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문제 정의
- 본 연구에서는 가솔린 연료를 실린더 내 흡기 과정 중에 직접 분사하여 예혼합한 후에 직접 분사된 디젤과 혼소시켰을 때의 연소 및 배출가스 특성을 파악하기 위하여 두 가지의 실험방법을 선정하였다. 첫 번째로는 IMEP 기준으로 저부하인 2 bar영역에서부터 고부하 영역인 8 bar의 영역까지 디젤의 일정 부분을 가솔린으로 대체하여 실험을 진행하였다.
- 흡기과정 중에 옥탄가가 높은 가솔린을 포트분사가 아닌 직접 분사할 수 있으므로 이른 시기 및 늦은 시기에 분사가 가능하기 때문에 부하 별로 최적의 분사시기를 지정할 수 있다. 본 연구에서는 일반 디젤 연소 대비 Dual-fuel 연소를 진행하는 경우 최적의 분사시기 조건에서 가솔린 대체율에 따른 연소 및 배출가스 특성을 파악하였다. 또한 특정 부하 조건에서 Dual-fuel PCCI 연소를 적용하는 경우 디젤 연소 대비 PM 및 NOx의 저감율과 엔진 효율 변화를 살펴보았다.
제안 방법
- NOx와 PM을 동시 저감하기 위하여 중부하 영역인 IMEP 5 bar 조건에서 분사시기와 가솔린 대체율 제어를 통해 Dual-fuel PCCI 전략을 구현하였다. 다음과 같이 총 4가지 단계를 거쳐서 Dual-fuel PCCI 연소를 구현하였다.
- IMEP 2 bar 조건을 제외하고는 가솔린 대체율을 증가시켜도 일반 디젤 연소와 비교하면 배출량이 미미하게 증가하는 것을 볼 수있다. 대체율을 증가시킬수록 미연되거나 불완전 연소되는 가솔린 연료가 증가하므로 미연탄화수소나 일산화탄소가 많이 배출되는 것이 일반적인 Dual-fuel 연소의 특징이지만, 본 연구에서는 분사시기 최적화를 통해 미연탄화수소와 일산화탄소의 배출량을 최소화 하였다. 일산화탄소의 경우는 미연 탄화수소 배출량 결과와 비슷한 경향을 가지는데 고부하 영역으로 갈수록 불완전 연소가 감소하여 배출량이 감소하는 경향을 가지며 마찬가지로 IMEP 2 bar 영역에서 대체율을 증가시킬수록 디젤 화염의 강도가 낮아서 가솔린 혼합기의 불완전 연소 현상이 심해지므로 상당히 많은 양의 일산화탄소를 배출하고 있다.
- 두 번째로 진행한 실험은 IMEP 5 bar의 중부하 조건에서 일반적인 디젤의 연소 및 배출가스 특성을 바탕으로 Dual-fuel PCCI 연소특성을 파악하고자 다음의 실험을 수행하였다. 우선 가솔린 대체율을 55 %까지 증가시켰을 경우, 가솔린 대체율을 75 %까지 증가한 후 디젤을 TDC 근처에서 단분사한 경우, 마지막으로 디젤의 분사시기를 더 진각 시켜서 PCCI 연소 영역에서 각각의 연소 및 배출가스 특성에 관해서 고찰해보았다.
- 디젤의 분사시기는 모든 조건에서 파일럿 분사를 주분사보다 10°앞쪽에서 분사하였고, 가솔린은 저부하 영역에서는 분사시기를 상대적으로 지각시켜 혼합기의 과다한 예혼합을 방지하여 미연탄화수소와 일산화탄소의 발생을 최소한으로 하고자 하였으며 고부하 영역으로 갈수록 분사량이 많아지므로 분사시기를 더 진각시켜서 충분한 예혼합과정을 유도하였다.
