디젤 저온연소 운전 영역에서 흡기압이 엔진 성능에 주는 영향

이선엽(Sunyoup Lee),장재훈(Jae Hoon Chang),이용규(Yonggyu Lee),오승묵(Seungmook Oh) 한국자동차공학회 2010 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2010 No.11

디젤 저온연소 기술은 엔진 연소실 내부의 화학반응이 질소산화물(NOx) 및 입자상물질(PM)의 발생이 동시에 억제되는 저온연소 영역에서 이루어지도록 하는 신개념의 연소 기술이다. 이 때 저온 연소는 대용량의 EGR을 공급하여 연소실 내 가스의 비열을 높이고 연소실 내 산소 농도를 조절하는 방법과 적당량의 EGR을 공급하는 대신 디젤 연료를 TDC근처에서 분사하는 late-injection 방법으로 달성할 수 있는데, 이번 연구에서는 대용량의 EGR을 공급함으로써 저온 산화반응을 활성화하는 방법을 사용하였다. 그리고 이를 통해 저온연소 운전영역에서 흡기압력의 변화가 엔진의 출력 및 배기성능에 주는 영향을 디젤 단기통 엔진을 이용하여 조사하였다. 단기 통엔진의 실험 결과를 살펴보면 저온연소 운전은 산소농도8% 이하에서 성공적으로 구현되었으며 그 결과 질소 산화물과 입자상물질이 동시에 저감됨을 확인하였다. 하지만 저온연소 운전은 일반 디젤 연소에 비해 엔진 효율이 감소하고 출력이 낮아짐을 볼 수 있었으며 연소 온도 저하로 인해 THC 및 CO 배출 역시 증가함을 알 수 있었다. 저온 연소 영역에서 흡기압력의 영향을 보면 흡기 압력이 높아짐에 따라 더 낮은 산소농도 조건에서 Smoke의 발생이 최대가 될 뿐만 아니라 연소효율이 역시 향상되어 THC 및 CO의 배출이 감소함을 알 수 있었으며, 질소산화물의 경우 저온연소 영역에서는 흡기압력에 관계없이 거의 발생하지 않음을 확인 할 수 있었다. 또한 흡기 압이 높아질수록 엔진 출력 및 효율이 향상됨을 볼 수 있었으며 이로부터 흡기 압력 제어를 통한 저온연소 운전 영역 확대 및 배기 성능 향상 가능성을 확인하였다.

연료분무 및 연소 3 : 압축착화 엔진에서 분사압이 저온연소에 미치는 영향

장재훈 ( Jae Hoon Jang ),이선엽 ( Sun Youp Lee ),이용규 ( Yong Gyu Lee ),강석원 ( Seo Kwon Kang ),오승묵 ( Seung Mook Oh ) 한국액체미립화학회 2012 한국액체미립화학회 학술강연회 논문집 Vol.2012 No.-

