[논문]3.9 리터 기계식 디젤 엔진을 이용한 DME 엔진 개발 연구

장진영; 우영민; 김강출; 조종표; 정용진; 고아현; 표영덕

doi:10.7316/khnes.2020.31.3.307

3.9 리터 기계식 디젤 엔진을 이용한 DME 엔진 개발 연구
Development of DME Engine Using 3.9 Liter Diesel Engine with Mechanical Type Fuel System 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.3, 2020년, pp.307 - 313

장진영 (한국에너지기술연구원) , 우영민 (한국에너지기술연구원) , 김강출 (한국에너지기술연구원) , 조종표 (한국에너지기술연구원) , 정용진 (한국에너지기술연구원) , 고아현 (한국에너지기술연구원) , 표영덕 (한국에너지기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

The 3.9 liter diesel engine with a mechanical fuel injection system was converted to di-methyl ether (DME) engine and performance optimized. In order to switch to the DME engine, the plunger of the high pressure fuel pump was replaced and the diameter of the injector nozzle was increased. Through this, the disadvantage of DME having low calorific value per volume can be compensated. To optimize the performance, the number of injector nozzle holes, injector opening pressure, and fuel injection timing were changed. As a result, the optimum number of injector nozzle holes was 5, the injector opening pressure was from 15 MPa to 18 MPa, and the injection timing was 15 crank angle degree before top dead center (CAD BTDC). The power was at the same level as the base diesel engine and nitrogen oxides (NOx) emissions could be reduced.

주제어

표/그림 (13)

표 Table 1. Fuel property¹⁾
그림 Fig. 1. DME engine
그림 Fig. 2. Fuel system of test engine
그림 Fig. 3. Modified plunger of DME high pressure pump
표 Table 2. Test engine specification
표 Table 3. Base diesel engine test conditions
그림 Fig. 4. The effect of # of nozzle hole on power
표 Table 4. DME engine test conditions
그림 Fig. 5. The effect of # of nozzle hole on NOx emission
그림 Fig. 6. The effect of nozzle open pressure on power
그림 Fig. 7. The effect of nozzle open pressure on NOx emission
그림 Fig. 8. The effect of fuel injection timing on power
그림 Fig. 9. The effect of fuel injection timing on NOx emission

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 기계식 시스템의 경우 고압펌프와 인젝터의 일부 변경을 통해 DME 연료 사용이 가능하여 커먼레일 방식보다 빨리 적용이 가능하며, 국내에서 운행되는 많은 노후 경유 차량과 발전기가 기계식 시스템을 사용하고 있어 DME 연료 적용이 가능하다. 2000년대 초에 일본에서는 Goto 박사 등이 기계식 디젤 엔진을 가지는 트럭을 DME 엔진으로 개조한 결과를 보고하였으며, 한국에서는 표영덕 박사 등이 중형버스에 사용되는 기계식 디젤 엔진을 DME 엔진으로 개조한 결과를 보고하였이다. 중국 상하이교통대에서는 중국 정부의 지원을 바탕으로 DME 엔진을 탑재한 버스를 시제작하였다.
이에 본 연구는 기계식 연료 시스템을 사용하는 디젤 엔진을 DME로 변경하여 출력 및 배기 성능을 최적화하기 위하여 연료 분사와 관련된 분사 홀 수, 인젝터 개변압력, 분사시기 변경에 따른 성능변화를 확인하고 설명하는 것이다. 이를 통해 기계식 DME 엔진의 특성을 확인하고 최적화하는 방향에 대하여 제시하고자 한다.
앞선 사례에서 기계식 엔진에서 분사와 관련된 변경에 의한 차이를 종합적으로 제시하고 있지 않았다. 이에 본 연구는 기계식 연료 시스템을 사용하는 디젤 엔진을 DME로 변경하여 출력 및 배기 성능을 최적화하기 위하여 연료 분사와 관련된 분사 홀 수, 인젝터 개변압력, 분사시기 변경에 따른 성능변화를 확인하고 설명하는 것이다. 이를 통해 기계식 DME 엔진의 특성을 확인하고 최적화하는 방향에 대하여 제시하고자 한다.

