기호설명
- -
: EGR 비율
* School of Mechanical Engineering, Univ. of Ulsan
(Received November 30, 2013 ; Revised March 5, 2014 ; Accepted March 18, 2014)
Key Words: Homogeneous Charge Compressrion Ignition(예혼합압축자기착화 ), Boost( 과급 ), Exhaust Gas
배기가스 재순환 압력상승률 자기착화
Recirculation( ), Pressure Rise Rate( ), Autoignition( ) 초록: 본 연구에서는 HCCI엔진의 과급조건에서 EGR의 영향에 대하여 수치해석적인 방법으로 연구하였 다 . 수치해 석은 CHEMKIN-PRO 에 있는 single-zone model 을 사용하였고 연료로는 N-heptnae, Iso-octane 그리고 PRF50 을 사용하였다 . 사용된 연료의 화학반응 매커니즘과 열역학적 변수들은 Lawrence 의 모델을 사용하였다 연소상의 변화는 열효율에 큰 영향을 미치게 Livermore National Laboratory(LLNL) .
되므로 이영향을 배제하기 위해 본 연구에서는 CA50 을 365
oCA(5
oCA aTDC) 로 일정하게 고정하였다 연 . 구결과 EGR 의 영향으로 줄어든 산소의 영향에 의해 저온산화반응과 NTC, 고온산화반응이 모두 약화되 고 열발생률이 감소하는 것을 확인할 수 있었다 과급과 . EGR 을 함께 사용하게 되면 과급에 의해 증가 한 산소량과 연료의 영향으로 인해 연소가 강화되어 저온산화반응 , NTC, 고온산화반응이 강화되고 열 발생률이 증가하는 것을 확인할 수 있었다 . EGR 만을 사용하는 경우 IMEP 가 감소하는 경향을 나타내지 만 과급과 EGR 을 함께 사용하는 경우 과급의 영향으로 인해 IMEP 가 크게 증가하여 낮은 압력상승률과 높은 출력을 함께 얻을 수 있는 것을 확인하였다.
Abstract: This study used numerical methods to investigates investigate the exhaust gas recirculation (EGR) effect under the condition of boost pressure condition on a homogeneous charge compression ignition (HCCI) combustion engine using numerical methods. The detailed chemical- kinetic mechanisms and thermodynamic – parameters for n-heptane, iso-octane, and PRF50 from the Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) are were used for this study. The combustion phase affects the efficiency and power. To exclude these effects, this study decided to maintain a 50 burn point (CA50) at 5 CA after top dead center aTDC. The results showed that the EGR increased, but the low temperature heat release (LTHR), negative temperature coefficient (NTC), and high temperature heat release (HTHR) were weakened due by theto effect of the O2 reduction. The combined EGR and boost pressure enhanced the autoignition reactivity, . Hhence, the LTHR, NTC, and HTHR were enhanced, and the heat-release rate was increased. also In addition, EGR decraeased the indicated mean effective pressure ( IMEP), but the combined EGR and boost pressure increased the IMEP. As a results, combining the ed EGR and boost pressure was effective to at increase increasing the IMEP and maintaining the a low PRR .
Corresponding Author, [email protected]
2014 The Korean Society of Mechanical Engineers
Ⓒ
은 연소방식의 차이 때문에 기존의 가솔린 엔진 이나 디젤 엔진과 달리 희박한 조건에서 운전이 가능하고 낮은 연소온도를 유지할 수 있어 높은 , 효율과 낮은 배기가스 배출량을 갖는 차세대 엔 진으로 각광받고 있다 하지만 . HCCI 엔진이 상용 화되기 위해서는 해결되어야할 문제가 남아있다.
대표적으로 연소시기를 조절하는 것과 적절한 압 력상승률을 유지하면서 출력을 향상시키는 문제 가 있다.
(1)운전영역을 확대하기위해 여러 가지 방법이 사용 되는데 그 중 하나가 EGR 을 사용하 는 것 이다 . EGR 을 사용하게 되면 비열이 높은 H
2O 와 CO
2의 양이 증가하여 비열비가 증가하게 되고 이 영향으로 인하여 연소기간이 길어지고 열 발생률이 감소하게 된다 이러한 영향으로 압 . 력상승률이 감소하고 운전영역을 확장시킬수 있 다 하지만 열발생 감소로 인해 출력이 감소하는 . 단점이 발생한다.
