[논문]DME를 연료로 하는 고압펌프의 성능 및 내열 특성 평가

백범기; 임옥택

doi:10.7316/khnes.2020.31.1.89

Abstract ▼ AI-Helper

The main scope of this paper is to see if the conventional pump can be properly used for a specific fuel, Di-methyl Ether (DME) despite of its low lubricity and high reactivity in the experimental conditions. A wobble plate type fuel pump was connected to the common rail to verify that the pump coul...

The main scope of this paper is to see if the conventional pump can be properly used for a specific fuel, Di-methyl Ether (DME) despite of its low lubricity and high reactivity in the experimental conditions. A wobble plate type fuel pump was connected to the common rail to verify that the pump could deliver the fuel at the required pressure and resultantly DME could be used as fuel without modifying the original pump. At each required pressure (30 Mpa, 35 Mpa, 40 Mpa, 45 Mpa, and 50 Mpa), the pump met the pressure required by the common rail. In addition, pump performance experiments tended to follow the usual performance curve while the flow rate decreased as the pressure increased. The maximum flow rate of the pump was 470 kg/h at 30 Mpa and all measurements were taken with keeping DME temperature below 60℃.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Wobble plate type high pressure fuel pump used in experiment
그림 Fig. 2. Experiment system configuration and flow diagram
그림 Fig. 3. Pump discharge pressure in common rail 30 MPa con-dition (red line : experiment value, blue line : DAQ filtered val-ue, horizontal axis : number of samples, vertical axis : pump pressure)
그림 Fig. 4. Pump discharge pressure in common rail 35 MPa con-dition (red line : experiment value, blue line : DAQ filtered val-ue, horizontal axis : number of samples, vertical axis : pump pressure)
표 Table 1. Wobble plate pump specifications
표 Table 2. Flow meter specifications
표 Table 3. Experiment Conditions
그림 Fig. 5. Pump discharge pressure in common rail 40 MPa con-dition (red line : experiment value, blue line : DAQ filtered val-ue, horizontal axis : number of samples, vertical axis : pump pressure)
그림 Fig. 6. Pump discharge pressure in common rail 45 MPa con-dition (red line : experiment value, blue line : DAQ filtered val-ue, horizontal axis : number of samples, vertical axis : pump pressure)
그림 Fig. 7. Pump discharge pressure in common rail 50 MPa con-dition (red line : experiment value, blue line : DAQ filtered val-ue, horizontal axis : number of samples, vertical axis : pump pressure)
그림 Fig. 8. Wobble plate type pump flow rate change according to common rail pressure change
그림 Fig. 10. Fuel temperature change at each point according to pressure change.
그림 Fig. 9. Pump characteristic curve

AI 본문요약
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문제 정의

해당 연구에서는 실험적 조건에서 DME를 연료로 사용한 경우를 가정하여 Wobble plate 타입의 고압연료 펌프에 DME를 적용시켜 실험을 진행하여 압력 변화에 따른 펌프의 성능 변화(유량, 온도)를 측정하고 해당 Wobble plate 타입의 펌프가 DME 연료자동차의 연료 펌프로 타당한지에 대한 신뢰성 평가를 실시하였다. 이를 통하여 안정적인 DME 연료 공급 시스템을 구축하기 위한 기본 데이터 획득을 하고자 하였다.

제안 방법

또한 펌프의 Torque는 모터 회전부에 장착된 토크미터(Torque meter)를 이용해 측정하였고 펌프 입구, 리턴, 표면 및 커먼레일 리턴 부분에 온도 측정 센서를 부착하여 DME 연료의 온도를 실시간으로 측정하였다. DME 연료의 특성상 낮은 기압에서 기화하므로 실험 시스템의 리턴 압력을 1.
본 실험은 실제 차량에 적용하기 전, 펌프가 커먼레일에서 요구하는 압력을 충족시키는지 확인함과 동시에 해당 펌프의 압력 변화에 따른 성능을 조사하기 위하여 실제 차량의 조건보다 낮은 압력에서 진행되었다. 펌프가 30 Mpa, 35 Mpa, 40 Mpa, 45 Mpa, 50 Mpa의 커먼레일 요구 압력을 만족할 수 있는지 커먼레일과 커먼레일 드라이버를 연결하여 실험적으로 연구하였으며, 유량 공급이 원활한지 조사하기 위하여 용적식 유량계(volumetric flow meter)를 설치해 유량을 측정하였다.
해당 연구에서는 실험적 조건에서 DME를 연료로 사용한 경우를 가정하여 Wobble plate 타입의 고압연료 펌프에 DME를 적용시켜 실험을 진행하여 압력 변화에 따른 펌프의 성능 변화(유량, 온도)를 측정하고 해당 Wobble plate 타입의 펌프가 DME 연료자동차의 연료 펌프로 타당한지에 대한 신뢰성 평가를 실시하였다. 이를 통하여 안정적인 DME 연료 공급 시스템을 구축하기 위한 기본 데이터 획득을 하고자 하였다.

대상 데이터

본 연구에 적용된 Wobble plate 타입 고압 연료 펌프는 5개의 Wobble plate 방식 플런저를 사용하고 있어 다른 연료 펌프에 비해 idle 유량이 4-5배 많아 대유량 대응 및 초기 엔진 시동성이 우수할 것으로 예상되며, 단위 회전수당 토출 유량 횟수가 많아 레일의 맥동특성이 우수한 장점이 있다²⁾. 해당 펌프 및시스템 구성 사진은 Fig.