제안 방법

Base 디젤 엔진 대비 DME 엔진의 성능을 파악하기 위하여 엔진의 운전은 각 엔진회전수의 전부하조건으로 하였다. DME 엔진의 성능 최적화를 위한 parameter 확인 실험을 위하여 Tables 3, 4와 같이 인젝터 노즐 홀 크기, 인젝터 노즐 홀 수, 인젝터의 개변압, 연료 분사시기 등을 변화시켰다.
78배 큰 인젝터 노즐을 사용하였다. Base 디젤엔진에 사용된 인젝터가 22 MPa 이상으로 연료압이 상승하였을 때 인젝터 니들이 올려져 연료가 분사되도록 개변압(injector open pressure)이 설정되어 있는데, DME 연료의 경우 압축성 연료이기 때문에 동일한 개변압을 적용할 경우, 더 많은 일이 소요될 수 있어 디젤 인젝터보다는 낮은 15, 16, 18 MPa로 개변압을 설정하였다. Goto 등도 베이스 디젤 엔진의 인젝터에서 사용하는 개변압력인 16.
DME 엔진과 base 디젤 엔진의 성능을 측정하기 위하여 극동사(Gunpo, Korea)의 220 kW, eddy current (EC) 엔진 동력계를 이용하여 엔진 회전수 및 부하를 제어하였다. 엔진에서 배출되는 가스들의 농도는 Horiba 사(Kyoto, Japan)의 MEXA-9100d를 이용하여 측정하였다.
5에 나타내었다. DME 엔진의 경우 PM 발생이 거의 없으므로 base 디젤 엔진과 비교하는 것은 무의미하기 때문에 본 연구에서는 PM 배출량 비교를 하지 않았다. NO_x 의 경우 base 디젤 엔진에서 DME 엔진보다 많이 배출 되고 있었다.
Base 디젤 엔진 대비 DME 엔진의 성능을 파악하기 위하여 엔진의 운전은 각 엔진회전수의 전부하조건으로 하였다. DME 엔진의 성능 최적화를 위한 parameter 확인 실험을 위하여 Tables 3, 4와 같이 인젝터 노즐 홀 크기, 인젝터 노즐 홀 수, 인젝터의 개변압, 연료 분사시기 등을 변화시켰다. 인젝터 노즐 홀 크기의 경우 DME의 저위발열량이 디젤에 비해 약 1.
기계식 연료 분사 시스템을 가지는 3.9 리터 디젤 엔진을 DME 엔진으로 변경한 후 분사와 관련된 인자에 대한 연구를 진행하였다. 인젝터 노즐 홀 수, 인젝터 분사기 개변압, 연료 분사시기를 변경하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
8 MPa의 개변압력을 가지는 인젝터를 사용하였다⁸⁾. 디젤 엔진의 분사시기가 7 CAD BTDC로 설정되어 있는데, DME는 압축성 연료이기 때문에 압축압력이 형성되는 데 시간이 더 걸리는 것을 고려하여 더 이른 시기에 분사가 되도록 설정하였다.
실험에 사용된 base 디젤 엔진의 인젝터는 22 MPa에서 연료가 분사되도록 되어 있다. 본 연구에서는 DME 인젝터의 기본 개변압을 15 MPa로 설정하였다. 이는 두 가지 이유에서인데, 첫째, DME를 연료로 사용하는 경우 DME 연료의 압축성 성질에 의해 연료의 압력을 높이는데 더 많은 시간이 필요하여 개변압을 base 디젤 엔진과 동일하게 하는 경우, DME 연료의 분사시기가 너무 늦어질 수 있기 때문이다.
Base 디젤 엔진의 경우에는 분사시기가 7 CAD BTDC로 고정되어 있으며, DME 엔진은 앞서 설명한 것과 같이 압축성 성질에 의해 늦게 분사될 가능성이 있기 때문에 더 이른 시기에 분사되도록 하였다. 분사시기는 13, 15, 17 CAD BTDC로 변경하여 실험을 진행하였다. 인젝터 홀 수는 5홀이며, 개변 압력은 16 MPa로 하였다.
9 리터 디젤 엔진을 DME 엔진으로 변경한 후 분사와 관련된 인자에 대한 연구를 진행하였다. 인젝터 노즐 홀 수, 인젝터 분사기 개변압, 연료 분사시기를 변경하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

대상 데이터

기계식 연료 시스템을 가지는 디젤엔진을 DME 연료를 사용할 수 있는 엔진으로 개조하기 위하여 Table 2와 같은 제원을 가지는 디젤엔진을 사용하였다. Fig.
스프링의 힘을 조절하여 니들이 올라가는 압력을 변경할 수 있는데, 이를 통해 낮은 압력에서 연료가 분사되게 할 수 있으며, 높은 압력에서 연료가 분사되게 할 수 있다. 실험에 사용된 base 디젤 엔진의 인젝터는 22 MPa에서 연료가 분사되도록 되어 있다. 본 연구에서는 DME 인젝터의 기본 개변압을 15 MPa로 설정하였다.
1은 엔진의 실제 모습이다. 실험에 사용된 엔진은 4기통 3.9 L, 압축비 16.5:1의 디젤 엔진이다. Fig.
5 MPa 이상으로 가압된 상태로 연료 탱크에 존재하며, 가압된 상태의 연료를 이용하기 때문에 일반 고무 튜브를 사용할 수 없다. 이 외에 연료 시스템에 사용되는 밸브에서 연료의 누설을 막기 위하여 오링의 재료는 hydrogenated nitrile butadiene rubber (HNBR) 재질을 사용하였다.

