[논문]단기통 디젤엔진에서 흡기온도변화에 따른 연소 및 배기특성

신달호; 박수한

doi:10.7467/ksae.2017.25.3.336

단기통 디젤엔진에서 흡기온도변화에 따른 연소 및 배기특성
Combustion and Exhaust Emission Characteristics by the Change of Intake Air Temperature in a Single Cylinder Diesel Engine 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.25 no.3, 2017년, pp.336 - 343

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Intake air conditions, such as air temperature, pressure, and humidity, are very important parameters that influence engine performance including combustion and emissions characteristics. The purpose of this study is to investigate the effects of intake air temperature on combustion and exhaust emissions characteristics in a single cylinder diesel engine. In this experiment, an air cooler and a heater were installed on the intake air line and a gas flow controller was installed to maintain the flow rate. It was found that intake air temperature induced the evaporation characteristics of the fuel, and it affects the maximum in-cylinder pressure, IMEP(indicated mean effective pressure), and fuel consumption. As the temperature of intake air decreases, the fuel evaporation characteristics deteriorate even as the fuel temperature has reached the auto-ignition temperature, so that ignition delay is prolonged and the maximum pressure of cylinder is also reduced. Based on the increase in intake air temperature, nitrogen oxides(NOx) increased. In addition, the carbon monoxide(CO) and unburned hydrocarbons(UHC) increased due to incomplete fuel combustion at low intake air temperatures.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 흡입공기의 온도를 변화 시켰을 때 EGR율과 흡입공기의 질량 변화로 인한 흡기온도만의 영향을 보는 것이 쉽지 않았다. 이에 본 연구는 공기량을 일정하게 유지하여 낮은 흡기온도 및 높은 흡기 온도 에서 실린더 내에 직접 분사한 연료의 연소 및 배기특성을 파악하였다.

가설 설정

2) BTDC6°에서 연료를 분사하였을 때 흡입공기의 온도가 상승하면 연소기간이 길어지는데 이는 착화지연기간이 짧아져 확산연소를 하기 때문이다.

