기계식 연료공급시스템 사용 다기통 경유-LPG 혼소엔진에서의 배출가스 특성에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

전체 자동차 등록대수중 건설기계가 차지하는 비율이 낮음에도 불구하고, 건설기계에서 배출되는 배출가스의 기여도는 NOx 15.1%, PM 15.5%, CO 6% 및 VOC 9.1% 등으로 높은 수준을 차지하고 있다. 최근 자동차의 배출 허용기준이 강화되고 있고, 자동차로부터의 오염물질이 저감됨에 따라 전체 오염물질 배출량에서 건설기계가 차지하는 기여도는 증가하고 있다. 운행 중인 건설기계중 약 79.3%는 미규제 및 Tier-1 배출 허용기준 적용을 받고 있기 때문에 오염물질 배출 규제가 어려운 실정이다. 노후 건설기계 엔진에서 PM배출량을 저감하기 위해서는 DPF와 같은 후처리장치가 많이 적용되고 있지만, NOx 저감에 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 기계식 연료펌프를 사용하는 노후 건설기계용 원동기의 배출가스를 저감하기 위해서 LPG 혼소(Dual fuel) 기술을 적용하였고, 베이스 경유엔진 및 LPG 혼소엔진의 배출가스 특성을 측정 및 비교하였다.

혼소 기술을 경유엔진에 적용시 경유 분사량이 감소하여 분사 길이가 짧아지게 된다. 분사 길이 변화는 분무 및 혼합 특성을 변화시키는 요인이 된다. LPG 혼소율 증가에 따라 경유가 혼소전과 동등한 수준의 분사거리확보가 중요하다. 이를 위해서 기계식 연료펌프를 이용한 분무 특성 장치를 구성하였고, 분무 패턴 및 분무 형상을 측정 및 분석하였다. 분사 노즐 직경은 작아지고 홀 개수가 많아진 노즐#2의 경우, 분사거리가 경유 100% 및 50%의 경우 비교하여 각각 약 74%와 79%수준을 나타내어 유사한 분무 도달거리를 나타내어 혼소 엔진에서 연소 개선이 가능할 것으로 파악된다.

현재 건설기계 엔진은 배출가스 검사시험 방법으로 KC1-8모드를 이용하고 있다. 베이스 경유엔진의 최대출력 및 최대 토크선도를 도출하여 KC1-8 모드 측정점을 파악하였다. LPG 혼소의 경우 베이스 경유엔진과 동일한 출력하에서 실험이 진행되었기 때문에 각 엔진은 동일한 KC1-8모드의 측정점에서 배출가스를 측정하고 비교 및 분석하였다. 그리고 LPG 혼소 연소시 연소 특성변화에 따른 엔진변수를 최적화하기 위해서 베이스 경유엔진 및 LPG 혼소시 엔진 연소실 압력파형 취득 및 열발생율을 계산하였다. 배출가스 측정결과와 열발생율 계산결과 분석을 통해 배출가스의 저감원인에 대해서 분석 및 이해하였다.

LPG 혼소시 배출가스를 최적화 할 수 있는 엔진 변수를 고려하기 위해서 분사시기 조정 및 노즐의 개변압 변경, 노즐의 돌출길이 변경, EGR 모사, 산화촉매 장착, SPI(Single point injection), 혼소율 증가 등의 실험을 진행하였다. EGR 모사를 통해 모드별로 약 47.8~66.5%의 NOx가 저감가능하고, 산화촉매 장착으로 CO는 약 89.9%, HC는 약 57.3%의 저감하였다. SPI 및 연료펌프 고압챔버의 체적변화는 배출가스 저감에 기여하지 않는 것으로 확인하였다. 실험용 엔진에서 혼소율은 knocking이 발생하지 않은 영역에서 최고 49.6%까지 증가가 가능함을 확인하였다. 다양한 분사시기 및 노즐 개변압 조절로 NOx 및 soot 각각의 배출 저감을 최적화 가능한 조건을 파악하였다. NOx와 soot의 저감율을 모두 고려하면, 분사 노즐 개변압 180bar, 연료 분사시기는 BTDC 15도 임을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구동향 1
• 1.2 연구목표 5
• 제 2 장 연구장치 구성 6
• 2.1 분사특성 측정장치 6
• 2.1.1 연료공급장치 특성파악 8
• 2.1.2 분사량 측정 18
• 2.1.3 분무특성 측정 32
• 2.2 다기통 엔진셀 구성 35
• 제 3 장 실험결과 및 분석 52
• 3.1 기계식 펌프 및 노즐에서 분사특성 52
• 3.1.1 분사량 측정결과 53
• 3.1.2 분무형상 측정결과 57
• 3.2 다기통 엔진의 경유 운전시 배출가스 특성 61
• 3.3 다기통 엔진의 혼소 운전시 배출가스 특성 66
• 3.3.1 분사시기 변경에 따른 배출가스 특성비교 66
• 3.3.2 개변압 변경에 따른 배출가스 특성비교 71
• 3.3.3 노즐팁 교체에 따른 배출가스 특성비교 76
• 3.3.4 노즐팁 돌출높이에 따른 배출가스 특성비교 80
• 3.3.5 산화촉매 장착에 따른 배출가스 특성비교 85
• 3.3.6 EGR 모사에 따른 배출가스 특성비교 88
• 3.3.7 SPI(single point injection)에 따른 배출가스 특성비교 91
• 3.3.8 연료펌프 고압챔버 체적에 따른 배출가스 특성비교 94
• 3.3.9 혼소율 증가에 따른 배출가스 특성비교 97
• 3.3.10 경유 및 혼소 운전시 연소특성 비교 및 분석 101
• 3.3.11 혼소에 의한 NOx 및 soot 배출특성 분석 106
• 제 4 장 결론 109
• 참고문헌 111