- 본 연구에서는 Dual-fuel 연소전략을 진행하기 위하여 단기통 디젤엔진의 헤드 가공을 통해 가솔린용 피에조 타입 분사기와 디젤용 솔레노이드 타입 분사기를 실린더 헤드에 동시 장착하였다. 또한 가솔린 분사기와 디젤 분사기를 동기화시켜 각각 원하는 분사시점에서 분사할 수 있도록 드라이버를 구성하였다. 흡기과정 중에 옥탄가가 높은 가솔린을 포트분사가 아닌 직접 분사할 수 있으므로 이른 시기 및 늦은 시기에 분사가 가능하기 때문에 부하 별로 최적의 분사시기를 지정할 수 있다.
- 본 연구에서는 일반 디젤 연소 대비 Dual-fuel 연소를 진행하는 경우 최적의 분사시기 조건에서 가솔린 대체율에 따른 연소 및 배출가스 특성을 파악하였다. 또한 특정 부하 조건에서 Dual-fuel PCCI 연소를 적용하는 경우 디젤 연소 대비 PM 및 NOx의 저감율과 엔진 효율 변화를 살펴보았다.
- 첫 번째로는 IMEP 기준으로 저부하인 2 bar영역에서부터 고부하 영역인 8 bar의 영역까지 디젤의 일정 부분을 가솔린으로 대체하여 실험을 진행하였다. 발열량 기준으로 가솔린은 약 40 %까지 디젤을 대체하였으며 각 부하별 디젤의 파일럿 분사, 주분사, 가솔린 분사시기 및 대체율을 Table 2에 제시하였다. 디젤의 분사시기는 모든 조건에서 파일럿 분사를 주분사보다 10°앞쪽에서 분사하였고, 가솔린은 저부하 영역에서는 분사시기를 상대적으로 지각시켜 혼합기의 과다한 예혼합을 방지하여 미연탄화수소와 일산화탄소의 발생을 최소한으로 하고자 하였으며 고부하 영역으로 갈수록 분사량이 많아지므로 분사시기를 더 진각시켜서 충분한 예혼합과정을 유도하였다.
- 본 연구에서는 Dual-fuel 연소전략을 진행하기 위하여 단기통 디젤엔진의 헤드 가공을 통해 가솔린용 피에조 타입 분사기와 디젤용 솔레노이드 타입 분사기를 실린더 헤드에 동시 장착하였다. 또한 가솔린 분사기와 디젤 분사기를 동기화시켜 각각 원하는 분사시점에서 분사할 수 있도록 드라이버를 구성하였다.
- 본 연구에서는 디젤연소의 단점인 과다한 NOx 및 PM의 배출을 저감하기위해 디젤 엔진에서 예혼합 가솔린과 파일럿 디젤을 사용하는 Dual-fuel 연소 전략을 시행하였고, 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 커먼레일 분사 시스템이 장착된 단기통 디젤엔진을 이용하여 연소 및 배출가스 특성 실험을 수행하였다. 본 연구에 사용된 엔진의 제원 및 실험장치의 개략도는 Table 1과 Fig.
- 엔진의 안정성과 내구성을 고려하여 엔진회전수는 1000 RPM으로 고정하였으며 IMEP 2 ~ 8 bar의 부하 조건에서 실험을 수행하였다. 엔진 헤드 가공을 통하여 디젤 분사기와 가솔린 분사기를 동시에 장착하였고, 각각의 드라이버를 통해 분사시기를 임의로 제어할 수 있도록 구성하였다.
- 연소실 압력을 엔코더 신호와 동기화시켜 크랭크각 0.5°단위로 측정했고, 이를 연소해석기(Dewetron, DE500)를 사용하여 열방출률을 계산하였다.
- 두 번째로 진행한 실험은 IMEP 5 bar의 중부하 조건에서 일반적인 디젤의 연소 및 배출가스 특성을 바탕으로 Dual-fuel PCCI 연소특성을 파악하고자 다음의 실험을 수행하였다. 우선 가솔린 대체율을 55 %까지 증가시켰을 경우, 가솔린 대체율을 75 %까지 증가한 후 디젤을 TDC 근처에서 단분사한 경우, 마지막으로 디젤의 분사시기를 더 진각 시켜서 PCCI 연소 영역에서 각각의 연소 및 배출가스 특성에 관해서 고찰해보았다.
