54-54 2021 [추계학술대회]
| 제목 | 2.0 L급 포트 분사식 수소 전소 엔진에서 공기과잉률에 따른 엑서지 효율 분석 |
|---|---|
| 분야 | 모빌리티 동력 및 구동시스템 |
| 언어 | Korean |
| 저자 | 이승현( 전북대학교), 오세철(한국기계연구원), 오준호( 전북대학교), 장용훈(전북대학교), 황인영(전북대학교), 이정우( 전북대학교), 김용래(한국기계연구원) |
| Key Words | Brake thermal efficiency (제동 열효율), Excessive air ratio (공기과잉률), Exergy efficiency(엑서지 효율), Hydrogen(수소), Port fuel injection(포트분사방식), Spark ignition engine(전기점화엔진) |
| 초록 |
이산화탄소와 같은 온실가스가 유발하는 지구 온난화를 해결하기 위해 탄소중립 기반의 지속가능한 에너지원에 대한 관심과 투자가 늘고 있다. 이와 관련하여 대표적인 e-fuel 및 비탄소연료 중 하나인 수소가 각광받고 있다. 수소 분자는 탄소를 함유하지 않으며, 단위 질량 대비 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 차세대 에너지원으로서 적합하다. 현재 수소를 이용한 수송/발전부분 동력원으로 연료전지가 가장 대두되고 있지만, 기타 동력원으로서 수소 엔진 연구 또한 진행된 바가 있다. 수소는 연료 특성상 빠른 층류 화염 전파 속도(Laminar flame speed), 넓은 가연 한계(Flammability limit), 높은 확산계수 (Diffusivity)를 가지고 있어 연소를 기반으로 하는 열동력 기관인 엔진에도 적용하기에 적합하다. 따라서 기존의 엔진 시스템에 공급 연료를 수소로 변경하는 전략을 적용함으로써 기존 기술과 설비를 최대한 이용하는 전략을 채택하여 탄소중립에 기여할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 2.0 L급 자연흡기 포트분사식 전기점화엔진(SI, Spark Ignition engine)에 수소를 공급하여 공기과잉률(Excessive air ratio, λ)에 따른 엔진의 열효율과 엑서지 효율 특성을 논의하고자 한다. 실험은 엔진속도 1,500 rpm에서 스로틀 완전 개방 (WOT, Wide Open Throttle) 상태에서 공급 연료량을 변화하며 진행하였다. 점화시기는 각 공기과잉률 조건에서 최적토크지점(MBT, The maximum brake torque)로 제어하였다. 실제 데이터로 내부 상태를 구축하고 이상적 사이클과의 비교를 위해 MATLAB과 Cantera로 Two-zone model을 설계하였다. 이상적 Simulation과 실제 구동에서 엔진의 열효율을 비교하였으며, 열역학 2법칙 기반의 가용에너지 (Exergy)를 계산하였다. 분석 결과, 공기과잉률이 희박해짐에 따라 엔진의 열효율이 4~5% 증가하였고, 엑서지 효율도 2 %가량 상승하였다. 또한 파괴된 엑서지중 Transport 엑서지는 30 %, Heat transfer 엑서지는 40 %를 차지하여 어느 부분에서 손실이 발생하는 지를 파악할 수 있었다. |
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