제안 방법

1(b) 는 흡기 온도를 조절하기 위한 시스템의 개략도이다. 공기 압축기에서 나오는 압축공기를 공기 유량 조절기(GFC77, AALBOG)에 공급하여 공기 유량을 일정하게 공급하고 냉각기(DS-250L2),히터를 통과하며 냉각 또는 가열하여 흡입공기의 온도를 조절하였다. 엔진에서 배출되는 배기가스는 190℃ 로 가열되어진 배기가스 라인을 지나 배기가스 측정 장치(MAXA 9100D- EGR, HORIBA)를 이용하여 측정하였고 자세한 측정 방식은 Table 2에 설명 되어 있다.
단기통엔진에서의 실험은 엔진속도 1800 rpm, 분사압력 1000 bar, 흡입 공기 온도에 따른 체적효율의 변화를 최소화하기 위해 흡입공기량은 온도조절장치 전단에서 제어하여 364 L/min으로 일정하게 고정하였다. 이론적인 흡입 공기량은 엔진 회전수에 따른 흡입공기 질량 방정식 (1)을 이용하여 계산 할 수 있다.
공기 압축기에서 나오는 압축공기를 공기 유량 조절기(GFC77, AALBOG)에 공급하여 공기 유량을 일정하게 공급하고 냉각기(DS-250L2),히터를 통과하며 냉각 또는 가열하여 흡입공기의 온도를 조절하였다. 엔진에서 배출되는 배기가스는 190℃ 로 가열되어진 배기가스 라인을 지나 배기가스 측정 장치(MAXA 9100D- EGR, HORIBA)를 이용하여 측정하였고 자세한 측정 방식은 Table 2에 설명 되어 있다.
연구용 단기통 디젤 엔진에서 흡입공기 온도조건을 18℃, 60℃로 설정하여 이에 따른 엔진의 연소 및 배기 특성을 분석하였다.
1 CA단위로 측정하여 인젝터 제어모듈 (cRio-9024, National Instruments)에서 취득하여 연료분사시기를 조절하였다. 연소실 내의 압력은 피에조압전소자 방식의 압력센서(6052C, Kistler)를 글로우 플러그위치에 설치하여 측정하였다. Fig.
이에 연료 분사시기를 TDC 부터 BTDC 30°까지 진각시키며 흡기온도를 18℃와 60℃로 변화시켜 단기통 디젤 엔진에서 연소 및 배기 특성을 비교 분석하였고, 자세한 사항은 Table 3 에 나타내었다.
5(a)는 흡기 온도 변화에 따른 연소 상(Combustion phasing, CA10, CA50, CA90)을 나타낸 그래프이다. 착화 시기는 열 발생률 10 %지점인 CA10으로 정의하였고, 연소가 끝나는 시기는 열 발생률 90 %지점인 CA90으로 하였다. 각 온도에서의 착화지 연은 실제 분사 시작 지점부터 CA10까지로 정의하였다.
7, 보어 83 mm, 행정길이 92 mm, 냉각수와 엔진오일 온도는 80℃로 고정하였다. 커먼레일 분사시스템 방식을 사용하여 인젝터에 일정한 압력으로 연료를 공급하였다. 실험용 엔진 및 인젝터에 관한 자세한 사항은 Table 1에 나타내었다.
실험용 엔진 및 인젝터에 관한 자세한 사항은 Table 1에 나타내었다. 커먼레일의 압력은 압력조절장치(PCV Driver, TEMS Ltd)로 제어하였으며, 인젝터 구동은 인젝터 구동 드라이버(NI9751, National Instruments)를 이용하여 분사시기, 분사량을 조절하였다. 크랭크 각도는 크랭크각 센서를 사용하여 0.
커먼레일의 압력은 압력조절장치(PCV Driver, TEMS Ltd)로 제어하였으며, 인젝터 구동은 인젝터 구동 드라이버(NI9751, National Instruments)를 이용하여 분사시기, 분사량을 조절하였다. 크랭크 각도는 크랭크각 센서를 사용하여 0.1 CA단위로 측정하여 인젝터 제어모듈 (cRio-9024, National Instruments)에서 취득하여 연료분사시기를 조절하였다. 연소실 내의 압력은 피에조압전소자 방식의 압력센서(6052C, Kistler)를 글로우 플러그위치에 설치하여 측정하였다.
4 MPa 기준 1회 분사량이 14 mg인 통전기간을 찾기 위해 Bosch법을 사용한 분사율 실험장치 에서 분사율과 분사량을 측정하여 나타낸 그래프이다. 통전기간을 0.3 ms부터 0.8 ms 까지 0.05 ms씩 증가시키며 분사율 및 분사량을 측정 하였고, 보간법을 이용하여 1회 분사량 14 mg에 해당하는 통전기간 0.458 ms를 찾아 분사율을 측정 하였다. 이렇게 측정된 분사율로 부터 분사지연은 2.

대상 데이터

1(a)는 흡기온도 변화에 따른 단기통 디젤엔 진의 연소 및 배기 특성을 측정하고, 분석하기 위한 시스템의 개략도이다. 본 연구를 위한 시스템에는 흡기 온도 조절부, 배기가스 측정부, 엔진 제어부, 연료분사 제어부등으로 구성되어있다. 본 연구에 사용된 단기통디젤엔진의 압축비는 17.
본 연구를 위한 시스템에는 흡기 온도 조절부, 배기가스 측정부, 엔진 제어부, 연료분사 제어부등으로 구성되어있다. 본 연구에 사용된 단기통디젤엔진의 압축비는 17.7, 보어 83 mm, 행정길이 92 mm, 냉각수와 엔진오일 온도는 80℃로 고정하였다. 커먼레일 분사시스템 방식을 사용하여 인젝터에 일정한 압력으로 연료를 공급하였다.