- 유해 배출물을 확인하기 위해 배출가스 분석기(AVL, AMA I-60)를 통해 THC(검출한계 :5,000 ppm), CO(검출한계 : 50,000 ppm), NOx(검출 한계 : 5,000 ppm)의 가스상 물질들을 측정하였고, 연소 과정 중에 발생하는 입자상물질(PM)의 질량 농도를 측정하기 위해서 에어로졸 모니터(TSI, Dusttrak DRX 8533)를 사용하였다.
- 유해 배출물을 확인하기 위해 배출가스 분석기(AVL, AMA I-60)를 통해 THC(검출한계 :5,000 ppm), CO(검출한계 : 50,000 ppm), NOx(검출 한계 : 5,000 ppm)의 가스상 물질들을 측정하였고, 연소 과정 중에 발생하는 입자상물질(PM)의 질량 농도를 측정하기 위해서 에어로졸 모니터(TSI, Dusttrak DRX 8533)를 사용하였다. 입자상물질의 개수 농도와 입경별 개수 농도를 측정하기 먼저 엔진 배출가스 희석장치(Decati, DEED)로 배출가스를약 90배 희석시킨 후, FMPS(TSI, Fast Mobility Particle Sizer)를 통하여 측정하였다. FMPS는 5.
- 첫 번째로는 IMEP 기준으로 저부하인 2 bar영역에서부터 고부하 영역인 8 bar의 영역까지 디젤의 일정 부분을 가솔린으로 대체하여 실험을 진행하였다.
- 5°단위로 측정했고, 이를 연소해석기(Dewetron, DE500)를 사용하여 열방출률을 계산하였다. 흡입되는 공기량을 측정하기 위해 흡기 레져버(Reservoir)의 상단에 층류 유량계(Meriam Inst. Co.)를 설치하였고, 공연비는 광대역 공연비 센서(ETAS, LA4)를 사용하여 측정하였다. 유해 배출물을 확인하기 위해 배출가스 분석기(AVL, AMA I-60)를 통해 THC(검출한계 :5,000 ppm), CO(검출한계 : 50,000 ppm), NOx(검출 한계 : 5,000 ppm)의 가스상 물질들을 측정하였고, 연소 과정 중에 발생하는 입자상물질(PM)의 질량 농도를 측정하기 위해서 에어로졸 모니터(TSI, Dusttrak DRX 8533)를 사용하였다.
대상 데이터
- 단기통 엔진의 회전수 및 부하를 제어하기 위하여 55 kW급 DC동력계(Shinwha사)를 사용하였으며, 연소 특성을 분석하기 위해 압전식 압력센서 (Kistler, 6052C)와 이의 장착을 위한 어댑터(Kistler 6542Q27)를 연소실 내부에 설치하였다. 연소실 압력을 엔코더 신호와 동기화시켜 크랭크각 0.
- 실험엔진은 대형 버스엔진의 한 기통을 이용하여 단기통 엔진으로 개조한 것으로써 DC 동력계를 통하여 엔진회전수와 부하를 조절할 수 있다. 엔진의 안정성과 내구성을 고려하여 엔진회전수는 1000 RPM으로 고정하였으며 IMEP 2 ~ 8 bar의 부하 조건에서 실험을 수행하였다.
성능/효과
- 1) Dual-fuel 연소를 하는 경우 저부하 영역인 IMEP 2 bar를 제외하고는 모두 COV 5 %이내의 매우 안정적인 연소를 보여주었다.
- 2) 저부하 영역인 IMEP 2bar 영역에서는 투입되는 연료들이 희박하여 미연되는 연료와 불완전 연소가 증가하여 미연탄화수소와 일산화탄소가 급증하였지만 그 외 부하 영역에서는 디젤과 비교하였을 때 대체율이 증가하여도 비슷한 수준의 배출량을 확인하였다.