압축착화 엔진에서 저온연소 기술은 엔진 연소실 내 화확반응이 질소산화물(NOx) 및 입자상 물질(PM)의 발생이 동시에 억제되는 저온 산화 영역에서 이루어지도록 하는 연소기술이다. 저온연소를 달성하는 방법으로는 크게 대용량이 EGR 을 공급하고 연료분사시기를 진작시키는 high dilution 방법과 적당량의 EGR을 공급하는 대신 연료를 TDC 근체에서 분사하는 late-injection 방법 (일명 Modulated Kinetics)으로 나눌 수 있다. 이번 연구에서는 이 중 MK 방법을 사용하여 저온연소 운전영역에서 연료 분사압력의 변화가 엔진의 출력 미 배기성능에 주는 영향을 디젤 단기통 엔진을 이용하여 조사하였다. 엔진 실험 결과를 살펴보면 MK 연소가 산소농도 16%, 분사압 950~1050 bar 사이에서 성공적으로 구현되어 NOx와 Smoke 의 동시 저감이 이루어짐을 확인하였다. 특히 MK 연소 영역에서 분사압이 높아짐에 따라 Smoke의 발생이 억제될 뿐만 아니라 THC 및 CO의 배출은 감소하고 NOx의 배출은 증가함을 알 수 있었다. 또한 분사시기가 TDC와 가까워짐에 따라 THC와 CO의 배출은 증가하는 반면 Smoke와 NOx의 배출은 감소함을 확인하였다. Diesel low temperature combustion (LTC) is the concept where fuel is burned at a low temperature oxidation regime so that NOx and particulate matters (PM) can simultaneously be reduced. There are two ways to realize low temperature combustion in compression ignition engines. One is to supply a large amount of EGR gas combined with advancing fuel injection timing. The other is to use a moderate level of EGR with fuel injection at near TDC which is generally called Modulated kinetics (MK) method. In this study, the latter was used to realize LTC operation in a single cylinder engine and the effects of fuel injection pressure on performance and emissions were evaluated. The engine test results show that MK operations were successfully achieved with 16% O2 concentration and injection pressure of 950 to 1050 bar, and NOx and PM were significantly suppressed at the same time. In addition, with an increase in fuel injection pressure, the levels of smoke, THC and CO were decreased while NOx emissions were increased. Moreover, as fuel injection timing retarded to TDC, more THC and CO emissions were generated and smoke and NOx were decreased.

저온연소영역에서 흡기압에 따른 바이오디젤 엔진의 성능 특성

장재훈(Jaehoon Jang),이선엽(Sunyoup Lee),이용규(Yonggyu Lee),오승묵(Seungmook Oh) 한국자동차공학회 2012 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2012 No.5

바이오디젤은 연료 특성상 일반 디젤에 비하여 Smoke의 배출이 적은 것으로 확인되며 이러한 이유로 저온요소에 유리한 조건을 가진다. 일반적으로 저온연소를 구현하는 운전영역은 일반 연소보다 엔진의 성능과 연료소비율 측면에서 불리하다고 알려져 있으나 과급을 이용하여 회복이 가능하다는 보고가 있다. 본 연구에서는 대두유 기반의 바이오디젤을 이용하여 저온연소를 구현함과 동시에 흡기압 변화로 인한 엔진성능 및 연료소비율 그리고 배기성능의 변화를 알아보고자 한다. 실험은 단기통 엔진을 이용하여 엔진 부하 25%와 50% 회전수 1400rpm에서 절대압 기준 1bar, 2bar, 2.5bar로 과급하였으며 EGR공급은 모사가스를 이용하였다. 실험에서 얻은 결과를 살펴보면 흡기압에 따라 5-8%의 산소 농도에서 저온연소가 구현되었다. 특히, 흡기압이 늘어날수록 Smoke의 발생량이 줄어들었으며, 25%부하의 운전에서는 smoke의 발생이 상당히 낮은 수준을 보여주었다. CO와 THC에서도 흡기압이 늘어날수록 배출량이 줄어 들었다. 출력 면에서는 바이오 디젤이 낮은 발열량에 의해 전반적으로 출력이 낮았으나 흡기압이 증가함에 따라 출력이 증가함을 볼 수 있었다.

과급에 의한 바이오디젤의 저온연소 운전영역 확장에 관한 연구

오승묵(Seungmook Oh),장재훈(Jaehoon Jang),이용규(Yonggyu Lee),이선엽(Sunyoup Lee) 대한기계학회 2011 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2011 No.10