성능/효과

실험적 연구 결과 해당 Wobble plate 타입의 펌프는 커먼레일에서 요구하는 압력 조건을 모두 만족시켰으며 유량은 일반적인 펌프의 P-Q 선도를 따라가는 경향을 보였다. 유량은 9-12 lpm으로 측정되었으며 일반적인 디젤 승용차의 요구 조건인 2.
실험적 연구 결과 해당 Wobble plate 타입의 펌프는 커먼레일에서 요구하는 압력 조건을 모두 만족시켰으며 유량은 일반적인 펌프의 P-Q 선도를 따라가는 경향을 보였다. 유량은 9-12 lpm으로 측정되었으며 일반적인 디젤 승용차의 요구 조건인 2.5-110 lpm,가솔린 승용차의 요구 조건인 2.5-50 lpm의 저유량 구간에서 만족시키는 결과를 나타내었다.

후속연구

DME의 대표적인 문제점은 단위 체적당 발열량(heating value)이 낮아 생기는 출력 저하를 해결하기 위하여 펌프의 토출 유량을 증가시킬 필요가 있으므로 고압 분사 시 떨어지는 유량을 해결시킬 수 있는 방법이 필요하다. 또한 유량이 높은 커먼레일 필요압력 30 Mpa, 35 Mpa에서 펌프의 토출 압력이 불안정한 경향을 보이기 때문에 저압에서의 안정적인 유량 공급을 위한 시스템 구성 혹은 펌프 개선이 필요하다.
DME의 대표적인 문제점은 단위 체적당 발열량(heating value)이 낮아 생기는 출력 저하를 해결하기 위하여 펌프의 토출 유량을 증가시킬 필요가 있으므로 고압 분사 시 떨어지는 유량을 해결시킬 수 있는 방법이 필요하다. 또한 유량이 높은 커먼레일 필요압력 30 Mpa, 35 Mpa에서 펌프의 토출 압력이 불안정한 경향을 보이기 때문에 저압에서의 안정적인 유량 공급을 위한 시스템 구성 혹은 펌프 개선이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Di-methyl Ether의 장점은 무엇인가?	Di-methyl Ether (DME)는 높은 세탄가로 인하여 기존 엔진에 사용되던 압축착화 방식 엔진의 대체 연료로써 적합할 뿐만 아니라 연소 시 연료 자체의 산소 함유량이 높아 입자상물질(PM)의 발생량이 적어친 환경적인 연료로 연구가 진행되고 있다2). 하지만디젤 연료에 비해 점도가 낮고, 윤활성이 떨어지기 때문에 연료 펌프와 연료 분사 기구의 구동부 마모를 초래하여 이를 방지하기 위한 연구가 진행되고 있다2).
	대체 연료의 개발의 장점은 무엇인가?	현재 전 세계적으로 미세먼지 저감 및 배출가스 감소를 위하여 많은 연구가 행해지고 있다. 엔진 연소 시스템의 개선과 새로운 연소 시스템 개발, 친환경 청정 대체 연료의 개발 등 여러 분야에서 배출가스 감소 연구가 진행되고 있는 가운데 대체 연료의 개발의 경우 자동차의 구조를 크게 변경하지 않고 기존의 연소 시스템을 사용할 수 있는 장점이 있다1).
	Di-methyl Ether의 단점은 무엇인가?	Di-methyl Ether (DME)는 높은 세탄가로 인하여 기존 엔진에 사용되던 압축착화 방식 엔진의 대체 연료로써 적합할 뿐만 아니라 연소 시 연료 자체의 산소 함유량이 높아 입자상물질(PM)의 발생량이 적어친 환경적인 연료로 연구가 진행되고 있다2). 하지만디젤 연료에 비해 점도가 낮고, 윤활성이 떨어지기 때문에 연료 펌프와 연료 분사 기구의 구동부 마모를 초래하여 이를 방지하기 위한 연구가 진행되고 있다2).

참고문헌 (6)

C. S. Lee, "Atomization and combustion characteristics of alternative fuels for automotive diesel engine", The Korean Society Of Automotive Engineers, 2012, pp. 2714-2719. Retrieved from http://www.dbpia.co.kr/Journal/articleDetail?nodeIdNODE02083961.
Y. Sin, G. Lee, H. Kim, S. J. Jeong, K. Park, and H. K. Suh, "Effect of flow control valve type on the performance of DME high pressure fuel pump", Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 21, No. 5, 2013, pp. 67-68, doi: https://doi.org/10.7467/KSAE.2013.21.5.067.

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H. K. Ma, B. R. Hou, H. Y. Wu, C. Y. Lin, J. J. Gao, and M. C. Kou, "Development and application of a diaphragm micro-pump with piezoelectric device", Microsyst. Technol., Vol. 14, No. 7, pp. 1001-1007, 2008, doi: https://doi.org/10.1007/s00542-007-0462-6.

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P. R. Dixon, "Certificate pursuant to section 12 of the weights and measures act 1985", Department for Business Innovation & Skills, 2016, pp. 4-10. Retrieved from https://assets.publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/296219/UK-2780-revision-3.pdf.
S. H. Lee, S. M. Oh, Y. Choi, K. Y. Kang, W. H. Choi, and K. O. Cha, "Combustion characteristics study of an SI engine operated with DME blended LPG fuel", Journal of the Korean Institute of Gas, Vol. 12, No. 3, 2008, pp. 7-12. Retrieved from http://www.koreascience.or.kr/article/JAKO200831235452965.page.
S. H. Suh, H. H. Kim, M. D. Rakibuzzaman, K. W. Kim, and I. S. Yoon, "A study on the performance evaluation of variable-speed drive pump", The KSFM Journal of Fluid Machinery, 2017, pp. 83-88, doi: https://doi.org/10.5293/kfma.2014.17.5.083.

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