LPG 액상분사방식의 분사조건에 따른 분무특성 및 흡기유량의 특성에 관한 연구

Abstract

현재 전 세계적으로 SULEV(Super Ultra Low Emission Vehicle)와 CAFE(Corporate Average Fuel Economy) 및 교토 의정서 등과 같은 배기규제가 전 세계적으로 강화되고 있고, CO2의 배출규제 또한 현재 자동차 업계가 해결해야 하는 기술로 자리잡고 있다. 따라서 자동차 업계에서는 연료의 경제성과 더불어 오염물질의 배출정도가 적은 차량을 개발하는 것이 가장 중요한 문제로 떠오르고 있다. 이런 문제를 해결하기위해 특별한 배기후처리 시스템과 HCCI 연소 기술이 연구되고 있으나 이러한 방법들은 근본적인 해결방법이라고는 할 수 없습니다. 왜냐하면 장비의 복잡성, 고비용 그리고 저 부하에서의 비효율성이 그 원인이다. 따라서 최근에는 자동차 연료로 청정연료(LPG, CNG, LNG, DME, Bio-diesel, 태양열 그리고 수소에너지)의 개발이 이루어지고 있다. 그 중에서 액화 석유 가스(LPG)는 저비용과 배기가스 저감 특성 때문에 차량을 위해 대체 연료로 사용되고 있다. 본 연구에서는 청정연료중 하나인 LPG를 사용하면서 기존의 믹서방식이 아닌 LPG의 액상분사방식인 LPLi(Liquid phase LPG injection)방식을 사용하여 분무 특성 및 흡기유량을 파악해 보았다. 액상분사 LPG의 분무특성은 기존의 다른 액체연료와는 다르고 액상의 LPG를 분사하여도 쉽게 기화가 되기 때문에 연료의 분무특성과 연료의 분사시기를 조절하여 충전효율과 엔진성능을 높이기 위하여 LPG의 분무특성 및 LPG의 증발과정을 이해할 필요가 있다. 이와같은 목표를 달성하기위해 Single 인젝터로부터 액상의 LPG를 분사하였고 분사량을 측정하기 위하여 고압 챔버를 사용하였다. 또한, 광원과 고속카메라를 이용하여 분무가시화를 수행하였으며, 실제 다양한 여러 가지 실험 조건에서 LPG 분무의 특성을 관찰하고 분석하였다. 시뮬레이션 프로그램인 WAVE를 이용하여 연료의 분사시기를 조절하여 충전효율과 엔진성능에 미치는 영향을 파악해 보았다. 이와 같은 결과를 통해, LPG 분사량은 분사압력과 분사시간에 선형적으로 증가하였고, LPG 분무 도달거리는 분사압력이 클수록 증가하고 분위기 압력이 클수록 감소함을 알 수 있다. 높은 분사압력일수록 연료의 미립화와 빠른 증발 특성을 보였으며, 분위기 압력이 높은 경우 분사된 액상의 LPG 증발을 어렵게 한다. 이것은 낮은 LPG의 증발 압력과 높은 분위기 압력에 의해 액상의 LPG 증발을 어렵게 한다고 생각된다. 결과적으로 높은 분사압력은 연료와 공기의 혼합기 형성을 도와준다. 따라서 높은 분위기 압력의 경우 액상의 LPG 미립화를 위해 높은 분사압력이 필요하다. 이와 같은 실험과 시뮬레이션 결과로부터 최고의 출력과 충전효율을 나타나는 최적의 분사시기를 선정할 수 있었다.