[논문]흡입 밸브 각도에 따른 엔진 부분부하 성능 특성

이정만; 이재원; 김형식; 권순태; 박찬준; 엄인용

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이정만 (서울산업대학교 에너지환경대학원) , 이재원 (서울산업대학교 에너지환경대학원) , 김형식 (서울산업대학교 에너지환경대학원) , 권순태 (서울산업대학교 에너지환경대학원) , 박찬준 (서울산업대학교 기계공학과) , 엄인용 (서울산업대학교 기계공학과)

본 논문에서는 가솔린 기관에서 흡입 밸브 각도가 엔진의 부분부하 성능에 어떠한 영향을 미치는지를 혼합비 반응 특성을 통해 알아보았다. 흡입 밸브각이 작은 엔진이 흡입 밸브 각이 큰 엔진에 비해 배기가스 중 질소산화물 (BSNOx)의 양은 줄어들었고, 점화시기는 지각되었고, 제동연료소비율은 조금 개선되었다. 배기가스 중 질소산화물의 양이 줄고 점화시기가 지각 되었다는 것은 급속 연소가 일어났다고 판단할 수 있다. 시험 결과를 살펴보면 흡입 밸브각이 작아지면 기관의 연소 성능이 좋아지는 것으로 판단 될 수 있다.

This paper searched through mixture ratio response test whether exert effect that is some in part load performance of engine according to inlet valve angle in gasoline engine. Engines that inlet valve angle is narrow decreased quantity of NOx among exhaust gas than engine that inlet valve angle is wide, and ignition timing was retard, and fuel consumption improved a little. That quantity of NOx among exhaust gas decreases and ignition timing was retard can judge that fast burning occurred. Fast burning can decrease output decline and misfire that can happen at lean burning. Can be judged by thing which engine's combustion performance improves if inlet valve angle is narrow if examine test result.

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문제 정의

^1-3) 하지만, 현재 흡입 밸브 각이 엔진 성능에 미치는 영향에 대한 연구가 미비한 상태이다. 본 연구에서는 흡입 밸브 각의 변경에 따른 엔진의 부분 부하 성능을 혼합비 반응 특성 시험을 통해 알아보았다. 흡입 밸브 각에 따른 압축 행정 중 실린더 내의 유동특성에 관한 논문을 참고하여 흡입 밸브 각이 작은 엔진의 경우 압축 말기의 실린더 내의 유속이 빨라지는 것을 확인할 수 있었다.
급속 연소가 일어나고 점화시기가 지각되었다는 것은 엔진의 연소 성능이 좋아졌다고 볼 수 있다. 이에 본 논문은 흡입 밸브 각이 작아짐으로써 나타나는 엔진의 부분부하 특성에 대한 기초 데이터를 제공하고, 흡입 밸브 각이 큰 엔진의 부분부하 특성과 비교해보도록 한다.

제안 방법

본 실험에서는 흡입 밸브 각도를 변경하여 엔진의 부분부하 성능을 혼합비 반응 특성 실험을 통하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

대상 데이터

연구용 엔진에 비해 흡입 밸브 각을 작게 제작한 엔진(Eng2) 두 종류로 시험했다. 혼합비 반응특성 실험의 주요 실험 요건은 Table 1에 나타내었다.

성능/효과

본 연구에서는 흡입 밸브 각의 변경에 따른 엔진의 부분 부하 성능을 혼합비 반응 특성 시험을 통해 알아보았다. 흡입 밸브 각에 따른 압축 행정 중 실린더 내의 유동특성에 관한 논문을 참고하여 흡입 밸브 각이 작은 엔진의 경우 압축 말기의 실린더 내의 유속이 빨라지는 것을 확인할 수 있었다.³⁾ 그리고, 시험을 통해서 흡입 밸브 각이 작아짐으로써 배기가스 중 질소산화물(BSNOx)의 배출량이 흡입 밸브 각이 큰 엔진보다 줄어든 것을 관찰할 수 있었다.
흡입 밸브 각에 따른 압축 행정 중 실린더 내의 유동특성에 관한 논문을 참고하여 흡입 밸브 각이 작은 엔진의 경우 압축 말기의 실린더 내의 유속이 빨라지는 것을 확인할 수 있었다.³⁾ 그리고, 시험을 통해서 흡입 밸브 각이 작아짐으로써 배기가스 중 질소산화물(BSNOx)의 배출량이 흡입 밸브 각이 큰 엔진보다 줄어든 것을 관찰할 수 있었다. 배기가스 중 질소산화물(BSNOx)의 배출량이 줄고, 압축말기의 실린더 내 유속이 빨라지는 것으로 보아 실린더 내에서 급속연소가 일어났다고 보아진다.
배기가스 중 질소산화물(BSNOx)의 배출량이 줄고, 압축말기의 실린더 내 유속이 빨라지는 것으로 보아 실린더 내에서 급속연소가 일어났다고 보아진다. 또한, 점화시기는 흡입 밸브 각이 큰 엔진에 비해 지각된 것을 관찰할 수 있었다. 급속 연소는 희박 혼합기의 완전 연소에 필수적인 요소이고, 이는 희박 연소 시 발생할 수 있는 출력저하와 실화를 감소시킬 수 있다.
제동연료소비율은 이론공연비, 최소 공연비에서 흡입 밸브 각이 작은 엔진이 15%정도 개선되었다. 배기가스 중 질소산화물(BSNOx)은 흡입 밸브 각이 작은 엔진에서 대체적으로 60%정도 줄어들었다.
제동연료소비율은 이론공연비 부근은 비슷하게 나타났고, 최소공연비에서는 흡입밸브 각이 작은 엔진에서 6%정도 개선되었고, 배기가스 중 질소산화물은 대체적으로 50%정도 줄어들었다. 점화시기는 흡입 밸브 각이 작은 엔진이 6도정도 지각되었다.
0Bar BMEP조건에서 도시하였다. 제동연료소비율은 이론공연비 부근은 비슷하고 흡입 밸브 각이 작은 엔진이 최소공연비부근에서 5%정도 개선되었다. 질소산화물은 이론공연비에서 흡입 밸브 각이 작은 엔진이 50%정도 감소하였다.
1) 흡입 밸브 각이 작은 엔진에서 제동연료소비율이 큰 엔진에 비해 개선되는 것을 확인할 수 있었다.
2) 흡입 밸브 각이 작은 엔진에서 질소산화물이 감소하는 것을 볼 수 있었다.
3) 흡입 밸브 각이 작은 엔진에서 점화시기가 지각되는 것을 볼 수 있었다.
4) 질소산화물이 감소하고 점화시기가 지각되었다는 것은 실린더 내에서 급속연소가 일어났다고 판단할 수 있다.
5) 흡입 밸브 각이 작은 엔진이 흡입 밸브가 큰 엔진에 비해 연소 성능이 좋아졌다고 판단할 수 있다.

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