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문제 정의
- 0) 연소모드로 작동된다. 본 연구에서는 GPF 전후단의 공기과잉률에 따른 입자상 물질의 배출 경향을 알아보고자 연소제어를 통해 이론공연비 조건과 희박연소조건으로 나누어 실험을 진행하였다.
- 따라서 배압이 과도하게 증가하거나 필터가 막히는 현상은 발생하지 않지만, 정화효율이 낮고 필터에 쌓였던 입자상물질이 고유량 조건에서 순간적으로 대량 방출될 가능성이 있다. 본 연구에서는 Metal foam filter가 50-70%의 낮은 필터효율을 갖도록 기공 크기를 선정하여 설계하였기 때문에 Metal fiber filter의 결과와 비교할 때 비슷한 수준을 보일 것으로 예상하였다.
- 본 연구에서는 분무유도방식(Spray-guided)의 초희박 GDI 엔진 시제품을 이용하여 초희박 연소시 발생되는 입자상물질의 배출 특성을 살펴보았다. 입자상물질의 저감을 위해 개발된 필터 들을 장착하여 이에 대한 각각의 여과 성능 및 입자상물질의 입경별 분포를 측정하였다.
- 유럽에서는 2017년부터 가솔린엔진의 입자개수를 규제하기로 하였기에, 향후 GDI엔진은 입자개수 기준을 만족하지 못하는 경우 입자상물질 저감용 필터의 장착이 필요할 것으로 예상된다. 이에 높은 정화율을 갖는 필터 개발이 요구됨에 따라 본 연구에서는 희박연소를 구현하는 GDI 엔진 개발을 목적으로 설계된 입자상 물질 저감 필터를 적용하여 그 성능을 평가하였다. 필터의 전후단에서 배출되는 입자상 물질의 양과 개수 변화를 비교, 분석함으로써 필터별 저감특성을 관찰하였다.
제안 방법
- 가솔린연료를 사용하는 직접분사식엔진의 경우 연료의 분사압이 증가할수록 실린더에 분사되는 연료의 미립화 특성이 향상되어 엔진에서 배출되는 입자의 수농도가 감소하는 것으로 알려져 있다.(11) 이러한 관점에서 본 연구는 고압연료분사조건에 해당하는 연료분사압력 20 MPa 조건에서 실험을 진행하였고, 최저 연료소비율을 나타내는 BTDC 330 CAD로 연료분사시기를 선택하였다. 입자상 물질의 입경별분포 개수 및 농도 측정은 각 운전 조건별로 3회의 데이터를 수집하여 평균값을 사용하였고 입자상물질의 중량은 3분 동안 측정한 평균값을 사용하였다.
- 기준이 되는 실제 Metal Foam 형상을 이용한 유속에 따른 압력 저항에 대한 실험을 통해, Porous media의 압력 강하 특성 및 필터링 효율을 도출하게 된다.(4,5) 엔진실험에서의 유량조건에서 필터 전후에서의 압력강하를 실험값과 비교하여 model을 검증한 뒤, 검증된 metal foam 필터의 압력강하 및 포집효율을 바탕으로 성형 방법을 달리하여 설계된 필터를 실험에 사용하였다
- 이론공연비 조건에서 지각된 연료분사 조건에서 형성된 국부적인 농후한 영역은 입자상물질의 생성을 촉진하고 탄화수소 등의 첨가에 의한 표면에서의 입자상물질의 성장이 활발하게 일어나는 것으로 보고되고 있다.(7) 토크를 유지한 상태에서 가장 좋은 효율을 보이는 MBT(Maximum brake torque)의 연소상태로 점화시기와 연료 분사시기를 각각 맞추었으며, BMEP 0.4 MPa 희박조건의 경우 연료성층화의 정도 차이에 따른 불안정한 연소를 방지하기 위해 다단분사를 적용하였고, 이를 통해 상대적으로 저부하 조건과 유사한 연소안정성을 확보하였다.(8~10)
- GDI 엔진의 입자상 물질 배출을 저감하기 위해 시제 설계된 GPF를 배기부에 장착하여 필터후단에서 입자상 물질의 개수와 중량을 측정하였다. 필터의 전단과 후단에서 추출한 배기가스를 Diluter (DEED-100, TSI co.
