전 세계적으로 천연가스 시장에서는 천연가스의 저열량화 추세로 뚜렷하게 변화되고 있다. 이러한 추세는 국내의 천연가스 열량기준에 변화를 가져왔으며, 낮은 열량의 천연가스 도입으로 인해 현재 사용되고 있는 가스기기의 성능에도 변화가 있을 것으로 예측된다. 따라서 본 연구에서는 혼소엔진의 연소특성을 파악하기 위해 CNG 혼소율 변화를 이용하여 열효율, 도시평균유효압력 변동계수 및 열방출 특성을 고찰하였다. CNG 혼소율은 투입되는 연료의 총합 대비 공급되는 천연가스연료의 에너지로 계산하여 천연가스연료가 디젤연료를 대체하는 비율로 정의하였다. 엔진 실험조건으로는 공급되는 천연가스의 발열량은 $10,400kcal/Nm^3$이며, $1800rpm/500N{\cdot}m$의 엔진 운전조건에서 디젤연료의 분사시기는 BTDC $16^{\circ}CA$, 분사압력은 85 MPa로 설정하여 엔진의 성능 및 연소 실험을 진행하였다. 엔진 실험결과로 CNG 혼소율이 변화함에 따라 공급되는 디젤 연료량 역시 변화하고, CNG 혼소율이 증가할수록 디젤 연료량이 감소함으로써 점화에너지가 줄어들어 점화지연기간이 길어지는 연소특성을 나타내며, 이로 인해 엔진의 열효율과 출력도 감소하는 경향을 보였다. 그러나 연소안정성은 5% 미만으로 안정적인 엔진의 연소상태를 보여 실험의 신뢰성을 확보할 수 있었다.
전 세계적으로 천연가스 시장에서는 천연가스의 저열량화 추세로 뚜렷하게 변화되고 있다. 이러한 추세는 국내의 천연가스 열량기준에 변화를 가져왔으며, 낮은 열량의 천연가스 도입으로 인해 현재 사용되고 있는 가스기기의 성능에도 변화가 있을 것으로 예측된다. 따라서 본 연구에서는 혼소엔진의 연소특성을 파악하기 위해 CNG 혼소율 변화를 이용하여 열효율, 도시평균유효압력 변동계수 및 열방출 특성을 고찰하였다. CNG 혼소율은 투입되는 연료의 총합 대비 공급되는 천연가스연료의 에너지로 계산하여 천연가스연료가 디젤연료를 대체하는 비율로 정의하였다. 엔진 실험조건으로는 공급되는 천연가스의 발열량은 $10,400kcal/Nm^3$이며, $1800rpm/500N{\cdot}m$의 엔진 운전조건에서 디젤연료의 분사시기는 BTDC $16^{\circ}CA$, 분사압력은 85 MPa로 설정하여 엔진의 성능 및 연소 실험을 진행하였다. 엔진 실험결과로 CNG 혼소율이 변화함에 따라 공급되는 디젤 연료량 역시 변화하고, CNG 혼소율이 증가할수록 디젤 연료량이 감소함으로써 점화에너지가 줄어들어 점화지연기간이 길어지는 연소특성을 나타내며, 이로 인해 엔진의 열효율과 출력도 감소하는 경향을 보였다. 그러나 연소안정성은 5% 미만으로 안정적인 엔진의 연소상태를 보여 실험의 신뢰성을 확보할 수 있었다.
In the international natural gas market, natural gas has markedly low calories. The domestic calories standard of natural gas was changed and the performance and efficiency of many industrial machines using natural gas were affected because of low caloric natural gas. Therefore, in this study, a dua...
In the international natural gas market, natural gas has markedly low calories. The domestic calories standard of natural gas was changed and the performance and efficiency of many industrial machines using natural gas were affected because of low caloric natural gas. Therefore, in this study, a dual fuel engine fueled with natural gas and diesel was tested to examine the effects of the CNG substitution rate on the combustion characteristics, such as thermal efficiency, COVimep and heat release rate. The CNG substitution rate was defined as the ratio of CNG instead of diesel, which was calculated as the total energy. The conditions of the tested engine were fixed $1800rpm/500N{\cdot}m$. In addition, diesel fuel was injected at $16^{\circ}CA$ BTDC and the fuel pressure was fixed at 85 MPa; the lower heating value of CNG was $10,400kcal/Nm^3$. The results of the engine test showed that the amount of diesel fuel was changed according to the CNG substitution rate. Therefore, when the substitution rate was increased, the amount of diesel fuel was decreased, which affected the energy for ignition. In addition, the ignition delay duration was increased, which affected the thermal efficiency and torque. On the other hand, the COVimep was less than 5% and a stable combustion state of the engine was shown.
