위해서 배기 매니폴드와 각각의 실린더 내에 광역산소센서(LSU 4.
- 고압연료 펌프는 3개의 피스톤으로 구성되어 있어 최대 25 MPa까지 가압이 가능한 플런저 타입의 펌프이다. 연료분사기는 외부 개방형 노즐(outwardly opening nozzle)을 갖는 피에조 타입을 사용하였고 상기의 연료분사기를 이용할 경우 싸이클당 최대 4회의 다단분사가 가능하다. 연료분사 압력은 PCV(Pressure Control Valve)를 통해 20 MPa로 일정한 압력을 유지하였고 피에조 인젝터 드라이버와 범용 ECU(Engine Control Unit)를 사용하여 연소실에 공급되는 연료 분사량, 연료 분사시기 및 점화시기를 제어하였다.
- 이론공연비 조건은 조기연료분사를 적용한 예혼합연소 조건의 결과를 나타낸 것 으로 조기연료분사 시 다단분사에 의한 효과가 거의 없기 때문에 단분사만을 적용하였다. 이때 다단분사의 경우에도 상기와 같은 점화시기와 연료분사 시기의 변화에 따른 최저 연료소비율을 확인한 후 각각의 최적 연료분사시기 및 점화시기를 결정하였으며, 2회의 연료분사 후에 점화를 일으키는 일반적인 다단분사 전략이 아닌 I.S.I.(Inter-Injection Spark Ignition) 분사방식을 이용하였다. I.
- 이때 분사되지 않고 재순환되는 연료의 온도가 상승하게 되면 온도변화에 따라 포화증기압의 변화가 큰 LPG 연료의 특성 때문에 고압펌프로의 연료 공급이 어려울 수 있다. 이에 재순환되는 연료공급 유로의 중 간에 열교환기를 설치하여 고압펌프로 공급되는 연료의 온도를 일정하게 유지시켰다. 고압연료 펌프는 3개의 피스톤으로 구성되어 있어 최대 25 MPa까지 가압이 가능한 플런저 타입의 펌프이다.
- 정상 희박연소상태에서 점화시기의 변경에 따른 영향을 살펴보기 위해, 상기의 실험에서 확인된 최적연료분사시기와 점화시기간의 간격인 12 CAD를 유지한 조건에서 점화시기를 BTDC 39 CAD부터 29 CAD까지 변경하면서 연료소비율과 연소안정성의 변화를 살펴보았다. 가장 낮은 COVIMEP 값과 연료소비율을 나타내는 최적점화시기는 BTDC 35 CAD로 나타났으며, 연소상의 진각에 의한 조기 열방출의 영향보다는 연소안정성에 의한 영향이 크게 나타나는 결과를 보인다.
성능/효과
- 1) 성층희박연소 조건에서 I.S.I 전략을 이용한 다단분사 조건의 경우 달리 단분사 조건에 비해 상대적으로 공기과잉률에 대한 영향이 크게 나타났다.
- 2) I.S.I 전략을 이용한 다단분사 조건의 경우 단분사조건에 비해 연소속도가 빠르고, 급격한 열방출 이후 열손실에 의한 음의 열방출 폭이 단분사조건에 비해 크게 나타났다.
- LPG연료와 직접분사 기술을 접목시킨 LPG직분사 연소기술은 LPG연료를 연소실 내로 직접 분사함으로써 연료제어의 정확도를 향상시키고, 이에 따라 연소효율의 극대화가 가능한 기술이다.2-4) 기존의 MPI(Multi point injection)방식의 연소시스템에 비해 체적효율 증가 및 펌핑손실 저감에 따른 출력 및 연비개선을 통해 엔진효율의 향상이 가능하게 되었다.
- 3) 예혼합기를 이용한 희박연소의 경우 성층희박연소 조건에 비해 질소산화물의 배출이 높거나, 비슷한 질소산화물 수준의 조건에서 연료소비율 및 탄화수소의 배출이 높게 나타났다.
- 4) 성층희박연소 조건의 경우 공기과잉률에 대한 민감도가 높지만, 예혼합연소조건에 비해 상대적으로 배출가스의 변화가 크지 않고 낮은 연료소비율을 보인다.
- (Inter-Injection Spark Ignition) 분사방식을 이용하였다. I.S.I. 분사전략은 최초 연료분사 이후에 점화를 일으키고 다시 연료를 분사하는 전략으로써, 선행연구를 통해 일반적인 다단분사 전략에 비해 I.S.I. 전략을 적용했을 때 열효율 증가와 안정적인 연소안정성을 확보할 수 있음을 확인하였다.10) 따라서 본 연구에서도 I.
- 정상 희박연소상태에서 점화시기의 변경에 따른 영향을 살펴보기 위해, 상기의 실험에서 확인된 최적연료분사시기와 점화시기간의 간격인 12 CAD를 유지한 조건에서 점화시기를 BTDC 39 CAD부터 29 CAD까지 변경하면서 연료소비율과 연소안정성의 변화를 살펴보았다. 가장 낮은 COVIMEP 값과 연료소비율을 나타내는 최적점화시기는 BTDC 35 CAD로 나타났으며, 연소상의 진각에 의한 조기 열방출의 영향보다는 연소안정성에 의한 영향이 크게 나타나는 결과를 보인다. 상기와 같은 결과를 통해서 성층희박연소 조건에서의 최적 연료분사시기와 최적 점화시기는 각각 BTDC 47 CAD 와 BTDC 35 CAD로 선정하여 공기과잉률의 변화에 따른 연소특성을 관찰하였다.
