[논문]승용 디젤 엔진의 배기가스재순환 및 연료 분사 압력 제어전략에 따른 연소, 입자상 물질 및 질소 산화물 배출 특성에 관한 연구

유정빈; 고아현; 장원욱; 백승하; 진동영; 명차리; 박심수; 한정원

doi:10.7467/ksae.2014.22.7.008

승용 디젤 엔진의 배기가스재순환 및 연료 분사 압력 제어전략에 따른 연소, 입자상 물질 및 질소 산화물 배출 특성에 관한 연구
Experimental Evaluation of EGR and Fuel Injection Pressure on Combustion, Size-resolved Nano-particle and NOx Emissions Characteristics in an Advanced Light-duty Diesel Engine 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.22 no.7, 2014년, pp.8 - 15

유정빈 (고려대학교 기계공학과) , 고아현 (고려대학교 기계공학과) , 장원욱 (고려대학교 기계공학과) , 백승하 (고려대학교 기계공학과) , 진동영 (고려대학교 기계공학과) , 명차리 (고려대학교 기계공학과) , 박심수 (고려대학교 기계공학과) , 한정원 (현대자동차 성능시험팀)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to satisfy stringent future emission regulation in diesel engines, systematic approaches to mitigate the harmful exhaust emissions were developed, such as engine hardware, fuel injection equipment, engine control, and after-treatment system. In this study, to improve the nano-particle and NOx emissions from a state-of-the-arts diesel engine, effect of various EGR and fuel injection pressure with combustion analysis were evaluated. Size-resolved nano-particle and NOx emissions showed trade-off characteristics with various EGR rate and increment of fuel injection pressure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 실험은 EGR 및 연료 분사 압력 변화가 디젤 엔진 배기가스의 질소 산화물 및 입자상 물질의 개수농도 변화에 미치는 영향을 분석하는 것을 주 목적으로 한다.
본 실험은 EGR 및 연료 분사 압력 변화를 이용하여 승용 디젤 엔진의 배기가스 배출 특성을 개선하는 방법에 관한 실험이다. 실험에 사용된 엔진은 직렬 4 기통 1.

