2단 분사 저 압축비 PCCI 디젤엔진의 연소 및 배기 특성에 관한 연구

Abstract

환경문제와 석유자원의 고갈이 세계적인 문제로 대두되면서 자동차의 열효율의 증가에 대한 요구와 배기물질에 의한 대기 오염의 심각성으로 인하여 배기 규제가 더욱 강화 되고 있다. 이러한 관점에서 열효율이 높은 디젤엔진은 큰 매력을 가지고 있으나, NOx와 입자상 물질(particulate matter)등의 배출가스 증가의 문제점이 있다. 따라서 연소 차원에서 NOx와 PM의 저감을 이룰 수 있는 새로운 개념의 연소기술이 절실히 요구되어지고 있는 상황이다. 이러한 배경으로 내연기관 연구자들은 강화된 배기 규제를 만족시킬 수 있는 청정 연소의 저공해 엔진 기술 개발을 위해 많은 노력을 하고 있는 실정이다. 이러한 요구를 충족시키기 위하여 연료와 공기가 충분히 혼합할 수 있는 예 혼합 연료 분사 시스템을 이용하여 연소실내 희박 균일한 예 혼합기를 동시 다점 착화시키는 연소 방식인 예 혼합 압축 착화 (PCCI: Premixed Charge Compression Ignition) 연소가 주목을 받고 있다1,2,3). 이와 같은 예 혼합 연소는 디젤 엔진에 상응하는 열효율을 가질 뿐만 아니라, NOx와 PM 저감에 크게 기여하고 있다. 하지만 기존의 디젤엔진과 달리 연소실내의 분위기 압력 및 온도가 낮은 조건에서 연료를 분사하여 연료-공기 혼합기가 예 혼합 되어 연소 온도가 낮고 TDC 이전에 착화하기 때문에 THC와 CO가 많이 발생하고, 연비가 낮아지는 문제점을 가지고 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 세계의 많은 내연기관 연구자들이 노력을 경주하고 있는 실정이며, 그 중 한 방안으로 기존의 디젤엔진 보다 압축비를 낮추려는 노력을 하고 있다. 낮은 압축비는 착화지연을 증가시키고 압력상승률을 감소시켜 연소실내의 압력과 온도를 낮춘다고 알려져 있다. 이를 위하여 여러 문헌에서는 흡기밸브 닫힘 시기를 지각하여 유효압축비를 낮춤으로 연료 공기 혼합률을 개선하고 연소온도와 압력을 낮춤으로 PM과 NOx를 동시에 저감하였다. 따라서, 2단 분사 PCCI 엔진에서 TDC 이전에 착화되어 연비가 증가되는 단점을 극복하고 배기 배출물을 저감하기 위하여 흡기밸브 닫힘 시기를 지각한 캠을 적용하여 유효압축비를 낮추는 아트킨슨 사이클을 구현하였고 기본적인 특성을 표준 캠과 비교하였다. 또한, 흡기 닫힘 시기 지각 캠을 적용하였을 경우 운전조건들이 연소 및 배기 특성에 미치는 영향에 관한 연구를 수행하였다.