선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 소형디젤기관에서의 분사전략 변화에 따른 나노입자 배출량 변화를 비교 분석 하고자 하였다. PM의 경우 PMP에서 제시하고 있는 국제 표준 입자측정 방법인 희석장치와 CPC(Condensation Particle Counter) 장치를 사용하여 입자의 개수를 측정하여 분사전략과의 상관관계 및 나노입자의 성분 별 배출특성을 규명하고자 한다.
- 따라서 본 연구에서는 소형디젤기관에서의 분사전략 변화에 따른 나노입자 배출량 변화를 비교 분석 하고자 하였다. PM의 경우 PMP에서 제시하고 있는 국제 표준 입자측정 방법인 희석장치와 CPC(Condensation Particle Counter) 장치를 사용하여 입자의 개수를 측정하여 분사전략과의 상관관계 및 나노입자의 성분 별 배출특성을 규명하고자 한다.
- 본 연구에서는 3리터급 소형디젤기관의 미세입자 배출특성을 알아보기 위해 엔진 운전 조건별로 분사방법을 변경하여 고찰한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 1차 희석장치는 10개의 Cavity를 가지는 로터리 디스크 타입으로 입자 냉각에 의한 응축을 방지하기 위하여 채취된 시료를 150 ± 5℃로 가열하면서 희석하였으며, 희석비는 기관의 입자 배출특성에 따라 CPC에서의 측정 최고치가 10,000 #/cm3가 넘지 않는 범위 내에서 설정하였다.
- CPC를 이용한 나노입자의 CPC 측정 측정장비의 개수농도 측정가능 범위내 100#/cm3이 되도록 439:1 로 희석하였고 1차 희석터널인 CVS의 희석비는 5600kg/h로 조절하였으며, 1, 2차 싸이클론을 이용하여 2.5μm 이하의 입자만을 분석하였다.
- 본 연구에서는 분사시기 및 분사전략을 변화시켜가면서 연소특성 및 엔진 토크변화를 분석하였고 입자는 중량단위로 배출량을 계산하였다. 각 운전 조건별 연료분사 압력은 일정하게 유지하였으며 해당 엔진 회전속도에서의 최대 토크를 기준으로 엔진의 부하율이 30%, 80%인 APS(Accelerator Position Sensor)을 기준으로 실험 조건을 설정하였다. 엔진의 운전 조건은 Table 3에 나타내었다.
- 1차 희석장치는 10개의 Cavity를 가지는 로터리 디스크 타입으로 입자 냉각에 의한 응축을 방지하기 위하여 채취된 시료를 150 ± 5℃로 가열하면서 희석하였으며, 희석비는 기관의 입자 배출특성에 따라 CPC에서의 측정 최고치가 10,000 #/cm3가 넘지 않는 범위 내에서 설정하였다. 또한, 희석터널 내부에서 냉각에 의해 생성된 휘발성 입자를 제거하기 위하여 관 내부의 온도가 300℃로 가열되는 증발튜브를 사용하였으며, 휘발성입자의 경우 희석온도에 따라 측정되는 농도 변화가 커서 규제대상에 적합하지 않다는 판단하에 국제규격의 시험방법에서는 측정대상에서 제외되어 본 연구에서도 이를 적용하였다. 마지막으로 2차 희석장치에서 측정 장비의 개수농도 측정 가능 범위내로 2차 희석하여 시료온도 35℃ 이하 및 개수농도가 10,000 #/cm3이 되도록 조절하였다.
- 또한, 희석터널 내부에서 냉각에 의해 생성된 휘발성 입자를 제거하기 위하여 관 내부의 온도가 300℃로 가열되는 증발튜브를 사용하였으며, 휘발성입자의 경우 희석온도에 따라 측정되는 농도 변화가 커서 규제대상에 적합하지 않다는 판단하에 국제규격의 시험방법에서는 측정대상에서 제외되어 본 연구에서도 이를 적용하였다. 마지막으로 2차 희석장치에서 측정 장비의 개수농도 측정 가능 범위내로 2차 희석하여 시료온도 35℃ 이하 및 개수농도가 10,000 #/cm3이 되도록 조절하였다.
- 본 연구를 위해서 연료 분사압력, 연료 분사 전략, 분사시기 등 각종 제어를 위해서 엔진 ECU 제어를 통해 실험 조건을 일정하게 유지하였다. 엔진 제어 장비는 ETAS사의 INCAV5.