바이오디젤 연료는 그 안에 포함된 산소성분으로 인해 압축착화엔진에 사용했을 때 일반디젤 연료보다 더 적은 입자상 물질을 배출한다. 따라서 이 연료를 저온연소 기법에 적용하는 경우 보다 효과적으로 NOx-PM을 동시 저감할 수 있고 그로부터 저온연소 운전영역의 확장을 기대할 수 있다. 이번 연구에서는 일반디젤과 대두유 기반의 바이오디젤 연료를 이용하여 Dilution controlled regime에서의 저온연소 운전을 구현하고 성능 및 배기 특성을 조사하였다. 엔진 실험 결과로부터 바이오디젤 연료의 경우 디젤에 비해 약 14% 낮은 발열량에도 불구하고 높은 세탄가 및 함산소 성질로 인한 연소효율 증가로 동일 연료량 분사 시 이보다 더 낮은 약 10~12% 정도의 출력이 감소함을 볼 수 있었다. 배기 측면에서도 바이오디젤 내 산소원자가 입자상물질의 산화반응을 촉진하여 최대 90%의 smoke 저감이 가능하며 THC, CO 역시 감소함을 관찰하였다. 또한 엔진 과급 실험으로부터 과급을 사용하여 저온연소 및 바이오디젤 사용으로 인한 출력 저하를 개선할 수 있음을 확인하였으며 과급과 바이오디젤 연료의 동시적용을 통해 더 적은 EGR 가스 투입으로도 저온연소에 상응하는 PM-NOx 동시 저감이 가능함을 보여주었다. 이런결과는 결국 이와 같은 과급 및 바이오디젤 연료의 적절한 조합으로부터 엔진 출력 향상과 배기특성 개선이 동시에 달성할 수 있음을 의미하며 이로부터 운전영역의 확대가 가능함을 제시하였다. Due to its O content, biodiesel (BD) has benefits in lowering PM in CI engines. This ability can make the fuel considered as one of the best candidates for LTC operation since use of BD can extend the regime for simultaneous reduction of PM and NOx. Thus, in this study, LTC operation was realized with BD and diesel at 5~7% O2 fraction. Engine test results show that use of BD raised efficiency and reduced emissions such as PM, THC and CO while IMEP was decreased by 10~12% due to lower LHV of the fuel. Especially, smoke was suppressed by up to 90% since O atom in BD enhanced soot oxidation reaction. To compensate IMEP loss, turbocharging (TC) was then tested and the results show that not only was power output increased but also PM was reduced further. Moreover, TC in BD engine operation allowed a similar level of reduction in both NOx and PM at 11~12% O2 fraction, meaning that there is a potential to widen the operating range by the combination of TC and BD.

분사량에 따른 디젤 및 바이오디젤의 저온연소 특성 비교

장재훈(Jaehoon Jang),이선엽(Sunyoup Lee),이용규(Yonggyu Lee),오승묵(Seungmook Oh) 한국자동차공학회 2011 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2011 No.5

바이오디젤 연료를 압축착화 엔진의 연료로 사용하는 경우 바이오디젤 안에 포함된 산소원자로 인해 일반 디젤 연료에 비해 PM의 발생을 근원적으로 낮아지는 장점이 있다. 따라서 바이오디젤 연료를 저온연소 기법에 적용함으로써 PM 생성이 억제되는 영역을 확대하고 이를 통해 엔진 운전영역을 확장 및 효율 향상이 가능하기 때문에 최근 이에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이번 연구에서는 단기통 압축착화엔진을 이용하여 dilution controlled regime에서의 저온연소 운전 시 대두유 기반의 바이오디젤 연료의 분사량 변화가 엔진의 성능 및 배기 성능에 미치는 영향을 살펴 보고, 이를 일반 디젤을 이용한 저온연소 엔진 실험 결과와 비교, 바이오디젤의 사용으로 인한 운전영역의 확대 가능성에 대하여 조사하였다. 이를 위해 모든 운전조건에서 엔진회전수 1400rpm, 흡기 과급압력 2 bar를 유지한 상태로 실험을 진행하였으며, 모사 배기재순환가스 (Simulated EGR gas)를 사용하여 실린더 내의 산소농도를 조절, 저온연소를 구현하였다. 실험 결과를 살펴보면 먼저 디젤과 바이오디젤 모두 7~8%의 산소 농도에서 저온연소 운전이 가능함을 확인하였다. 특히, 바이오디젤을 이용한 경우 저부하 영역(m<SUB>fuel</SUB>=0.256 g/sec) 에서는 상당히 낮은 수준의 smoke이 발생함을 알 수 있었으며, 중부하 영역(m<SUB>fuel</SUB>=0.498 g/sec) 조건에서도 일반 디젤 연료에 비하여 약 50% 이상의 smoke 감소율을 볼 수 있었다. 또한 바이오디젤을 사용하는 경우 THC 및 CO의 배출 역시 크게 감소함을 알수 있었으며 출력 면에서는 바이오디젤의 낮은 발열량에 의해 일반 디젤 대비 약 10~12% 정도의 출력 저하 및 약 14~15%의 연료소비율 증가를 보였다.

