압축착화엔진에서 다단분사와 EGR율이 연소 및 배기특성에 미치는 영향에 관한 실험적 연구

Abstract

본 논문은 EGR (Exhaust Gas Recirculation)과 다단분사를 기존의 디젤 압축착화엔진에 적용하여 다양한 엔진운전조건하에서 EGR 및 다단분사에 따른 엔진성능특성, 엔진연소특성 및 배기 배출물 특성을 실험적으로 규명하는 것을 목적으로 한다. EGR은 연소과정 후에 발생하는 CO2 와 H2O 가 주 성분으로 이루어져 있으며 이를 흡기중에 공급하여 산소농도를 저감시켜 압축착화엔진에서 발생하는 급격한 연소를 억제하여 유해배출물의 저감 특성을 연구하였다. 본 연구에서는 배기량 373.3cc이고 압축비가 17.8:1인 단기통 압축착화엔진(single-cylinder compression ignition engine)을 실험엔진으로 사용하였다. 실험연료로는 초저유황경유(ULSD, Ultra-Low Sulfur Diesel)를 사용하였고 연료 분사방식은 커먼레일 방식을 적용하였으며 고압펌프를 이용하여 연료를 커먼레일 내로 공급하여 고압으로 연소실 내로 직접분사를 적용하였다. 인젝터 드라이버(TDA-3300,TEMS)와 펄스 생성기(TPG-28MP, BLUE PLANET)를 연동하여 연소실 내로 분사되는 연료의 분사압, 분사시기 및 분사기간을 정밀하게 제어하였다. 엔진의 연소특성을 파악하기 위하여 압전식 압력센서(6057A80, Kistler)를 사용하였다. 또한 연소과정에서 발생하는 CO, HC, NOX 및 soot 등의 배기 배출물을 측정하여 배출가스 특성을 분석하였다. 본 연구의 결과 동일한 연료분사시기에서 EGR율이 증가됨에 따라 연소실 내의 착화 지연기간이 길어지는 경향을 나타내었고 NOX 발생량이 감소하는 경향을 나타내었으며 특히 실험에 적용된 최대의 EGR율인 50%를 적용한 조건에서는 실험에 적용된 연료분사시기 전 구간에서 NOX의 배출량이 현저하게 감소하는 경향을 나타내었다. Soot 발생량은 연소실내에 연료가 분사되는 조건에서는 EGR율의 변화에 뚜렷한 경향성을 나타내지 않았으나 BTDC 15° 보다 앞선 분사시기 조건에서는 EGR율을 증가시킴에 따라 soot 발생량이 크게 증가하는 경향을 나타내었다. HC와 CO의 발생량은 EGR율을 증가시킴에 따라 전체적으로 증가하는 경향을 나타내었다. EGR율의 적용에 따른 NOX와 soot의 분포를 살펴본 결과 NOX의 발생량을 현저하게 감소시키는 효과를 나타내는 반면 soot의 발생은 점차적으로 증가하는 경향을 보였다. 특히, EGR율 50%를 적용하고 분사시기를 BTDC 0°에서 9°로 하였을 때는 높은 EGR율을 적용했음에도 불구하고 soot의 발생량은 크게 증가되지 않는 결과를 보였다. 동일한 주 연료분사시기에서 다단분사를 적용한 결과 실험에 적용된 모든 조건에서 IMEP가 증가하는 결과를 나타내었다. 동일한 주분사 시기를 가지는 다단 분사 조건에서 파일럿 분사를 적용한 경우 NOX의 배출량이 증가하는 경향을 나타내었고, 포스트 분사를 적용한 경우 NOX의 배출량이 감소되는 경향을 나타내었다. 다단분사 조건에서 soot 발생량은 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 첫 번째 분사된 연료의 연소로 인해 생성되는 연소가스가 잔류 배기가스 효과를 주게 되고 이는 연소실 내의 산소농도 저감이 원인으로 작용하여 국부적으로 농후한 영역이 증가되어 soot의 생성이 증가된 것으로 판단된다. 파일럿 분사 조건을 적용한 경우 CO와 HC의 배출량이 증가되는 경향을 나타내고, 포스트 분사 조건을 적용한 경우 CO와 HC의 배출량이 비슷한 결과를 보이는 경향을 나타내었다.