- Table 2는 실험 조건을 보여주고 있으며 각각의 운전조건에 대한 연료 분사시기와 점화시기를 정리하였다. GDI엔진의 희박연소 특성에 따른 입자상 물질 배출의 경향을 비교, 분석하기 위해 각 부하별로 이론공연비 연소 조건과 희박 연소 조건으로 나누어 실험을 진행하였다. 이론공연비 조건에서 지각된 연료분사 조건에서 형성된 국부적인 농후한 영역은 입자상물질의 생성을 촉진하고 탄화수소 등의 첨가에 의한 표면에서의 입자상물질의 성장이 활발하게 일어나는 것으로 보고되고 있다.
- GPF는 Metal Foam 필터와 Metal Fiber 필터를 이용하여 비교 실험하였다. Metal Foam 필터는 다공성의 금속 필터로써, 열충격에 강하고 열전도성이 높으며 기공비가 높아 낮은 배압을 갖는다.
- 또한 필터 전체 체적에서 입자상 물질들이 포집되는 구조이기에 체적대비 효율이 높은 편이다. Metal Foam 필터의 설계상의 필터링 효율에 따라 각각 50%, 60%와 70%의 필터를 시제 제작하였고 각각을 A, B, C로 명기하여 나타내었다. Metal Foam 필터 내의 Porous media는 기공의 형태나 크기가 성형방법에 따라서 매우 불균일하여 내부 유동도 매우 불균일하기 때문에, 필터링 효율은 Porous media 내부의 복잡한 유동을 공간평균 기법으로 간단화한 Porous model의 해석을 통해 예측될 수 있다.
- ) 장비를 이용해 입자상물질의 개수를 측정하였다. 또한 입자상물질의 중량을 측정하기 위하여 동일한 방법으로 희석된 배기가스를 Dust-Trak Aerosol Monitor (8533, TSI co.) 장비로 주입시켜 측정하였다. 입자상 물질의 여과 정도에 따라 필터의 효율을 계산하여 가장 최적화된 모델을 비교 분석하였다.
- 입자상 물질의 입경별분포 개수 및 농도 측정은 각 운전 조건별로 3회의 데이터를 수집하여 평균값을 사용하였고 입자상물질의 중량은 3분 동안 측정한 평균값을 사용하였다. 모든 입자상 물질 측정 장비는 Diluter(DEED-100, TSI co.)에서 일정 비율로 희석된 배기가스를 사용하였으며 희석비(Dilution Ratio)는 100으로 설정하였다.
- 1은 본 연구에 사용된 시험장치의 전체적인 구성을 나타낸 것으로 크게 엔진동력부, 제어부 그리고 배기가스 측정부로 구성되어 있다. 본 실험은 GPF(Gasoline particulate filter; 가솔린 입자상 물질 필터)의 입자상 물질 저감 성능 분석을 목표로 초희박 연소가 가능한 분무유도방식의 GDI 엔진을 사용하였다. 자세한 엔진의 제원은 Table 1에 명시하였다.
- 본 연구에서 적용된 분무유도방식의 GDI엔진의 경우 연료 성층화를 통해 희박연소를 구현한다. 이때 연료가 성층화된 영역은 점화플러그를 이용한 점화가 가능할 정도로 농후하거나 이보다 과농한 영역을 형성하게 된다.
- ) 장비로 주입시켜 측정하였다. 입자상 물질의 여과 정도에 따라 필터의 효율을 계산하여 가장 최적화된 모델을 비교 분석하였다.
- (11) 이러한 관점에서 본 연구는 고압연료분사조건에 해당하는 연료분사압력 20 MPa 조건에서 실험을 진행하였고, 최저 연료소비율을 나타내는 BTDC 330 CAD로 연료분사시기를 선택하였다. 입자상 물질의 입경별분포 개수 및 농도 측정은 각 운전 조건별로 3회의 데이터를 수집하여 평균값을 사용하였고 입자상물질의 중량은 3분 동안 측정한 평균값을 사용하였다. 모든 입자상 물질 측정 장비는 Diluter(DEED-100, TSI co.