In the international natural gas market, natural gas has markedly low calories. The domestic calories standard of natural gas was changed and the performance and efficiency of many industrial machines using natural gas were affected because of low caloric natural gas. Therefore, in this study, a dual fuel engine fueled with natural gas and diesel was tested to examine the effects of the CNG substitution rate on the combustion characteristics, such as thermal efficiency, COVimep and heat release rate. The CNG substitution rate was defined as the ratio of CNG instead of diesel, which was calculated as the total energy. The conditions of the tested engine were fixed $1800rpm/500N{\cdot}m$. In addition, diesel fuel was injected at $16^{\circ}CA$ BTDC and the fuel pressure was fixed at 85 MPa; the lower heating value of CNG was $10,400kcal/Nm^3$. The results of the engine test showed that the amount of diesel fuel was changed according to the CNG substitution rate. Therefore, when the substitution rate was increased, the amount of diesel fuel was decreased, which affected the energy for ignition. In addition, the ignition delay duration was increased, which affected the thermal efficiency and torque. On the other hand, the COVimep was less than 5% and a stable combustion state of the engine was shown.
따라서 본 연구에서는 디젤연료를 대체하는 천연가스의 비율을 증가시켜 CNG 혼소율변화에 따른 실험을 수행하는 것으로 공연비제어가 이루어지지 않는 혼소율 범위 내에서 혼소엔진의 성능 및 연소 특성을 고찰하여 안정적인 엔진 운전조건을 확인하고 타당성 여부를 검토하고자 하였다.
제안 방법
또한 본 연구에서는 디젤 전소엔진을 디젤-CNG 혼소엔진으로 개조하여 사용했기 때문에 원하는 혼소조건을 구현할 수 있도록 디젤 연료분사압력과 분사기간, 분사 시기를 원활하게 제어하기 위하여 별도 인젝터 드라이버와 혼소엔진용 범용 ECU를 조합하여 계측시스템을 구축하였다.
대상 데이터
본 실험에서 사용된 엔진은 CRDI(Common Rail Direct Injection) 시스템이 적용된 5.9ℓ 직접분사식 디젤엔진으로 그 상세 제원은 Table 1에 나타내었다.
디젤연료의 분사압력과 분사시기는 각각 85 MPa과 BTDC 16°CA로 고정하여 분사압력이나 점화시기 변화에 따른 영향을 최소화하였다. 여기서 천연가스연료(CNG)는 현재 시중에서 유통되고 있는 10,400 kcal/Nm³의 저위발열량을 갖는 연료를 적용하였으며. 안정된 실험을 수행하기 위해 냉각수의 입구온도는 70℃, 인터쿨러의 출구온도는 40℃로 유지할 수 있도록 온도조절을 하였고, 스로틀밸브는 완전 전개된 상태인 WOT(Wide Open Throttle)로 제어하였다.
성능/효과
(1) CNG 혼소율이 증가할수록 디젤연료량이 감소하여 착화에너지가 감소하고 초기 발생화염면적 역시 감소하여 성능이 감소하였다.
(4) CNG 혼소율이 증가할수록 착화지연기간이 다소 길어지고 디젤연료에 의해 발생하는 화염의 면적이 상대적으로 적어 CNG 예혼합기로 확산화염이 이루어지기 때문에 연소기간이 짧아지는 것을 알 수 있었다.
전소엔진과 다르게 소량의 디젤연료를 사용하므로 유해 배기가스의 배출량이 증가할 수 있다는 단점이 있지만, 점화플러그보다 강력한 점화에너지가 발생하므로 매립지 가스나 바이오연료와 같이 발열량이 낮은 연료를 사용하더라도 안정적인 운전이 가능한 장점이 있다. 천연가스는 연료 특성상 휘발유와 같이 높은 옥탄가를 갖기 때문에 압축착화가 어려워 가솔린엔진에 적용하는 것이 적합하다. 하지만 혼소엔진에 적용하는 경우 포트를 통해 공급되는 천연가스는 공기와 예혼합하여 실린더내로 공급되어 연소시키는 가솔린엔진의 특징과 디젤연료가 실린더내로 직접 분사되어 압축을 통해 연소되는 디젤엔진의 특징을 모두 가지고 있다.
전소엔진의 장점은 무엇인가?
전소엔진의 경우는 점화플러그에서 발생하는 불꽃으로 점화를 하는 불꽃점화방식으로 액화 석유가스(Liquefied Petroleum Gas, LPG)와 천연가스(Compressed Natural Gas, CNG)와 같은 한 가지 연료를 사용한다. 또한 열효율을 높이기 위해 희박연소 운전이 가능하다는 장점이 있다. 반면에 혼소엔진의 경우는 경유와 다른 연료를 혼합하여 사용하며, 디젤엔진을 기반으로 소량의 디젤연료를 점화원으로 이용하는 압축착화방식(Compression Ignition, CI)으로 CNG 등의 또 다른 연료를 연소시킨다.
CNG 혼소율이 증가할수록 디젤연료량과 발생화염면적 등은 어떻게 되는가?
(1) CNG 혼소율이 증가할수록 디젤연료량이 감소하여 착화에너지가 감소하고 초기 발생화염면적 역시 감소하여 성능이 감소하였다.
참고문헌 (10)
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