대두유 바이오 디젤연료가 압축 착화 연소에서 배기가스에 미치는 영향

한만배(Manbae Han) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.10

1.7L 커먼레일 직접분사 디젤엔진에 대하여 바이오 디젤 연료가 conventional 연소(PM-NOx 트레이드오프 존재)와 저온 연소(low temperature combustion, LTC)에서 배기가스 배출에 미치는 영향을 분석하였다. LTC 연소는 conventional 연소 대비 다량의 EGR 과 연료분사 조건 최적화를 통하여 이루어졌다. 실험에 사용한 두 가지 연료는 초저유황 디젤연료(ultra low sulfur diesel fuel, ULSD), ULSD 에 대두유를 20%(vol. base)혼합한 바이오 디젤 연료(B20)이다. 사용된 연료에 관계없이 LTC 연소를 통하여 conventional 연소 대비 PM 및 NOx 의 동시 저감이 가능하였다. 동일한 엔진작동 조건에 대하여 conventional 연소의 경우 B20 는 ULSD 보다 PM은 적게 배출되나, NOx 는 많이 배출되었다. LTC 연소의 경우 B20 는 ULSD 보다 PM 및 NOx 생성이 많았다. This study aims to investigate the effects of soybean biodiesel fuel on exhaust emissions with regards to two combustion modes: conventional combustion(existence of PM-NOx trade-off behavior) and low temperature combustion(LTC) in a 1.7 L common rail direct injection diesel engine. As compared to conventional combustion, LTC was achieved by adopting a heavier exhaust gas recirculation and strategic injection parameter optimization. Two sets of fuels, i.e. ultra low sulfur diesel(ULSD) and 20% volumetric blends of soybean biodiesel with ULSD(B20) were used. Regardless of the fuel type, in LTC the simultaneous reduction of PM and NOx was observed and both levels were significantly lower than in case of conventional combustion. Under the given engine operating condition in the case of conventional combustion, B20 produced less PM and more NOx than ULSD. In the case of LTC combustion, B20 produced more PM and NOx than ULSD.

과급에 의한 디젤 및 바이오디젤의 저온연소 운전영역 확장에 관한 연구

장재훈(Jaehoon Jang),오승묵(Seungmook Oh),이용규(Yonggyu Lee),이선엽(Sunyoup Lee) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集B Vol.36 No.11