- 본 연구에 적용된 시스템은 분사패턴의 변경이 가능한 시스템으로 구성하였으며 파일럿 분사 2회, 메인 분사, 포스트 분사 2회 총 5회를 분사할 수 있도록 시스템으로 구성하였다. 분사전략에 따른 연소 특성을 분석하는 실험에서는 메인 분사, 메인분사 + 파일럿 1회, 메인분사 + 파일럿 2회의 세 가지 경우로 나누어 실험하였다.
- 본 연구에서는 분사시기 및 분사전략을 변화시켜가면서 연소특성 및 엔진 토크변화를 분석하였고 입자는 중량단위로 배출량을 계산하였다.
- 분사전략에 따른 연소 특성을 분석하는 실험에서는 메인 분사, 메인분사 + 파일럿 1회, 메인분사 + 파일럿 2회의 세 가지 경우로 나누어 실험하였다. 분사시기의 경우 메인 분사는 크랭크각도를 기준으로 정하였고, 파일럿 분사는 메인 분사시기를 기준으로 시간단위로 제어하였다. Fig.
- 본 연구에 적용된 시스템은 분사패턴의 변경이 가능한 시스템으로 구성하였으며 파일럿 분사 2회, 메인 분사, 포스트 분사 2회 총 5회를 분사할 수 있도록 시스템으로 구성하였다. 분사전략에 따른 연소 특성을 분석하는 실험에서는 메인 분사, 메인분사 + 파일럿 1회, 메인분사 + 파일럿 2회의 세 가지 경우로 나누어 실험하였다. 분사시기의 경우 메인 분사는 크랭크각도를 기준으로 정하였고, 파일럿 분사는 메인 분사시기를 기준으로 시간단위로 제어하였다.
- 소형디젤기관을 이용하여 나노입자를 측정하기 위해 엔진동력계 시스템과 정용량시료채취장치(CVS : Constant volume sampler)를 이용하였으며 분석장치를 포함한 전체 시스템 개략도는 Fig. 1에 나타내었다.
- 디젤기관의 입자상물질을 측정하기 위한 시료 채취 장치로는 마이크로터널방식의 입자상물질 측정장치를 사용하였다. 이 장치는 디젤 차량에서 배출되는 배기가스 중 일부를 포집하여 테프론으로 코팅된 유리섬유 여지에 입자상물질을 포집하는 장치로서 포집된 입자상물질은 정확한 측정을 위해 항온항습기내에서 전자저울을 이용하여 측정하였으며, 입자상물질 시료채취장치의 제원은 Table 2에 나타내었다.
- 주요 장치는 사이클론, 1, 2차 희석터널, 증발튜브 및 CPC (TSI 3010D) 로 구성되어 있으며, 시료는 CVS 시스템내의 PM을 샘플링에 영향을 주지 않기 위해 PM 샘플링 프로브 후단에서 채취하였고, 터널내부의 흡착되어 있는 조대입자가 샘플링장치로 흡입되는 것을 막기 위해 사이클론을 사용하여 2.5μm 이상 크기의 입자를 제거하였다.
대상 데이터
- 디젤기관의 입자상물질을 측정하기 위한 시료 채취 장치로는 마이크로터널방식의 입자상물질 측정장치를 사용하였다.
- 본 연구에 사용한 기관은 배기량 2959cc 커먼레일 기술을 적용한 기관이다. Table 1, Fig.
- 본 연구를 위해서 연료 분사압력, 연료 분사 전략, 분사시기 등 각종 제어를 위해서 엔진 ECU 제어를 통해 실험 조건을 일정하게 유지하였다. 엔진 제어 장비는 ETAS사의 INCAV5.4 프로그램과 엔진을 제어하는 EDC16 ETK ECU, 그리고 프로그램과 ECU를 연결해주는 Interface Box인 ETAS사의 ES690를 사용하였다. 연소해석을 위해 AVL사의 AVL INDICOM Combustion Analyzer를 사용하였으며, 데이터의 신뢰성을 높이기 위해서 1 사이클 당 720개의 데이터를 취득하였고 300사이클의 데이터를 평균하여 사용하였다.
- 4 프로그램과 엔진을 제어하는 EDC16 ETK ECU, 그리고 프로그램과 ECU를 연결해주는 Interface Box인 ETAS사의 ES690를 사용하였다. 연소해석을 위해 AVL사의 AVL INDICOM Combustion Analyzer를 사용하였으며, 데이터의 신뢰성을 높이기 위해서 1 사이클 당 720개의 데이터를 취득하였고 300사이클의 데이터를 평균하여 사용하였다. 엔진에는 연소해석을 위해 실린더 헤드에 Kistler사의 피에조 타입 압력 센서를 장착하였다.