- Metal Fiber 필터는 단일 모델로 마이크로 미터단위의 얇은 metal filaments가 방향성 없이 결합된 구조를 갖는다. 입자상 물질의 저감 성능을 필터 내부 원리에 따른 차이로 비교 분석하고자 하였다.
- 본 연구에서는 분무유도방식(Spray-guided)의 초희박 GDI 엔진 시제품을 이용하여 초희박 연소시 발생되는 입자상물질의 배출 특성을 살펴보았다. 입자상물질의 저감을 위해 개발된 필터 들을 장착하여 이에 대한 각각의 여과 성능 및 입자상물질의 입경별 분포를 측정하였다.
- GDI 엔진의 입자상 물질 배출을 저감하기 위해 시제 설계된 GPF를 배기부에 장착하여 필터후단에서 입자상 물질의 개수와 중량을 측정하였다. 필터의 전단과 후단에서 추출한 배기가스를 Diluter (DEED-100, TSI co.) 장비로 일정비율 희석하여 SMPS(Scanning Mobility Particle Sizer, GRIMM co.) 장비를 이용해 입자상물질의 개수를 측정하였다. 또한 입자상물질의 중량을 측정하기 위하여 동일한 방법으로 희석된 배기가스를 Dust-Trak Aerosol Monitor (8533, TSI co.
- 이에 높은 정화율을 갖는 필터 개발이 요구됨에 따라 본 연구에서는 희박연소를 구현하는 GDI 엔진 개발을 목적으로 설계된 입자상 물질 저감 필터를 적용하여 그 성능을 평가하였다. 필터의 전후단에서 배출되는 입자상 물질의 양과 개수 변화를 비교, 분석함으로써 필터별 저감특성을 관찰하였다.
- 필터의 종류 및 운전조건의 변화에 따른 입자상물질 배출 변화를 살펴보기 위해 Fig. 8과 Fig. 9에 BMEP 0.2 MPa 부하 조건에서 각각의 필터적용 시 필터의 후단에서 측정한 입자상물질의 개수농도와 질량을 엔진에서 배출되는 값과 비교하여 나타내었다. 대부분의 필터에서 입자상 물질들이 상당량 저감되었다.
대상 데이터
- Fig. 1은 본 연구에 사용된 시험장치의 전체적인 구성을 나타낸 것으로 크게 엔진동력부, 제어부 그리고 배기가스 측정부로 구성되어 있다. 본 실험은 GPF(Gasoline particulate filter; 가솔린 입자상 물질 필터)의 입자상 물질 저감 성능 분석을 목표로 초희박 연소가 가능한 분무유도방식의 GDI 엔진을 사용하였다.
- 본 연구에서는 승용 가솔린 엔진에서 자주 사용되는 운전영역인 2000 rpm BMEP(Brake Mean Effective Pressure) 0.2 MPa와 BMEP 0.4 MPa의 두 부하 조건을 실험조건으로 선정했다. Table 2는 실험 조건을 보여주고 있으며 각각의 운전조건에 대한 연료 분사시기와 점화시기를 정리하였다.
이론/모형
- 4에 나타낸 것과 같이 다공성이 뛰어난 금속섬유를 적층하여 이를 지나는 배기가스 내의 입자상물질이 금속섬유의 표면에 포집하도록 하는 구조를 갖는다. 단 본 연구에 사용된 Metal fiber filter는 약 50% 정도의 입자상물질의 저감이 가능한 partial filter로서 open channel 방식을 이용한다. 따라서 배압이 과도하게 증가하거나 필터가 막히는 현상은 발생하지 않지만, 정화효율이 낮고 필터에 쌓였던 입자상물질이 고유량 조건에서 순간적으로 대량 방출될 가능성이 있다.
