44-45 2018 [추계학술대회]
| 제목 | 이종연료 부분 예혼합압축착화 엔진의 저부하 운전영역에서 혼합기 형성 제어를 통한 연소 개선 |
|---|---|
| 분야 | 가솔린엔진 |
| 언어 | Korean |
| 저자 | 박현욱(카이스트), 배충식(한국과학기술원), 심의준(한국과학기술원), 황영훈(한국과학기술원) |
| Key Words | Dual-fuel(이종연료), PCCI(부분 예혼합압축착화), Natural gas(천연가스), Diesel(디젤), EGR(배기가스재순환), Combustion efficiency(연소효율), Unburned hydrocarbon(미연 탄화수소) |
| 초록 |
압축착화 엔진은 스파크점화 엔진 대비 높은 열효율로 인해 수송 부문에서의 이산화탄소 감축에 큰 기여를 해왔다. 그러나 강화되는 배기규제 및 이를 만족하기 위한 배기 후처리장치 비용 상승으로 인 해, 압축착화 엔진에서 실린더 내 연소 기술 및 저렴한 배기 후처리장치 개발이 동시에 요구된다. 이종연료 부분 예혼합압축착화 (dual-fuel PCCI) 연소 기술은 기존 디젤 연소에서 문제시되는 질소 산화물 및 입자상물질 배출을 동시에 저감할 수 있는 실린더 내 연소 기술 중 하나이다. Dual-fuel PCCI 연소는 주로 흡기행정에 가솔린, 천연가스와 같은 저반응성 연료를 공기와 함께 공급하여 공기연료 예혼합기를 형성시키고, 압축행정에 디젤, 바이오디젤과 같은 고반응성 연료를 실린더 내로 직접 분사하여 기존에 형성된 공기-연료 예혼합기의 점화원으로 활용하는 연소 방식이다. Dual-fuel PCCI 연소의 연료로서 천연가스는 가솔린 대비 높은 옥탄가로 인해 dual-fuel PCCI 연소의 연소상 제어 및 고부하 운전영역 확장에 장점을 가지고 있다. 그러나 천연가스의 가솔린 대비 높은 옥탄가는 저부하 운전영역에서 연소효율을 떨어뜨리고, 미연 탄화수소 및 일산화탄소 배출을 증가시키는 문제점을 지니 고 있으며, 이는 dual-fuel PCCI 연소의 저부하로의 운전영역 확장에 걸림돌로 작용한다. 따라서 본 연구에서는 공기-연료 혼합기 제어를 통해 천연가스-디젤 dual-fuel PCCI 엔진의 저부하 운전영역에서 연소효율 향상, 미연 탄화수소 및 일산화탄소 배출을 저감하는 것을 목표로 한다. 공기-연료 혼합기 제어를 위해 디젤 분사시기, 천연가스-디젤 연료 비율, 배기가스재순환율을 변수로 활용하였다. 본 연구를 위해 굴삭기, 버스에 적용되는 6기통 압축착화 엔진을 연구용 단기통 엔진으로 개조하였 다. Figure 1은 실험장비의 구성도를 나타낸 것이다. 천연가스는 흡기포트를 통해 실린더 내로 유입하 였고, 디젤은 커먼레일 시스템을 통해 실린더 내로 직접 분사하였다. 실린더 내 압력은 압력센서 (Kistler, 6052C)를 통해 측정하였고, 연소 결과 발생되는 배기가스(THC, CO, CO2, NOX)는 배기가스 분 석기(Horiba, Mexa-7100 DEGR)를 통해 측정하였고, Smoke는 Smoke meter(AVL, 415S)를 통해 측정하였 다. 엔진 운전부하는 대표적 저부하 운전영역인 0.30, 0.45, 0.60 MPa IMEP로 선정하였다. 본 연구에 서 질소산화물 및 입자상물질 배출은 EURO VI(질소산화물 < 0.4 g/kWh, 입자상물질 < 0.01 g/kWh)로 제한하였고, COV of IMEP는 5% 미만으로, 최대압력상승률(MPRR)은 1 MPa/CAD로 제한하였다. Figure 2는 dual-fuel PCCI 연소에서 엔진 부하별 최적 디젤 분사시기 및 천연가스-디젤 비율 을 적용시 질소산화물, 입자상물질, 탄화수소 및 일산화탄소 배출을 나타낸 것이다. 배기가스재 순환의 적용없이 혼합기 형성을 제어한 경우, 실험이 진행된 저부하 운전영역에서 질소산화물 및 입자상물질 배출이 EURO VI 규제보다 낮은 수준을 보였으나, 운전부하가 감소할수록 탄화수소 및 일산화탄소 배출이 급격히 증가하였다. 이는 운전부하가 감소할수록 공기-연료 혼합기가 희박해 짐에 따라 낮은 반응성을 보이는 천연가스가 미연 탄화수소 및 일산화탄소로 배출되기 때문이다. 0.30 MPa IMEP에서 높은 수준의 탄화수소 및 일산화탄소 배출을 감소시키기 위해, dual-fuel PCCI 연소에서 늦은 디젤 분사시기 및 높은 디젤 비율을 적용하였다. 늦은 디젤 분사시기 및 높 은 디젤 비율에 따른 질소산화물 배출 증가 및 연소상 진각은 높은 배기가스재순환율을 적용하여 해결하였다. Figure 3과 Figure 4는 dual-fuel PCCI 연소의 연소상 제어변수 따른 연소효율, 열 효율, 탄화수소 및 일산화탄소 배출을 나타낸 것이다. 늦은 분사시기, 높은 디젤 비율 및 높은 배기가스재순환율을 적용하였을 때, 공기-연료 혼합기 형성에 있어서 국부 당량비 및 반응성 증 가로 인해, 연소효율 및 열효율이 증가하고, 탄화수소 및 일산화탄소 배출이 저감되었다. |
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