예혼합 압축착화 엔진에서의 에탄올 첨가 디젤연료의 분무 및 연소특성에 관한 연구

Abstract

자원의 고갈과 환경오염이 세계적인 문제로 대두되면서 열효율이 높고 지구온난화의 주범으로 손꼽히는 CO₂ 배출량이 적은 디젤엔진은 그 사용빈도가 점점 늘어가고 있는 추세이다. 그러나 연소과정 중 국부적인 고온 반응 구간에서의 NOx와 확산연소구간에서의 입자상 물질(particulate matter)등의 배출 증가가 문제점으로 대두되고 있어, 이와 같은 디젤 엔진의 단점을 극복하기 위한 한 가지 방법으로 HCCI(Homogeneous Charge Combustion Ignition) 연소가 주목을 받고 있다. 디젤연료를 이용한 HCCI 엔진은 연료와 공기가 충분히 혼합할 수 있는 예혼합 연료 분사 시스템을 이용하여 연소실내 희박 균일한 혼합기를 형성시키고 이를 동시에 착화시킴으로서 NOx 배출량의 감소와 디젤 매연의 동시저감 효과를 가지고 있다. 그러나 HCCI 연소의 경우 디젤엔진에 상응하는 열효율을 가지며, NOx와 스모크를 동시에 저감할 수 있는 장점이 있는 반면, 연료의 실린더 벽면충돌로 벽류의 형성이 늘어 연소효율과 배기특성에 좋지 않은 문제가 발생하고, 정확한 착화시기의 제어가 어렵다는 단점이 있다. 그러므로 본 연구에서는 이와 같은 HCCI 엔진의 문제를 해결하기 위한 방법을 크게 두 가지로 분류하여 연구를 수행하였다. 첫째, 저온 저압의 분위기 조건에 따른 벽류 형성을 줄이고 균일 혼합기 분포를 돕기 위해 좁은 분사각을 갖는 고압 인젝터를 사용하여 그 특성을 파악하고 분무 수치해석과 엔진성능 및 배기특성 실험을 통하여 최적의 단일분사조건을 결정하였다. 다시, 엔진실험과 시뮬레이션 결과로부터 결정된 최적의 분사각 100°와 BTDC 65°의 분사시기를 사용하여 분사량과 분사횟수 즉, 단일분사와 다단분사에 따른 엔진성능과 배기특성을 파악하였으며, 최종적으로 시뮬레이션 결과와의 비교 평가를 통해 최적의 분사조건을 결정하였다. 두 번째로 수행된 연구에서는 예 혼합된 연료의 압축과정에서 발생하는 이른 착화시기를 제어하기 위한 목적으로 세탄가가 상대적으로 낮고 대체 연료로도 잘 알려진 에탄올을 연료에 첨가하고, 선행 연구에서 채택된 최적의 분사조건을 기본으로 엔진 및 배기 성능 실험을 수행하여 세탄가가 낮은 에탄올의 혼합 비율에 따른 착화시기 변화와 혼합 연료의 사용에 따른 엔진성능 및 배기특성을 파악하였다. 결론적으로, 본 연구의 최종 목적은, 위와 같은 방법들을 통하여 HCCI 엔진의 연료분사조건이 엔진과 배기성능에 미치는 영향을 파악함으로서, HCCI 연소 구현을 위해 벽류 형성을 줄이고, 연료의 증발특성을 좋게 하여 균일혼합기 형성을 돕고, 이른 착화시기를 제어함으로서 엔진의 운전영역을 확대할 수 있는 방법을 제시하고자하는 것이다.; As the exhaustion of petroleum resources and air pollution problems are getting serious recently, worldwide attention has focused on air pollution and exhaust fumes from vehicles, so demands for emission reduction and higher thermal efficiency of vehicle have been increased. In light of this, diesel engines have a lot of advantages such as high thermal efficiency and cheaper cost of fuel. And what is more, it has a low CO₂ exhaustion level wellknown as the factor of 'Global Warming', so the use of diesel engines is getting increased. However in the case of diesel engine, NOx increases in the local high temperature region, and particulate matter increases in fuel rich regions within the cylinder. Therefore, it is important getting down the peak temperature in order to reduce NOx emissions and also making better fuel-air mixing to minimize particulate matter formation. Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) is a technique that can help achieve such conditions, which are, low combustion temperature and a homogeneous charge. HCCI refers to a combustion process in which a largely premixed lean mixture is ignited via compression ignition. In this way, HCCI has the advantages of both thermal efficiency and emission reduction. However HCCI has got a problem of limited operating region produced by difficulties to reduce wall-flow as the result of droplet collision with the cylinder wall and to control the ignition timing. The present study builds on the narrow spray angle concept and investigates its use in conjunction with early multiple injection to help create a more homogeneous mixture. And many methods to control the ignition timing are also now under study. For the reason, this study investigated the effect of injection angle, timing and frequency on spray, mixture formation, combustion and emissions in a HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) engine using a narrow angle injector, NADI(Narrow Angle Direct Injection). And also diesel fuel mixed with ethanol was used to delay and control the ignition timing. It shows the methods for expending the operating region range of HCCI engine. In this study, it was found that the fuel injection timing and injection frequency affect the mixture formations and then affect combustion in the HCCI engine. And what is more, the ignition timing was affected by the ratio of ethanol added to diesel fuel.