성능/효과
- 1) 메인분사만 실시했을 경우 분사시기 지각에 따라 IMEP는 감소하였는데, 이는 분사가 지각되면 예혼합 연소기간이 짧아져 연소효율이 감소함에 의한 것으로 판단된다.
- 1,2) 특히, 기존의 디젤기관에서 문제되어 왔던 입자상 물질과 질소산화물은 DPF (Diesel Particulate Filter)와 SCR (Selective Catalytic Reduction) 등의 후처리 장치를 이용한 저감이 가능해졌다.3,4) 그러나 2011년 9월부터 실시된 EURO 5b부터 반영된 PM 입자개수에 대한 규제는 디젤뿐만 아니라 가솔린 차량에서도 큰 과제로 남아있는 상태이다.
- 2) 엔진의 토크 특성은 분사시기가 지각될수록 토크가 감소하는 경향을 보였으며, 파일럿 분사회수의 증가에 따라 감소하는 경향을 보였다.
- 3) 나노입자의 배출량은 파일럿 분사 횟수가 증가하고 엔진부하율이 적을수록 증가하는 특징을 나타냈다.
- 30% 부하조건에서 메인분사만 실시하였을 경우 착화지연으로 인해 TDC를 지나 급격한 연소압력 증가를 보이고 있으며, 파일럿 분사가 추가됨에 따라 압력상승이 완만히 일어나 최고 연소압력은 낮아지며, 최대 열 발생률은 감소하지만 연소압력이 상승하는 시점이 빨라짐을 확인할 수 있다.
- 4) PM의 중량은 부하가 적을수록 배출량이 증가하며, 파일럿 분사 횟수가 증가함에 따라 배출량도 증가하는것으로 확인되었다.
- 5) THC 발생은 파일럿 분사를 실시함에 따라 메인 분사만 실시했을 경우보다 증가하는 것으로 나타났다.
- 16 ~ 17은 연료 분사시기 및 파일럿 분사에 의한 THC의 배출특성을 나타낸다. THC 발생은 파일럿 분사를 실시함에 따라 메인분사만 실시했을 경우보다 30% 이상 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 파일럿 분사 시 공급된 연료가 과희박 조건에 노출되어 탄화수소의 생성이 증가한 것으로 판단된다. 전체적으로 저부하 조건의 배출량이 고부하 조건보다 2배 이상 높게 나타났으며, 이는 저부하 조건에서 흡기 유동성의 저하로 인한 혼합기 형성의 불균일화와 터보의 압축압력 감소로 인한 흡입공기온도의 저감 때문인 것으로 판단된다.
- 10 ~ 11은 연료 분사시기 및 파일럿 분사에 의한 출력특성을 나타내고 있으며, 전 구간에서 메인분사만 이뤄졌을 때를 기준으로 분사시기가 지각될수록 토크가 감소하는 경향을 보였다. 동일 부하 조건에서 TDC에 가깝게 분사시기가 지각 될 수 록 분사된 연료의 혼합기 형성 시간이 줄어들고 최고 연소 압력도 낮아져 출력이 감소하는 것으로 나타났으며, TDC 분사의 경우는 분사종료가 팽창행정 구간에도 지속적으로 이루어져 그 영향이 가장 크게 나타났다. 또한 다단분사를 1회 혹은 2회 실시함에 따라 압력상승이 완만하게 되고 연소온도가 하락함으로 써출력은 감소하게 된다.
- 연소실 온도가 상대적으로 낮은 30% 부하 조건에서 파일럿 분사를 실시할 수 록 나노입자의 배출량은 크게 늘고 분사시기의 변화에는 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 따라서 나노입자의 생성에 파일럿 분사된 연료의 기여도가 높은 것으로 나타났으며, 이는 파일럿 분사된 연료가 과희박조건에 조건에 노출되고 손실열에 의한 탄소입자 발생과 연소실 벽면의 냉각은 저휘발성 HC를 발생시키게 되어, 탄소입자와 HC입자의 핵화 과정에서 발생하는 nuclei mode (20nm 이하) 입자들의 생성이 촉진되었다고 판단된다. 메인분사만 실시했을 경우에는 80% 부하조건에서는 분사 시기가 TDC구간에 근접할수록 나노입자의 개수농도는 증가 했으며 이는 PM의 배출특성과 유사하여 미세입자 중 중량비율이 높은 Accumulation 모드 입자의 생성이 증가한 것으로 판단된다.