성능/효과

1) 4홀 인젝터와 5홀 인젝터를 사용하였을 때의 DME 엔진을 비교해 보면, 4홀 인젝터 사용 시 NO_x 배출량이 감소하여 배출가스에서는 유리하지만 출력이 감소하여 베이스 디젤 엔진 대비 75% 정도만 나왔다. 기계식 연료 시스템의 경우 연료 유량이 부하와 엔진회전수에 따라 일정하게 인젝터에 공급되므로, 현재의 고압연료 펌프가 5홀 인젝터에 맞추어진 것으로 판단된다.
3) DME 엔진 출력을 고려하였을 때는 17 CAD BTDC 조건이 좋나, NOx 배출량까지 같이 고려한 경우에는 15 CAD BTDC 조건이 최적 조건으로 판단된다.
4) 본 연구에 개조한 5홀 인젝터를 가지는 DME 엔진은 인젝터 개변압 15 MPa 이상 18 MPa 이하, 분사시기 15 CAD BTDC 정도로 맞추는 것이 최적인 것으로 판단된다.
DME가 연소실에 분사되면서 빠르게 증발하게 되면서 증발잠열에 의한 냉각효과와 빠른 혼합에 의한 농후 혼합기가 적게 발생하여 NO_x 발생량이 감소한 것으로 판단된다¹⁾. 5홀 인젝터를 사 용한 DME 엔진과 4홀 인젝터를 사용한 DME 엔진을 비교하였을 때는 4홀 인젝터를 사용한 경우에 더 적은 NO_x 발생량을 보였다. 앞서 설명한 것과 같이 4홀 인젝터를 사용한 경우에 연료 분사량이 적어지 면서 NO_x 발생량도 함께 감소한 것이다.
DME 엔진의 출력과 NO_x 발생량을 고려해볼 때 본 연구에 사용된 DME 엔진의 분사시기는 15 CAD BTDC가 적당한 것으로 판단된다.
본 연구에 사용된 인젝터 중에서는 DME 연료의 낮은 발열량과 압축성 문제로 인해 인젝터 홀수는 상대적으로 많은 5홀이 더 적당한 것으로 판단된다.
따라서 비례적으로 계산을 하였을 때 인젝터 홀수가 5개 에서 4개로 1개 감소하게 되면 20%의 연료가 덜 나가게된이다. 실제 결과에서는 5홀 인젝터를 사용한 경 우보다 4홀 인젝터를 사용한 경우에 출력이 12-17% 정도 감소하였다.
2) 인젝터 개변압을 높이게 되면 연료 분사시기가 늦어지지만 높은 압력을 분사되기 때문에 연료와 공기의 혼합에는 도움이 된다. 하지만 개변압이 너무 높아지게 되면 연료량이 감소할 수 있어, 본 연구에서 사용된 DME 엔진에서는 낮은 개변 압력 조건을 사용하는 것이 더 좋은 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DME 연료는 무엇인가?	DME 연료는 천연가스, 석탄을 이용하여 만들 수있는 연료이며1), intergovernmental panel on climate change (IPCC) 보고서에서는 DME 연료가 biomass 로부터 만들 수 있는 바이오연료 중 하나로 보고하 고 있다4). DME 연료는 분자구조상 산소를 포함하고 있으며, C 이중결합이 없다.
	DME가 디젤 연료를 대체할 시 장점은 무엇인가?	디젤 대체연료는 gas to liquid (GTL), di-methyl ether (DME), 바이오디젤 등이 있다. 디젤 대체연료 중 DME는 세탄가가 디젤보다 높으면서 산소를 가지고 있는 기체 연료이기 때문에 디젤 엔진의 가장 큰 문제중에 하나인 매연 배출량을 거의 0에 가깝게 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다1-3).
	DME를 사용한 기관에서 매연이 감소하는 이유는 무엇인가?	DME 연료는 천연가스, 석탄을 이용하여 만들 수있는 연료이며1), intergovernmental panel on climate change (IPCC) 보고서에서는 DME 연료가 biomass 로부터 만들 수 있는 바이오연료 중 하나로 보고하 고 있다4). DME 연료는 분자구조상 산소를 포함하고 있으며, C 이중결합이 없다. 또한 LPG 연료와 마찬 가지로 5 bar 이상으로 가압되면 기체 상태에서 액체 상태로 변하게 되어 연료의 보관과 이동이용이하며, 액상으로 분사된 DME 연료가 빠르게 증발하여 공기와 섞일 수 있다1). 따라서 디젤 엔진에서 농후한 연료/공기 혼합기 상태에서 많이 발생하는 매연이 DME 연료를 사용하는 경우 감소하게된이다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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J. Heywood, "Internal combustion engine fundamentals", McGraw-Hill Book Company, USA, 1998, pp. 572-592.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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