성능/효과
- (1) 기존의 연소방식에 비해 높은 공기과잉률을 이용하는 희박연소 GDI기술은 1세대와 2세대로 나뉘는데, 1세대는 벽면 유도 방식(Wall-guided) 또는 공기 유도 방식(Air-guided), 2세대는 분무 유도 방식(Spray-guided)으로 구분된다. 1세대 기술은 운전 시 연소실 내에 공기 유동을 이용하여 점화플러그 근처에 혼합기를 형성한다.
- (1) 희박연소조건에서 연료가 성층화된 영역은 점화가 가능할 정도로 농후하거나 이보다 과농한 혼합기를 형성하기 때문에 입자상물질의 배출이 예혼합연소 조건에 비해 높게 나타났다.
- (2) 저부하 운전 조건의 경우 예혼합연소 시 발생된 입자상물질의 전체 개수는 작지만 질량에서 높은 비율을 차지하는 상대적으로 큰 입자의 비율이 높기 때문에 입자상물질의 질량이 희박연소조건보다 높게 나타났다.
- 실린더 내부유동에 영향을 많이 받지 않기 때문에 안정적이고 효율적인 성층 희박연소가 가능하다.(3) 연료의 성층화를 이용한 연소 제어는 저부하 조건에서 연료소비율를 개선시키고 전체적인 배기배출물을 줄여주지만, 고온 고압의 연소실 분위기에서 연료를 직접 분사하기 때문에 연소 시 입자상 물질의 배출이 증가하는 단점이 있다.
- (3) 입자상물질의 입경에 따른 개수농도분포는 저부하 조건에서 운전 시 10 nm 이하의 입경이 작은 구간에서 이론공연비 연소조건에 비해 높게 나타나는 반면, 상대적으로 입경이 큰 입자의 농도는 낮았다.
- (4) 이론공연비 혼합기 운전 시 필터를 장착하기 전과 비교할 때 Metal fiber filter는 약 89%의 개수농도 저감 효율을 보이고 Metal foam filter의 경우 최고 98%에 가까운 저감 효율을 보였으며, 희박연소 조건에서도 비슷한 수준의 개수농도 경향을 확인하였다.
- (5) 필터 장착 시 입자상물질의 입경별 분포를 살펴보면 운전조건에 관계없이 전체적으로 50nm 이하의 작은 입경크기의 입자상물질에 대한 높은 저감률을 얻었다. Metal fiber filter의 경우 배기가스 내 입자의 움직임이 섬유층 사이에서 상대적으로 자유로운 반면, 다공질의 Metal foam filter의 경우 브라운운동에 의한 필터 표면에서의 포집 가능성이 높기 때문에 입경의 크기가 작아질수록 Metal fiber filter의 입자상물질 저감률이 Metal foam filter에 비해 감소하였다.
- (6) 기존의 세라믹 계열의 필터와는 달리 필터의 체적 전체에서 입자상물질의 포집이 수반되어 체적대비 활용효율 높다. 실험에 사용된 필터 시제품의 경우 최대 차압이 20000 Pa (Metal fiber : 1010.
- 6에 각각 나타내었다. BMEP 0.2 MPa 조건에서 상대적으로 더 많은 입자상 물질이 배출되었고, 이러한 경향은 개수와 질량 결과에서 동일하게 나타났다. 디젤엔진에서 상대적으로 높은 부하조건에서 입자상물질 및 soot의 배출이 증가하는 것과는 반대의 경향으로, 보다 높은 분위기 온도 조건이 입자상물질의 산화에 영향을 미쳐 나타난 결과로 판단된다.
- Metal foam filter의 경우 시제품 별로 각각 설계 목표치와는 다르게 효율 50%를 기준으로 설계한 A가 보다 높은 효율을 기준으로 설계된 다른 필터에 비해 저감효율이 높게 나타났다. 각각의 시제품이 동일한 기공 크기와 평균 1.
- (12) 점화플러그에 의해 화염이 생성된 이후 이런 과농한 영역을 지나 전파되면서 기존의 디젤엔진과 유사한 연소가 일어나게 되고, 이러한 현상은 입자상물질의 생성을 촉진하게 된다. 결과적으로 Fig. 5와 Fig. 6에 나타난 것과 같이 동일 부하조건에서는 희박 연소 시 입자상물질의 배출이 높게 나타난다. 단, BMEP 0.