- 전체적으로 저부하 조건의 배출량이 고부하 조건보다 2배 이상 높게 나타났으며, 이는 저부하 조건에서 흡기 유동성의 저하로 인한 혼합기 형성의 불균일화와 터보의 압축압력 감소로 인한 흡입공기온도의 저감 때문인 것으로 판단된다. 또한 고부하 영역에서는 엔진회전속도별로 파일럿 분사에 의한 영향이 미미하였으나, 저부하 영역에서는 파일럿 분사횟수가 증가할수록 배출량도 비례하여 증가하는 것으로 나타났다.
- 6은 부하율 30% 조건에서 분사시기의 변화에 따른 메인 분사의 연소압력특성과 연료의 열발생률을 나타낸다. 분사시기가 진각 될 수록 최대 연소압력이 높아지며 최대 연소압력 발생시점이 TDC에 가까워지는 것을 확인할 수 있으며, 열 발생률 또한 분사시기 진각에 따라 높아지는 것을 확인할 수 있다. 이는 분사시기 진각 시 착화지연 시간이 증가하고 그로 인해 급격한 연소가 일어남으로써 일어나는 현상으로 볼 수 있다.
- 14 ~ 15는 부하에 따른 분사 방법 및 분사 시기 변경으로 인한 중량기준의 PM 배출특성을 나타낸다. 분사시기의 지각에 의한 PM발생량은 메인분사만 한 경우와 파일럿 분사를 실시한 경우 모두 증가하며, 부하가 증가할수록 PM 발생량은 감소하는 경향을 보인다. 특히 30% 부하조건에서 BTDC 2°와 TDC에서 파일럿 분사를 실시할 경우 PM 발생량은 메인분사와 파일럿 분사와의 큰 차이를 보이고 있다.
- 연소실 온도가 상대적으로 낮은 30% 부하 조건에서 파일럿 분사를 실시할 수 록 나노입자의 배출량은 크게 늘고 분사시기의 변화에는 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 따라서 나노입자의 생성에 파일럿 분사된 연료의 기여도가 높은 것으로 나타났으며, 이는 파일럿 분사된 연료가 과희박조건에 조건에 노출되고 손실열에 의한 탄소입자 발생과 연소실 벽면의 냉각은 저휘발성 HC를 발생시키게 되어, 탄소입자와 HC입자의 핵화 과정에서 발생하는 nuclei mode (20nm 이하) 입자들의 생성이 촉진되었다고 판단된다.
- THC 발생은 파일럿 분사를 실시함에 따라 메인분사만 실시했을 경우보다 30% 이상 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 파일럿 분사 시 공급된 연료가 과희박 조건에 노출되어 탄화수소의 생성이 증가한 것으로 판단된다. 전체적으로 저부하 조건의 배출량이 고부하 조건보다 2배 이상 높게 나타났으며, 이는 저부하 조건에서 흡기 유동성의 저하로 인한 혼합기 형성의 불균일화와 터보의 압축압력 감소로 인한 흡입공기온도의 저감 때문인 것으로 판단된다. 또한 고부하 영역에서는 엔진회전속도별로 파일럿 분사에 의한 영향이 미미하였으나, 저부하 영역에서는 파일럿 분사횟수가 증가할수록 배출량도 비례하여 증가하는 것으로 나타났다.
- 80% 부하조건에서는 파일럿 분사를 실시함에 따른 최고연소압력은 큰 차이를 보이지 않으나, 압력이 발생하는 순서는 파일럿분사를 2회 실시한 경우 가장 먼저 압력이 상승하기 시작하며, 파일럿 1회 분사와 메인분사만 한 경우의 순서로 연소압력이 상승하고 있다. 파일럿 분사는 주 분사 전에 화염원을 형성하여 메인분사 연료의 착화를 촉진하고 착화 지연기간을 단축시키는데, 그로 인해 메인분사만 했을 때와 비교 시 파일럿 분사를 진행함에 따라 연소압력 상승이 완만해짐을 확인할 수 있다. 그러나 파일럿 분사된 연료가 과희박 조건에 노출될 가능성이 높아 HC의 핵화로 인해 나노입자의 생성을 촉진할것으로 예상된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.