바이오디젤 연료는 그 안에 포함된 산소성분으로 인해 압축착화엔진에 사용했을 때 일반디젤 연료보다 더 적은 입자상 물질을 배출한다. 따라서 이 연료를 저온연소 기법에 적용하는 경우 보다 효과적으로 NOx-PM을 동시 저감할 수 있고 그로부터 저온연소 운전영역의 확장을 기대할 수 있다. 이번 연구에서는 일반디젤과 대두유 기반의 바이오디젤 연료를 이용하여 산소농도 5~7%의 Dilution controlled regime에서 저온연소 운전을 구현하고 성능 및 배기 특성을 조사하였다. 엔진 실험 결과로부터 바이오 디젤 연료의 경우 디젤에 비해 약 14% 낮은 발열량에도 불구하고 높은 세탄가 및 함산소 성질로 인한 연소효율 증가로 동일 연료량 분사 시 이보다 더 낮은 약 10~12% 정도의 출력이 감소함을 볼 수 있었다. 배기 측면에서도 바이오디젤 내 산소원자가 입자상물질의 산화반응을 촉진하여 최대 90%의 smoke 저감이 가능함을 관찰하였다. 또한 엔진 과급 실험으로부터 과급을 사용하여 저온연소 및 바이오디젤 사용으로 인한 출력 저하를 개선할 수 있음을 확인하였으며 과급과 바이오디젤 연료의 동시 적용을 통해 산소농도 11~12%의 EGR 가스 투입으로도 저온연소에 상응하는 PM-NOx 동시 저감이 가능함을 보여 주었다. 이런 결과는 결국 이와 같은 과급 및 바이오디젤 연료의 적절한 조합으로부터 엔진 출력 향상과 배기특성 개선이 동시에 달성할 수 있고 이로부터 운전영역의 확대가 가능함을 의미한다. Due to its oxygen (O) content, biodiesel (BD) is advantageous in that it lowers PM emissions in CI engines. Therefore, BD is considered one of the best candidates for low temperature combustion (LTC) operation because its use can extend the regime for simultaneous reduction of PM and NOx. Thus, in this study, LTC operation was realized using BD and diesel with a 5~7% O₂ fraction. Engine test results show that the use of BD increased the efficiency and reduced emissions such as PM, THC, and CO; furthermore, IMEP reduced by 10~12% owing to the lower LHV of the fuel. In particular, smoke was suppressed by up to 90% because O atoms in the BD enhanced the soot oxidation reaction. To compensate the IMEP loss, turbocharging (TC) was then tested, and the results showed that the power output increased and PM was reduced further. Moreover, TC in BD engine operation allowed a similar level of reduction in both NOx and PM at 11~12% O₂ fraction, suggesting that there is a potential to widen the operating range by the combination of TC and BD.

저온디젤연소에서 고세탄가 연료의 방향족 및 T90 온도가 배기가스에 미치는 영향

한만배(Manbae Han) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.4

1.9L 커먼레일 직접분사 디젤 엔진을 이용하여 1500rpm 2.6bar BMEP 에서 다량의 EGR(약 41%)과 연료분사 제어를 통한 저온디젤연소 영역에서 연료의 특성이 연소와 배기가스에 미치는 영향을 분석하였다. 사용한 연료는 세탄가 55 에 대하여 방향족 성분(20%, 45%, vol. %)과 T90 온도(270℃, 340℃)의 조합으로 네 개이다. 주어진 실험 조건에서 모든 연료에 대하여 착화지연 기간이 증가함에 따라 PM 은 단조적으로 저감되었다. 동일한 착화지연 기간에 대하여 T90 온도가 높은 연료들의 PM 발생이 높았다. NOx 는 동일한 MFB50% 위치에서 모든 연료가 동등 수준이었다. THC, CO 발생은 연료 조성에 관계없이 동일한 착화지연 기간에 대하여 동등 수준이었다. 또한 착화지연 기간 증가에 따라 THC, CO 배출이 증가하였는데 이는 과혼합 증가가 주 원인으로 판단된다. The aim of this study is to investigate the effects of aromatics and T90 temperature for high cetane number (CN) of diesel fuels on combustion and exhaust emissions in low-temperature diesel combustion in a 1.9 L common rail direct injection diesel engine at 1500 rpm and 2.6 bar BMEP. Four sets of fuels with CN 55, aromatic content of 20% or 45% (vol. %), and T90 temperature of 270℃ or 340℃ were tested. Given engine operating conditions, all the fuels showed the same tendency of decrease of PM with an increase of an ignition delay time. At the same ignition delay time, the fuels with high T90 produced higher PM. At the same MFB50% location the amount of NOx was similar for all the fuels. Furthermore, at the same ignition delay time the amounts of THC and CO were similar as well for all the fuels. The amount of THC and CO increased with an extension of the ignition delay time mainly because of the increase of fuel-air over-mixing.