(2)이렇게 감소한 출력을 증가시 키는 방법으로는 과급을 하는 방법이 있다 하지 . 만 과급을 사용하게 되면 O
2의 양이 증가하게 되 어 자기착화 반응성이 강화되고 이 영향으로 연 소시기가 상당히 앞당겨 지게 된다 이렇게 과도 . 하게 연소시기가 앞당겨 지게 되면 압력상승률이 상당히 증가하게 되고 엔진의 노킹을 유발하게 된다 위에 언급된 것처럼 . EGR 과 과급을 사용하 면 출력감소와 압력상승률 증가에 의한 노킹발생 이라는 문제가 발생하게 된다 하지만 . EGR 과 과급 을 함께 사용하면 이러한 단점을 보완하여 운전 영역이 확대되면서 동시에 출력을 적절하게 유지 할 수 있게 된다.
(3)이 연구에서는 수치해석을 이 용하여 EGR 과 과급을 함께 사용하는 것이 HCCI 연소과정에 어떠한 영향을 미치는지를 화학반응 과정을 분석하여 확인하였다.
Table 2 Fuel properties
2. 수치해석 방법
엔진 모델링 2.1
본 연구에서는 시뮬레이션을 위해 CHEMKIN- PRO에 포함되어 있는 Single-Zone 모델을 사용하 였다 . 실린더 내부와 외부의 열전달과 블로우바이 효과는 고려하지 않았고 , 모든 기체는 이상기체로 가정하였다 . 또한 질량보존의 법칙이 성립한다는 가정 하에 계산이 진행되었다 . 계산은 IVC(Intake Valve Close)부터 EVO(Exhaust Valve Open)까지 122°CA동안 수행하였다 . 시뮬레이션에 사용된 엔 진의 사양은 Table 1에 나타냈다.
화학반응 모델링 2.2
본 연구에서는 n-heptane( 화학종 :654, 반응수 : 2827),
(4)iso-octane( 화학종 :874, 반응수 3796),
(5)PRF50
화학종 반응수 가지 연료를 사용하
( :1032, :4236)(6) 3
였고 화학반응 모델은 Lawrence Livermore National
Laboratory(LLNL) 의 화학반응 모델을 사용하였다 여 .
기서 사용된 Primary Reference Fuel(PRF) 는 n-heptane
과 iso-octane의 혼합연료를 말하며 PRF50 은 각각의
연료가 50:50 의 부피비로 혼합된 연료이다 . n-heptane 과
은 연료로 저온산화반응과
PRF50 two-stage ignition
고온산화반응이 모두 존재하는 연료이고 iso-octane 의 경우 저온산화반응이 나타나지 않는 single-stage
연료이다 자세한 연료의 특성은 에
ignition . Table 2
나타냈다 각 연료의 압력 온도와 열발생률 그래프 . , 를 Fig. 1 에 나타내었다 .
공기 및 모델링
2.3 EGR
공기의 구성성분은 N
2, O
2, Ar 세 가지 성분으 로 단순화시켰고 , 구성 몰분율은 72/21:1:1/21 로 구성했다 대기 중에 있는 . CO
2의 경우 N
2에 포함 시켜 계산했다 시뮬레이션 과정에서 연료는 충 . 분한 양의 산소가 공급되므로 완전연소하게 되고
연소생성물로 CO
2, H
2O, N
2가 발생하고 Ar 은 연 소과정에 참여하지 않고 그대로 생성물에 포함되 어 나온다고 가정했다.
(7)따라서 시뮬레이션에 사 용된 EGR 의 구성성분은 CO
2, H
2O, N
2와 연소과 정에 사용되지 않은 Ar 이 포함되었다고 가정하였 다 본 연구에서 사용된 . EGR 율은 식 (1) 과 같이 정의되었다.
(1)
실린더 안으로 공급되는 공기와 연료 혼합물의 양은 엔진의 출력과 효율에 큰 영향을 미치는 요 소이다 . 본 연구에서는 연료양의 변화에 따른 영 향을 배제하기 위해 EGR율이 변화하더라도 연료 의 양은 일정하게 유지했다 . 또한 실린더 안으로 공급되는 혼합물의 양을 일정하게 유지하기 위해 Fig. 1 Temperature, pressure and heat-release rate
trace for each fuels. CA50=5°CA aTDC
Fig. 2 Mole fraction of in-cylinder charge and equivalence ratio under the constant amount of fuel
Fig. 3 Definition of low temperature heat release, negative temperature coefficient and high temperature heat release
Fig. 4 Effect of the constant CA50
혼합물의 몰수를 동일하게 유지하였고 , 이를 위 해 EGR율을 증가에 따라 CO
2양이 증가하게 되 면 산소의 양을 줄여 투입되는 혼합물의 몰수를 일정하게 유지하였다 . 연료의 양은 EGR을 사용 하지 않은 조건에서 당량비 0.5가 되는 연료의 양을 기준으로 했다. EGR율이 증가함에 따라 공
의 양이 감소하게 되고 당량비는 증가하게 된다.