- 3) 가솔린 대체율이 증가하는 경우 고부하 영역에서는 급격한 연소실 온도 상승으로 인해 NOx의 배출량이 다소 높게 측정되지만 확산화염(Diffusion flame)에 의한 연소가 줄어들어 PM이 큰 폭으로 저감되었다.
- 4) 파일럿 디젤의 분사시기를 진각시켜서 구현한 Dual-fuel PCCI 연소에서는 디젤 대비 효율이 약간 감소하는 경향을 나타냈지만 NOx와 PM, 또한 입자의 수농도를 동시에 큰 폭으로 저감시킬수 있었다.
- 결과를 살펴보면 엔진 부하가 증가할수록 연소실 내에 분사되는 연료량이 많아 공연비가 농후한 영역이 증가하므로 PM의 양이 증가하는 경향을 보이고 있다. 이에 비해 예혼합 영역에서 가솔린을 분사하여 가솔린 연료 대체율을 점점 높일수록 확산화 염에 의한 연소가 감소하여 PM의 양도 감소한다.
- Dual-fuel 연소를 적용하는 경우 디젤 대비 전체적인 입자의 수농도는 40 % ~ 50 % 수준으로 저감되었지만 PMP에서 제시한 23 nm 이상의 크기를 가지는 입자들의 경우 80 % 이상 수농도가 저감되는 것을 알 수 있다. 결론적으로 Dual-fuel PCCI 연소를 적용하는 경우 일반적으로 알려진 대로 NOx 와 PM을 저감할 수 있으며 동시에 입자의 수농도도 큰 폭으로 저감시킬 수 있음을 확인 하였다.
- 가솔린 대체율을 55 %까지 증가하는 B의 경우 디젤 연소에 비하여 NOx 감소량은 높지 않았지만 가솔린 대체율을 75 % 높이고 단분사를 적용하는 C의 경우 40 % 이상의 NOx 저감이 가능하며 분사시기를 BTDC 35°CA까지 진각하는 Dual-fuel PCCI 연소를 적용하면 PM의 배출 없이 NOx를 90 % 이상 저감할 수 있다. 디젤 연소의 경우 도시연료전환효율이 50 % 수준을 나타내고 있는데 Dual-fuel 연소를 적용하는 경우 효율이 46 %까지 감소하였으며 최종적으로 Dual-fuel PCCI 연소에서는 디젤 대비 효율이 약간 저하된 47 % 수준의 효율을 나타내고 있다.
- 또한 저온연소의 하나인 PCCI 연소에서 일반적으로 발생하는 저온반응 (Low temperature reaction)에 의한 열방출 현상이 D의 경우 BTDC 15~5°CA 영역에서 나타나고 있음을 확인할 수 있다.
- 일반적인 경우 변동계수 값이 5 % 이내로 도출될 때가 안정적인 연소라 판단하는데 결과를 보게 되면 저부하 영역인 IMEP 2 bar 영역을 제외한 모든 영역에서 안정적인 연소의 기준인 5 % 이내의 변동계수 값을 보여주고 있다. 또한, 가솔린 연료의 대체율을 높여도 변동계수 값이 일정하여 안정적인 연소가 일어났다고 판단할 수 있다. 저부하 영역에서는 대체율이 높아질수록 연소안정성이 급격하게 저하되는 양상을 볼 수 있는데 이는 대체율이 증가함에 따라 디젤 연료량이 적어지게 되고 따라서 예혼합된 가솔린 연료를 연소시킬만한 충분한 화염이 형성되지 않아 불완전 연소하는 가솔린 연료가 증가하기 때문인 것으로 판단된다.
- 11에 각각 나타내었다. 먼저 중부하 조건인 IMEP 5bar에서 측정한 입경별 수농도를 살펴보면 입자들의 최빈값(Mode diameter)이 10 nm 이하의 영역과 50nm의 두 군데에 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 디젤 연소에 비해 예혼합 가솔린의 대체율을 높이는 경우 20 nm ~ 100 nm의 입경을 가지는 입자들의 수농도가 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다.
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