저온디젤연소에서 저세탄가 연료의 방향족 및 T90 온도가 배기가스에 미치는 영향

한만배(Manbae Han) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.12

1.9L 커먼레일 직접분사 디젤 엔진을 이용하여 1500rpm 2.6bar BMEP 에서 다량의 EGR (약 41%)과 연료분사 제어를 통한 저온디젤연소 영역에서 연료의 특성이 연소와 배기가스에 미치는 영향을 분석하였다. 사용한 연료는 세탄가 30 에 대하여 방향족 성분 (20%: A20, 45%: A45)과 T90 온도(270℃: T270, 340℃: T340)의 조합으로 네 개이다. 주어진 엔진 운전 영역에서 실험계획법을 이용하여 방향족 성분 및 T90 온도에 따른 연소 및 배기가스에 미치는 영향을 분석하였다. 착화지연 기간은 T90 온도가 지배적인인자로 T90 온도 증가에 따라 착화지연 기간도 증가하였다. 저세탄가에 의한 착화지연 기간의 증가로 네 가지 연료 모두 PM 배출은 거의 없었다. NOx 배출은 방향족 성분이 지배적인 인자로 방향족 성분증가에 따라 NOx 배출이 증가하였다. This study is to investigate the effects of aromatics and T90 for low cetane number (CN) fuels on combustion and exhaust emissions in low-temperature diesel combustion. We use a 1.9-L common rail direct injection diesel engine at 1500 rpm and 2.6 bar BMEP. Low temperature diesel combustion was achieved via a high external EGR rate and strategic injection control. The tested fuels four sets: the aromatic content was 20% (A20) or 45% (A45) and the T90 temperature was 270℃ (T270) or 340℃ (T340) with CN 30. Given the engine operating conditions, the T90 was the stronger factor on the ignition delay time, resulting in a longer ignition delay time for higher T90 fuels. All the fuels produced nearly zero PM because of the extension of the ignition delay time induced by the low cetane number. The aromatic content was the main factor that affected the NOx and the NOx increased with the aromatic content.

연소기 헤드용 스테인리스강의 저온 변형 거동

이금오(Keum-Oh Lee),류철성(Chul-Sung Ryu),최환석(Hwan-Seok Choi) 한국항공우주학회 2009 韓國航空宇宙學會誌 Vol.37 No.11

연소기 헤드부는 극저온 유체인 액체산소가 고압으로 작동하고, 동시에 연소기의 추력 으로 인한 하중을 받기 때문에, 극저온에서의 헤드의 구조 안정성 해석을 위한 재료의 변 형 거동 예측은 매우 중요하다. 헤드부의 변형 거동을 예측하기 위해 재료의 저온에서의 인장 변형 거동을 묘사할 수 있는 구성 방정식을 Kocks의 전위 에너지 장벽 모델을 바탕 으로 열적 요소와 비열적 요소의 결합으로 구성하였으며, 극저온에서 장애물들의 증가로 인한 응력의 열적 요소의 증가를 묘사하기 위해서, 장애물로 인해 발생하는 응력 요소를 Ramberg-Osgood 형태의 식으로 구성하였다. 본 모델은 극저온과 상온의 넓은 온도 영역 에서 재료의 변형 거동을 잘 예측하였다. The predictions of the material behavior for the structural stability of thrust chamber mixing head at very-low temperatures are very important since the head is highly pressurized by the liquid oxygen with very-low temperatures and experiences impact load by the thrust of combustion chamber. The constitutive equation to express tensile deformation behavior of the material at very-low temperature to predict deformation behavior of the mixing head is formulated by composition of thermal component and athermal component based on dislocation energy barrier model suggested by Kocks. Also, increase of thermal stress components by the increase of obstacles at low temperatures is formulated to the equation similar with Ramberg-Osgood equation. The suggested model predicted well the material's behavior at the wide temperature ranges from very-low temperature to ambient temperature.