- 실험 시 필터의 설계효율이 낮을수록 차압이 가장 높은 수준을 유지하였고, 이는 상대적으로 배기가스의 입자상물질이 필터에 머무르는 시간이 증가하였음을 의미한다. 결과적으로 정상상태의 일정한 운전조건에서 필터의 길이가 감소할수록 필터 효율이 증가하였다.
- 6에 나타난 것과 같이 동일 부하조건에서는 희박 연소 시 입자상물질의 배출이 높게 나타난다. 단, BMEP 0.2 MPa 부하의 이론 공연비 연소 조건에서 입자상물질의 질량이 희박연소 조건보다 높게 나타났는데, 이는 발생된 입자상물질의 전체 개수는 작지만 질량에서 높은 비율을 차지하는 상대적으로 큰 입자의 비율이 높음을 의미한다.
- 7은 입자상물질의 입경에 따른 개수농도분포를 각 운전조건에 대해서 나타낸 결과이다. 상기 언급한 입자의 크기별 분포비율을 보여주는 결과로서 BMEP 0.2 MPa 부하 조건에서 희박연소 시 발생되는 입자상물질은 10 nm 이하의 입경이 작은 구간에서 이론공연비 연소조건에 비해 높게 나타나는 반면, 상대적으로 입경이 큰 입자의 농도는 낮은 경향을 나타내고 있다. 예혼합기의 연소가 일어나는 이론공연비 조건에서의 상대적으로 큰 입경의 입자상물질의 증가는 이른 연료분사시기에 의한 연료의 벽면 및 피스톤 상부의 적심현상에 의한 것으로 Seong 등에 의해 보고된 것과 유사한 결과이다.
- Metal foam filter의 경우 기공의 foam에 의해 필터의 효율 및 배압이 결정되는 것이 일반적이지만,(6,13) 길이의 변화에 의한 형상 변경 또한 필터의 차압에 영향을 미칠 수 있다. 실험 시 필터의 설계효율이 낮을수록 차압이 가장 높은 수준을 유지하였고, 이는 상대적으로 배기가스의 입자상물질이 필터에 머무르는 시간이 증가하였음을 의미한다. 결과적으로 정상상태의 일정한 운전조건에서 필터의 길이가 감소할수록 필터 효율이 증가하였다.
- 5) 조건에서도 비슷한 수준의 개수농도 저감 경향을 확인할 수 있다. 실험 조건의 엔진회전수 및 부하가 높지 않은 저유량 조건이며 작은 크기의 입경을 갖는 입자상물질의 비율이 높은 가솔린엔진의 배출특성 때문에 낮은 정화효율을 갖도록 설계된 필터라 하더라도 평균기공의 크기에 대한 영향이 작은 입자상물질이 대부분 저감되었음을 보여주는 결과로 볼 수 있다. 필터 내에 입자상물질이 포집되면 포집입자의 크기가 점점 성장하게 되고 공극의 크기가 감소하면서 총 필터의 효율도 증가하는 특징이 있다.
- 대부분의 필터에서 입자상 물질들이 상당량 저감되었다. 연소전략에 따라서는 이론공연비(Lambda = 1.0) 혼합기 운전 시 필터를 장착하기 전과 비교할 때 Metal fiber filter는 약 89%의 개수농도 저감 효율을 보이고 Metal foam filter의 경우 최고 98%에 가까운 저감 효율을 보였다. 희박연소 (Lambda = 3.
- 희박연소조건에서 10nm 이하의 작은 입자상물질의 배출이 높기 때문에 저감률은 예혼합연소조건과 비슷하지만 104-105 #/cm2 수준의 배출을 보이고 있다. 희박연소조건의 경우 예혼합연소조건에 비해 배기유량이 많기 때문에 입경의 크기가 증가할수록 필터후단에서의 필터 종류에 따른 입자상물질의 배출차이가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
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