성능/효과

1) 흡입공기의 온도에 따라 연료의 증발특성이 달라져 착화지연기간과 연소압력, 연소기간이 달라짐을 확인하였다. 특히 BTDC27°이전에 분사한 연료는 이러한 증발특성의 영향으로 분무 관통거리가 달라져 다른 두 온도에서 실린더 압력과 열 발생률이 크게 차이가 발생 하였고 이에 따라 배출 되는 배기가스에도 영향을 미치는 것을 확인하였다.
3) 흡입공기의 온도가 높을수록 연소실 최고 압력이 상승하고 연소실 압력상승 시기가 지각된다. net IMEP는 흡입공기 온도 60℃ 전 영역에서 높았다.
4) 질소산화물의 생성은 Thermal NOx가 지배적이기 때문에 흡입공기온도가 높을수록 발생량이 많았다 하지만 분사시기가 뒤로 지각될수록 질소가 연소실에 머무는 시간이 길어지고 낮은 온도에서는 연료의 불완전 연소에 의하여 질소산화물의 발생량의 차이가 커졌다. 결론적으로 흡입공기의 온도가 증가하면 실린더 압력이 증가하고 연료의 증발특성이 향상되어 연료 소비율이 향상되지만 질소산화물의 생성이 많아지고 특히 분사시기가 진각 될수록 질소산화물의 배출이 많아짐을 확인할 수 있었다.
BTDC 15°이후 분사된 연료는 흡입공기의 온도에 따라 IMEP는 증가 하였고 연료 소비율은 감소하였다.
BTDC 18°이전에 분사된 연료는 반대로 흡입공기 온도가 증가하여도 IMEP와 연료소비율에는 차이가 없었고 질소 산화물은 55 % 감소하는 것을 볼 수 있었다.
4) 질소산화물의 생성은 Thermal NOx가 지배적이기 때문에 흡입공기온도가 높을수록 발생량이 많았다 하지만 분사시기가 뒤로 지각될수록 질소가 연소실에 머무는 시간이 길어지고 낮은 온도에서는 연료의 불완전 연소에 의하여 질소산화물의 발생량의 차이가 커졌다. 결론적으로 흡입공기의 온도가 증가하면 실린더 압력이 증가하고 연료의 증발특성이 향상되어 연료 소비율이 향상되지만 질소산화물의 생성이 많아지고 특히 분사시기가 진각 될수록 질소산화물의 배출이 많아짐을 확인할 수 있었다.
CA임을 확인하였다. 이러한 데이터를 이용하여 착화지연기간 (Ignition Delay, ID)를 구할 수 있었고, 인젝터 통전 기간을 0.458 ms로 설정할 수 있었다.
1) 흡입공기의 온도에 따라 연료의 증발특성이 달라져 착화지연기간과 연소압력, 연소기간이 달라짐을 확인하였다. 특히 BTDC27°이전에 분사한 연료는 이러한 증발특성의 영향으로 분무 관통거리가 달라져 다른 두 온도에서 실린더 압력과 열 발생률이 크게 차이가 발생 하였고 이에 따라 배출 되는 배기가스에도 영향을 미치는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	첨단 연소기법에서 발생하는 단점은 무엇인가?	이러한 첨단 연소기법은 예 혼합된 연료의 안정 적인 증발특성을 위해 높은 흡기온도에서 실험이 수행되고 있는데, 이는 Thermal NOx의 발생량이 많아지고 추가적인 에너지가 투입되는 단점이 있었다. 또한 흡입공기의 온도를 변화 시켰을 때 EGR율과 흡입공기의 질량 변화로 인한 흡기온도만의 영향을 보는 것이 쉽지 않았다.
	압축 착화 기관이 전기 점화 기관에 비해 좋은 점은 무엇인가?	최근 압축착화 기관에서 발생하는 유독성 배기배출물이 문제가 되고, 화석 연료의 부족으로 인해 배기 및 연비에 대한 규제가 강화되고 있다. 하지만 압축 착화 기관은 전기 점화 기관에 비해 압축비가 높고, 희박 연소를 하는 특성상 열효율이 높아 경제성 좋다고 알려져 있다. 1,2) 연료를 압축행정 말기에 직접 분사하는 엔진의 특성상 연소실 내 불균일한 혼합기를 형성하고 연료가 농후한 영역에서 입자상 물질(PM, Particulate Matter)이 생성되고, 온도가 높아지는 영역에서 질소산화물(NOx, Nitrogen Oxides) 이 생성된다.
	흡기온도, 압축비, 냉각수 온도가 HCCI 연소전략에서 열발생률의 시작에 미치는 영향은 무엇인가?	6) Iida 등 7) , Senthil Kumar과 Raj 8) 는 흡기온도, 압축비, 냉각수 온도가 HCCI 연소전략에서 열발생률의 시작에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 높은 흡기온도와 냉각수온도는 착화지연기간을 감소시켜 열 발생률이 빠르게 나타나고, 엔진 속도가 빠를 때 더 큰 영향을 준다고 하였다. 손정훈 등 9) , 김홍주 등 10) , 고아현 등 11) 은 흡입공기의 온도가 증가하였을 때 BSFC가 악화되며 또한 흡입공기의 온도에 따라 ECU의 개입으로 인해 흡입공기의 온도가 낮을 때 연소불안정성이 커져 EGR 사용률이 낮아져 질소산화물의 배출량이 증가한다고 하였다.

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