- 공기과잉률 1.2 조건에서 성층희박연소를 구현할 경우 조기연료분사와 지각연료분사의 중간영역에 해당하는 천이영역에 해당하는 운전 조건으로서 적절하게 성층혼합기가 형성되더라도 상대적으로 낮은 공기과잉률로 인해 공기이용률이 감소하기 때문에 불안정한 연소를 보이며 연료소비율이 급격하게 증가하였다. 공기과잉률이 1.
- 성층혼합기의 안정적인 희박연소로 인해 공기과잉율 2.3 수준의 초희박영역에서 펌싱손실 및 냉각 손실 등의 저감효과에 의한 연료소비율 감소를 확인하였고, 특히 I.S.I. 전략을 이용한 경우 이론공연비 수준의 탄화수소 배출과 함께 질소산화물이 큰 폭으로 감소함을 확인할 수 있었다. 그러나 희박한계조건에서의 연료소비율 감소폭이 이론공연비조건에 비해 크지 않고, 희박연소 조건에서 삼원촉매의 사용이 어려운 점을 고려할 때 370 ppm 수준의 질소산화물 배출은 상용화에 문제점으로 작용할 것으로 보인다.
- 2는 흡입공기량이 최대가 되도록 스로틀의 개도가 완전히 열린 상태인 WOT(Wide Open Throttle) 조건의 희박한 계영역에서 점화시기를 BTDC 35 CAD로 고정한 후 연료분사시기의 변경에 따른 연료소비율(BSFC; Brake Specific Fuel Consumption)과 연소안정성(COVIMEP)의 변화를 나타낸 그림이다. 연료분사시기의 경우 BTDC 47 CAD 조건에서 가장 안정적인 연소를 보이며 최저 연료소비율을 나타내었다. 이는 성층연소를 구현함에 있어서 단분사 조건의 경우 연료분사시기 이후 약 12 CAD의 간격을 두고 점화가 일어나는 것이 안정적인 희박연소에 가장 효과적임을 보여주는 결과로서, 연료분사시기와 점화시기간의 간격이 이보다 감소하거나 증가할 경우 점화가 일어나는 시기의 성층혼합기 형성이 적절하지 않은 것으로 예상할 수 있다.
- 연료분사시기의 경우 BTDC 47 CAD 조건에서 가장 안정적인 연소를 보이며 최저 연료소비율을 나타내었다. 이는 성층연소를 구현함에 있어서 단분사 조건의 경우 연료분사시기 이후 약 12 CAD의 간격을 두고 점화가 일어나는 것이 안정적인 희박연소에 가장 효과적임을 보여주는 결과로서, 연료분사시기와 점화시기간의 간격이 이보다 감소하거나 증가할 경우 점화가 일어나는 시기의 성층혼합기 형성이 적절하지 않은 것으로 예상할 수 있다. Oh 등8,9)의 연구결과에 따르면 연료분사시기가 점화시기에 비해 과도하게 진각되면 분무 확산에 의해 점화플러그 주위에 지나치게 희박한 혼합기가 형성되고, 이와 반대로 지각되면 높은 분위기 압력 조건에 의해 분무도달거리가 감소하거나 지나치게 농후한 혼합기가 형성되는 것으로 보고되고 있다.
- I전략을 이용하여 공기과잉률의 변화에 따른 연소특성을 파악하였다. 이때 분사비율은 첫 번째와 두 번째 연료 분사에 대해서 각각 50%, 50%의 분사비율로 I.S.I 전략을 적용하였으며, 해당 분사비율의 희박연소 한계 조건에서 안정적인 연소성능을 확보할 수 있었다.
- 2 조건에서 가장 낮은 연료소비율을 보였다. 이론공연비 조건에 비해 희박연소 효과에 의해 연소효율이 증가하면서 연비가 개선되었으나, 공기과잉률 1.4 조건에서 연소안정성이 악화되면서 연료소비율이 다시 증가되었다. 그러나 성층희박연소 조건과 비교할 때 COVIMEP 값이 비슷한 수준을 보이며 안정적인 연소 조건의 기준인 5% 이하에 해당하기 때문에 운전 가능한 영역으로 볼 수 있다.
- 4의 공기과잉률이 변경된 경우에 대하여 각각의 CA50 결과를 Table 3에 정리하여 나타내었다. 점화시기가 지각됨에 따라 CA50도 지각되었으며 최저 연료소모율을 보이는 최적 연료분사시기와 최적 점화시기인 BTDC 47 CAD 와 BTDC 35 CAD 조건에서 CA50은 약 ATDC 5 CAD로 나타났다. 이는 일반적인 가솔린 엔진의 경우에 비해 다소 진각되어 있는 결과이며, 분무유도방식 연소시스템의 특징으로 볼 수 있다.
- 11은 각각 공기과잉률 변화에 따른 탄화수소와 질소산화물 배출을 나타낸 것이다. 탄화수소의 배출특성을 보면 예혼합연소조건에서 혼합기가 희박해지더라도 공기과잉률 1.2까지는 거의 증가하지 않았으나, 그 이상의 공기과잉률 조건에서 연소의 불안정으로 배출량이 증가하였다. 질소산화물의 경우 공기과잉률의 증가에 따라 선형적으로 감소하는 일반적인 예혼합기의 희박연소 경향을 보이고 있다.
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