異種燃料 層狀噴射 시스템을 적용한 디젤엔진에서 光 計測에 의한 燃燒解析

국문 초록 (Abstract)

디젤엔진은 열효율 및 연료 경제성 측면에서 가솔린엔진에 비해 우수하기 때문에 향후 각종자동차의 주 동력원으로 사용될 것으로 예상되지만 디젤엔진의 주된 유해배출물질인 NOx와 soot가 환경오염에 심각한 영향을 미치고 두 물질의 생성특성이 상반관계에 있기 때문에 동시저감에 많은 어려움이 있다.
두 물질의 생성특성과 관련 연구결과들을 통해 NOx와 soot를 동시저감하기 위해서는 예혼합 연소시 연소온도를 낮추어 NOx와 soot의 생성을 억제시키고 확산 연소기간을 단축시켜 soot의 산화를 촉진시키는 것이 바람직함을 알 수 있다.
따라서 본 연구에서는 함산소 연료이면서 증발잠열이 큰 메탄올을 이용하여 디젤엔진의 연소를 개선한다. 이를 위해 경유와 메탄올을 연소실 내로 동시에 분사할 수 있는 경유-메탄올 층상분사 시스템을 제작하고 직접분사 디젤엔진에 적용함으로써 두 종류의 유해물질 저감을 꾀한다.
또한, 광 계측법인 이색법과 레이저 여기 산란법을 적용하여 실시간으로 연소실 내의 화염온도 변화와 NOx와 soot의 농도변화를 계측함으로써 이종연료 층상분사에 의한 NOx와 soot의 배출특성을 연구한 결과는 다음과 같다.
층상분사 된 메탄올의 물 함유량이 증가할수록 착화시기 지연으로 예혼합 연소량이 증가하고 연소기간이 단축되는 것을 알 수 있었으며 공급된 메탄올의 증발잠열로 예혼합 연소 시 급격한 압력상승이 억제됨을 알았고 이색법에 의한 화염온도 계측결과를 통해 층상분사된 메탄올의 농도가 낮을수록 예혼합 연소기간에서 급격한 화염온도 상승이 없고 최고 화염온도도 낮게 발생하였다. KL치 결과로부터 경유만을 사용한 경우에 비해 층상분사한 경우에 전체적으로 KL치가 감소하였고 특히 예혼합 연소기간에서 크게 감소하였다.
NOx의 생성에 큰 영향을 미치는 예혼합 연소시의 평균 화염온도와 NOx 배출특성 결과를 비교하여 메탄올 농도가 낮을수록 감소하는 경향이 유사하였고 평균 KL치 값과 soot의 배출특성 결과 역시 층상분사한 경우 감소경향이 유사함을 확인하였다.
그리고 LIS 광 계측결과를 통해 층상분사시 확산 연소 초기의 soot 생성이 억제되고 이 후 메탄올에 의해 soot의 산화가 촉진됨을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

It is expected that diesel engines are used as main power source because thermal and fuel efficiencies are higher than those of gasoline engines. However, NOx and soot from diesel engines have harmful effects on environment. It is difficult to reduce NOx and soot emissions simultaneously because of contradictory characteristics of their formation.
According to formation characteristics of these emission and results of previous related studies, decrement of flame temperature in period of premixed combustion constrains formation of NOx and soot, and shortening of period of diffusion combustion promotes oxidation of soot. It is known that this concept of combustion improvement as stated above is desirable to reduce NOx and soot simultaneously.
In present study, diesel-methanol stratified injection system was manufactured and applied to a DI(direct injection) diesel engine in order to realize combustion improvement using methanol, which is oxygenated fuel with large latent heat.
Variation of flame temperature and soot concentration were measured by using optical diagnostics such as visualization of flame, two color method and laser induced scattering method. Exhaust characteristics of NOx and soot by stratified injection were definitely investigated by using optical diagnostics. Conclusions are as follows.
1. In the case of low concentration of methanol, the premixed combustion rate is increased by delay of ignition timing, so that combustion period becomes shorter. It is known that latent heat of methanol restrains rapid rise of cylinder pressure in the premixed combustion period.
2. From results of two-color method, it is confirmed that flame temperature isn't increased rapidly and the maximum flame temperature becomes low with low concentration of methanol. KL values are reduced by stratified injection, comparing to the case of using diesel fuel only, and in particular are largely reduced in premixed combustion period.
3. As an increase of water rate in methanol, the mean flame temperature is decreased in pre-mixed combustion. As the result, NOx concentration is decreased.
4. In case of the stratified injection, decrease tendency of mean KL value is similar to that of soot emission.
5. From results of LIS measurement, it is shown that soot generation is reduced in initial diffusion combustion and soot oxidation is promoted by methanol.

목차 (Table of Contents)

• 목차
• I. 서론 = 1
• 1. 연구배경 = 1
• 2. 국내·외 연구동향 = 2
• 가. 연료 사용법 관련 연구 = 2
• 나. 광 계측에 관한 연구 = 3
• (1) 이색법 관련 연구 = 3
• (2) 레이저 계측 관련 연구 = 4
• 3. 연구목적 = 5
• II. 실험장치 및 방법 = 7
• 1. 실험장치 = 7
• 가. 이종연료 층상분사 시스템 = 7
• (1) 이종연료의 선택 = 7
• (2) 층상분사의 원리 = 9
• (3) 층상분사 시스템의 설계 및 제작 = 11
• (가) 노즐 및 노즐홀더의 개조 = 11
• (나) 딜리버리 밸브의 개조 = 11
• (다) 연료량 제어장치 = 12
• 나. 분사량 측정장치 = 15
• 다. 연소 실험장치 = 15
• 라. 이색법 계측 시스템 = 17
• (1) 이색법 이론 = 17
• (2) 이색법 계측 시스템 = 21
• 마. LIS광 계측 시스템 = 22
• (1) 가시화 엔진 = 22
• (2) 레이저 광 계측 시스템 = 23
• (3) 제어 시스템 = 24
• 2. 실험방법 = 30
• III. 연구결과 및 고찰 = 31
• 1. 층상분사 시스템의 분사특성 = 31
• 2. 광 계측에 의한 연소해석 결과 = 33
• 가. 이색법에 의한 연소해석 결과 = 33
• 나. LIS 광 계측에 의한 연소해석 결과 = 43
• IV. 결론 = 51
• 참고문헌 = 52
• ABSTRACT = 56