DME 연료를 사용하는 커먼레일 디젤엔진의 연소 및 배출물 특성에 관한 연구

Abstract

요 지 본 논문은 디젤 자동차에 의한 환경오염과 화석 연료의 고갈에 대비할 수 있는 디젤 엔진의 미래형 대체연료로 기대되는 친환경 함산소 연료인 DME (dimethyl ether) 를 사용할 경우의 엔진 연소 성능 및 배기 배출물 특성을 여러 가지 운전조건의 변화에 대하여 실험적으로 연구한 논문이다. 실험에 사용한 엔진은 연료 분사 최고 압력이 160MPa, 배기량 1582cc 인 4사이클 터보차저식 커먼레일 디젤 엔진을 사용하였다. 본 연구에서는 각종 엔진변수의 변화에 따른 DME 연료의 엔진 성능 및 배기 배출물 특성을 실험하여 얻은 결과를 ULSD (Ultra low sulfate diesel) 와 Biodiesel 연료의 경우와 비교 분석하였다. DME 연료의 경우 연료-공기 혼합 특성이 양호하여 엔진내의 착화지연 기간이 짧아지고, 높은 세탄가와 우수한 기화특성으로 인해 연소가 촉진되어 연소 최고 압력이 ULSD 와 Biodiesel 보다 상승하는 결과를 얻었다. 그러나 DME 는 디젤 보다 낮은 발열량으로 인하여 기존 디젤 엔진의 동일한 성능을 얻기 위해서는 ULSD 대비 분사량을 약 35% 증가하여야 한다. DME 연료 연소시 배기 배출물 특성은 CO 와 HC 의 경우 ULSD 와 Biodiesel 보다 현저하게 배출농도가 저하되는 특성을 보였고, soot 의 경우 DME 연료 특성상 직접적인 탄소고리 결합이 없고 빠른 확산연소로 인해 모든 실험조건에서 배출되지 않은 것으로 나타났다. 그러나 NOx 의 경우는 DME 연료 연소시 ULSD 와 Biodiesel 보다 배출량이 증가하였다. 연료 분사 전략을 이용한 파일럿 분사시 DME 연료가 ULSD 에 비하여 압력상승이 완만하며, 누적 열발생율의 경우 파일럿 분사 및 단 분사의 경우 모두 ULSD 에 비해 빠르게 나타났다. 파일럿 분사시 CO 와 HC 발출량이 ULSD 에 비해 저감 되었으나 두 연료 모두 파일럿 분사시기를 진각 시킴에 따라 CO, HC 배출량은 증가하는 경향을 보였으며 연료 분사 압력이 증가 할수록 연소압력의 상승에 따른 연소실 내의 온도가 올라가 NOx 의 생성량이 증가하였다. 또한 NOx 의 저감을 위해 파일럿 분사에 cooled-EGR 을 적용하였다. EGR 량이 증가할수록 흡기 내의 N2O, CO2 와 같은 3 원자 분자가 증가함에 따라 연소실 내의 순간 연소 온도를 낮추게 되어 NOx 의 배출량이 현저하게 감소하였다. 하지만 ULSD 의 경우 EGR량이 증가 할수록 soot 의 배출량은 증가하였다.