바이오디젤 연료 압축착화엔진에서 당량비 변화가 연소 및 배기특성에 미치는 영향에 관한 연구

Abstract

본 논문은 대체연료인 바이오디젤 연료를 CI엔진에 적용하여 흡입공기 가열을 통한 당량비 변화, EGR (Exhaust Gas Recirculation)이 엔진성능특성과 연소 및 배기 배출물특성에 미치는 영향을 다양한 엔진운전조건에서 실험적으로 규명하는 것을 목적으로 하였다. 당량비를 변화시키기 위해 유입되는 공기의 양을 저감시켜 산소농도를 낮추는 배기가스 재순환시키는 방법과 흡입공기를 가열시키는 방법을 적용하였다. 본 연구에 사용된 연료는 채종유로 만들어진 바이오디젤을 사용하였다. 실험엔진은 압축비가 17.8:1이고 배기량이 373.3cc의 단기통 압축착화엔진을 사용하였으며, 커먼레일식 연료 분사장치로 구성하고 타이밍 펄스 발생기 (Timing pulse generator)를 이용해 인젝터 드라이버 (TDA-3300, TEMS)로 분사시기 (Injection timing) 및 통전기간 (Injection duration)을 제어하여 분사량을 제어하였다. 연소특성 해석을 위해 연소실 내 압력센서를 장착하여 압력데이터를 취득하였다. 또한 배기특성을 분석하기 위하여 NOX, HC, CO와 soot의 양을 측정할 수 있는 배기가스 분석기를 사용하였다. 본 연구에서는 NOX 저감의 구현을 위해 배기가스 재순환 (EGR)을 적용시켜 당량비 변화에 따른 디젤엔진의 저온연소 특성 및 배기 특성을 분석하였다. 실험결과 당량비가 높은 농후한 영역에서 실린더 내의 산소농도가 줄어들고 배기가스의 유입량이 증가하면서 상대적으로 열용량이 높아져 착화지연 기간이 길어지게 된다. 또한, 최대 연소 압력과 최대 열발생율이 감소하였다. 엔진분사시기를 진각시킬수록 IMEP는 감소하였다. 당량비 변화에 따른 IMEP를 비교하면, 이론공연비일 경우 당량비 0.8일 때 IMEP 의 값과 비교하면 약 15%가 감소하였다. 당량비가 높을수록 최고 연소압력은 감소하였으며, 당량비가 0.8일 때 TDC부근에서 연소가 일어나 열발생률의 최고 값이 가장 높았다. 배기 특성으로는 농후한 영역일수록 연소온도가 낮아져 배출량이 급격히 감소하였으며, 분사 압력이 증가할수록 급격한 열발생으로 인해 배출량이 증가하였다. 반면 soot의 경우, 당량비가 높을수록 soot의 배출은 증가하였고, 분사 압력이 높을수록 soot의 배출량은 감소하였다. 당량비를 변화시키는 다른 방법으로 흡기관에 가열기를 설치하여 흡기온도 변화에 따른 분무특성 및 연소특성을 분석하였다. 정량적인 분무특성을 분석하기 위해 분무도달거리, 분무각, 분무면적을 측정하였으며 이를 엔진연소에 적용시켰다. 흡입공기의 온도가 상승함에 따라 자연 착화온도에 빠르게 도달하게 되면서 착화지연기간이 짧아지는 것을 확인할 수 있었다.