제안 방법

1,250 rpm / BMEP 2.0 bar의 경우 max-EGR에서, 1,250 rpm / BMEP 4.0 bar에서는base-EGR에서 최소 연료 분사 압력을 기준으로 분사 압력을 상승시키며 배기가스의 질소 산화물과 입자상 물질의 개수농도를 측정하였다.
2) 연료 분사 압력 변경 실험은 1,250 rpm / BMEP 2.0 bar / max-EGR에서, 1,250 rpm / BMEP 4.0 bar / base-EGR에서 최소 연료 분사 압력을 기준으로 연료 분사 압력을 증가시키며 실험을 진행하였다. 연료 분사 압력을 증가시키면 연료 액적이 더욱 미립화되어 연료와 공기의 접촉 면적이 증가하므로 연소 효율이 증가하고 연소 시간이 단축된다.
EGR rate 변경 실험에서는, EGR rate를 증가시킬 경우 연소 효율 감소로 인하여 엔진 출력이 감소되므로 엔진의 출력을 동일하게 유지하며 시험을 진행하였다. 또한 EGR rate 상승으로 인한 연소 안정성 저하를 고려하여 최대 EGR rate를 결정하였다.
EGR rate와 연료 분사 압력을 변경시키며 엔진의 배출 특성을 분석하였다.
EGR 변경 실험은 EGR을 사용하지 않은 경우 (non-EGR)부터 최대 EGR rate(max-EGR)까지 증가시키며 진행하였고, 연료 분사 압력 변경 실험은 연소를 악화시키지 않는 압력을 최소 기준으로 정하고 압력을 점차적으로 증가시키며 진행하였다.
연료 분사 압력을 증가시키면 연료 액적이 더욱 미립화되어 연소 시간이 단축되는데, 이것으로 인해 TDC 부근에서 연소가 완료됨에 따라 연소 최고 온도를 상승시킨다. 따라서 질소 산화물의 생성량이 증가하는데, 본 실험에서는 질소 산화물의 증가분을 최소화하기 위하여 흡입 공기량을 조금씩 감소시켰다.
EGR rate 변경 실험에서는, EGR rate를 증가시킬 경우 연소 효율 감소로 인하여 엔진 출력이 감소되므로 엔진의 출력을 동일하게 유지하며 시험을 진행하였다. 또한 EGR rate 상승으로 인한 연소 안정성 저하를 고려하여 최대 EGR rate를 결정하였다.
하지만 EGR rate를 상승시키면 입자상 물질의 생성량이 증가하기 때문에, 적절한 연소 조건 변화를 통하여 입자상 물질의 생성을 억제해야 한다. 본 실험에서는 입자상 물질의 생성을 억제하는 방법으로 연료 분사 압력을 선정하였으며, 연료 분사 압력은 NOx가 크게 증가하지 않는 범위까지 증가시키며 실험을 진행하였다.
Table 6은 엔진 실험의 운전 조건이다. 본 실험은 NEDC(New European Driving Cycle) 모드 에서 많이 사용되는 부하 조건인 1,250 / 1,500 rpm, BMEP 2.0 / 4.0 / 6.0 bar에서 진행하였다.
본 연구에서는 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 과 연료 분사 압력 변화를 이용하여 디젤 엔진의 배출가스 저감에 초점을 맞추었다. EGR은 엔진에서 배출되는 배기의 일부를 흡기계로 재순환시켜 실린더 내로 들어가는 공기의 일부를 배기로 치환하는 기술로써, 디젤 엔진에서 발생하는 질소 산화물의 저감을 위해 빈번하게 사용된다.
)는 80℃로 고정하였다. 엔진에서 배출되는 질소 산화물은 NOx 센서를 이용하여 측정하였고, 입자상 물질은 DMS(Differential Mobility Spectrometer, 고속입자상 물질 분석기)를 이용하여 측정하였으며, 엔진에서 배출되는 배기가스는 DPF¹⁶⁾의 영향을 배제하기 위하여 DPF 전단에서 측정하여 분석하였다. 실험에 사용된 장비의 사양은 Table 3, 4, 5에 나타나 있다.
증가한 입자상 물질을 억제하는 방법으로 연료 분사 압력 변경실험을 진행하였으며, 연료 분사 압력 변화가 디젤 엔진의 배출 특성에 미치는 영향을 분석하였다.
0 bar / base-EGR에서 연료 분사 압력을 증가시켰을 때의 질소 산화물과 입자상 물질의 개수 농도를 나타낸다. 추가적으로 1,250 rpm / BMEP 4.0 bar에서는 최대 연료 분사 압력에서 EGR rate을 증가시킨 조건(base-EGR+)에서 배출 특성을 평가하였다.

대상 데이터

본 실험은 EURO 5 규제를 만족하는 1.6L 디젤 엔진을 사용하여 진행하였다.
본 실험은 EGR 및 연료 분사 압력 변화를 이용하여 승용 디젤 엔진의 배기가스 배출 특성을 개선하는 방법에 관한 실험이다. 실험에 사용된 엔진은 직렬 4 기통 1.6 L 급 디젤 엔진이고, 연료 분사 시스템은 CRDI이며, 터보차저 및 EGR, 후처리 장치가 부착되어 있다.

성능/효과

1) EGR은 실린더 내 연소 시 산소 농도 감소 및 열 용량 증가로 연소 최고 온도를 낮추는 역할을 하여 질소 산화물의 생성을 억제한다. 하지만 EGR로 인한 공기-연료 혼합기의 산소 농도 감소와 재순환된 배기의 소염 층 형성으로 연소 효율이 저하되어 입자상 물질의 생성량이 증가하였다.
1,250 rpm / BMEP 4.0 bar / base-EGR+ 에서는EGR rate의 증가로 인한 배기가스의 농도 변화가 나타났지만, 결과적으로 최소 연료 분사 압력 조건 대비 질소 산화물은 약 31% 저감되고, 입자상 물질은 약 49% 저감되었다.
3) 1,250 rpm / BMEP 2.0 bar / max-EGR 최대 연료 분사 압력 및 1,250 rpm / BMEP 4.0 bar / base-EGR+의 경우 EGR 및 연소 조건의 변화를 이용하여 연소 온도를 저하시킴으로써⁹⁾ 질소 산화물과 입자상 물질을 모두 저감시키는 결과가 나타났다.
3,8) EGR을 이용하여 신기의 일부를 배기로 치환하면 산소 농도가 감소하고 CO₂, H₂O 등을 포함한 배기로 인하여 열용량이 증가하므로 연소 온도가 저하된다. 이러한 현상(연소 온도 저하)으로 인해 질소 산화물의 생성이 억제된다.
추가적으로 EGR로 인한 연소 온도 감소는 유기 성분의 생성량을 증가시키고 입자들의 응집을 촉진시켜 입자상 물질의 입경을 증가시킨다. 그 결과 EGR rate를 증가시키면 100 nm 부근의 축적모드 입자의 생성량이 크게 증가하는 것으로 나타났다.
전체적으로 EGR rate가 증가할수록 질소 산화물은 감소하고 입자상 물질은 증가한다. 모든 실험 운전 조건에서 non-EGR 대비 max-EGR에서 질소 산화물 농도가 80% 이상 감소하였다.
하지만 EGR로 인한 공기-연료 혼합기의 산소 농도 감소와 재순환된 배기의 소염 층 형성으로 연소 효율이 저하되어 입자상 물질의 생성량이 증가하였다. 실험 결과 EGR rate를 증가시키면 질소 산화물은 감소하고 입자상 물질은 증가하는 결과가 나타났다.
실험 결과 두 조건 모두 최대 연료 분사 압력에서 입자상 물질의 농도가 50% 이상 감소하였는데, 이것은 연료 액적의 미립화로 인한 연소 효율 증가에 기인한 것으로 판단된다.
실험 결과 연소과정이 전체적으로 지각되는 것으로 나타났으며, 이러한 연소 분석을 통해 EGR이 증가할수록 연소 효율이 저하되는 것을 확인할 수 있었다.
2는 각각의 운전 조건에서 non-EGR 및 max-EGR의 50 cycle의 평균 IMEP(Indicated Mean Effective Pressure)를 이용하여 계산한 연소 안정성 값을 나타낸다. 실험에서 설정된 모든 운전 조건에서 EGR rate가 증가할 때 CoV(Coefficient of Variation)값이 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 EGR rate를 증가시킬수록 흡기 내의 배기의 양이 증가하여 실린더 내 산소 농도를 감소시키고, 재순환된 배기가스에 의한 소염(Quenching)으로 인하여 연소가 불안정해지기 때문이다.
6 ~ 9는 각각의 운전조건에서 EGR rate 변화에 따른 배기가스의 질소 산화물과 입자상 물질의 개수농도를 나타낸다. 전체적으로 EGR rate가 증가할수록 질소 산화물은 감소하고 입자상 물질은 증가한다. 모든 실험 운전 조건에서 non-EGR 대비 max-EGR에서 질소 산화물 농도가 80% 이상 감소하였다.
10 ~ 13은 각각의 운전조건에서 EGR rate 변화에 따른 입자상 물질 입경의 분포 특성을 나타낸다. 전체적으로 EGR rate를 증가시킬수록 입자상 물질의 농도가 증가하는 경향이 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차에서 배출되는 질소 산화물 및 입자상 물질의 문제점은?	자동차에서 배출되는 배기가스는 대기오염의 주요한 원인으로써, 세계적으로 자동차에서 배출되는 배기가스 규제를 점점 강화하는 추세이다. 자동차에서 배출되는 질소 산화물 및 입자상 물질은 중추신경 및 호흡기를 자극하고 산성비 및 대기 중에서 화학 반응으로 광화학 스모그를 생성하는 것으로 알려져 있다.1,2)
	EGR은 무엇인가?	본 연구에서는 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 과 연료 분사 압력 변화를 이용하여 디젤 엔진의 배출가스 저감에 초점을 맞추었다. EGR은 엔진에서 배출되는 배기의 일부를 흡기계로 재순환시켜 실린더 내로 들어가는 공기의 일부를 배기로 치환하는 기술로써, 디젤 엔진에서 발생하는 질소 산화물의 저감을 위해 빈번하게 사용된다. 하지만 질소 산화물을 줄이기 위하여 사용하는 EGR은 실린더 내 연소를 악화시켜 입자상 물질의 생성량을 증가시키는 것으로 알려져 있다.

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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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