EGR율 변화에 따른 실린더 내의 가스조성의 몰 분율과 당량비를 Fig. 2에 나타냈다.
2.4 Contribution Matrix
본 연구에서는 EGR과 과급이 연소에 미치는 화 Fig. 5 The effect of changes in EGR ratio on initial temperature, combustion duration and start temperature of
each reactions of each fuels
Fig. 6 Comprarison of contribution matrix between yellow part(r=0/P0=1bar), red part(r=0.5/P0=1bar) and
absolute heat-release rate for n-heptane
학반응의 원리를 분석하기 위해 “Contribution Matrix”를 사용하였다. CHMKIN-PRO에 포함되어 있는 CHEMKIN을 이용하면 모든 반응에 대한 천 이온도에서의 열발생률 데이터를 얻을 수 있다.
이 데이터를 이용하여 각각의 화학반응들이 해당 천이온도에서 총 열발생률에 대한 기여도를 계산 해내고 이 기여도가 일정 비율이 넘었을 때의 화 , 학반응들을 모아놓은 것이 “Contribution Matrix”이 다 . 기여도를 평가하기위한 수식은 식 (2)를 사용
했다.
(8,9)본 연구에서는 총 열발생률에 대한 기여
도가 5%가 넘는 반응들을 이용하여 분석을 하였 다.
연소기간 2.5
본 연구에서는 연소기간을 저온산화반응
고온산화반응 로 나누어 정
(LTHR), (HTHR), NTC
의하였다 저온산화 반응의 경우 전체 열발생률 . 의 1% 가 되는 시기를 저온산화반응의 시작점으 로 설정하였고 , 저온산화반응 이후 열발생률이 최소점이 되는 시기를 전온산화반응 종료시기로
설정하였다 . 고온산화반응의 경우 H2O2 의 몰분 율이 최대가 되는 지점을 고온산화반응의 시작시 기로 가정하였고 전체 열발생률의 , 99% 가 되는 시기를 종료시기로 설정하였다 . NTC 는 저온산화 반응종료 이후부터 고온산화반응 시작 이전까지 의 시기로 설정하였다 이에 대한 자세한 그래프 . 를 Fig. 3 에 나타내었다 .
2.6 CA50 고정
EGR을 사용하면 EGR에 포함된 CO
2와 H
2O의 높은 정적비열과 O
2의 감소로 인해 연소시기가 지연되게 된다 . 이러한 현상 때문에 EGR율 변화 에 따라 연소위상이 각각 다른 시기에 나타나게 되고 이는 엔진의 열효율에 큰 영향을 미치게 된 다.
(10)본 연구에서는 이러한 연소시기 지연에 의 한 효과를 배제하고 EGR과 과급의 효과만을 분 석하기 위해 CA50를 365°CA(5°CA aTDC)로 일정 하게 고정시켰다. CA50을 일정한 시기에 고정시 키기 위해서 실린더 초기온도와 초기압력을 조절 했다. EGR율이 증가하면 연소상이 더 많이 지연 되므로 초기온도를 높여 연소시기를 앞당겨 줬 고, 온도 상승효과로 실린더 내에 투입되는 혼합 기의 양이 줄어들게 되므로 초기압력을 조절하여 혼합기의 양이 일정하도록 유지시켰다. EGR과 과급을 함께 사용한 조건에서는 연소상이 진각되 므로 이 또한 초기온도와 초기압력을 조절하여 CA50을 일정한 시기(5°CA aTDC)로 고정시켰다.
Fig. 4에는 CA50을 일정하게 유지시켰을 때 연소 Fig. 7 Absolute heat-release reates for dominant reactions in autoignition of n-heptane(=0/P
0=1bar and
=0.5/P
0=1bar)
Fig. 8 Comprarison of contribution matrix between yellow part(r=0/P0=1bar), red part(r=0.5/P0=1bar) and absolute heat-release rate for iso-octane
Fig. 9 Absolute heat-release reates for dominant reactions in autoignition of iso-octane(=0/P
0=1bar and
=0.5/P
0=1bar)
시기와 연소시작시기가 어떻게 변화하는지를 나 타내었다.
3. 결과 및 고찰
자연흡기 조건에서의
3.1 EGR 효과
3.1.1 n-heptane
자연흡기상태에서의 EGR 율의 증가가 각 연료 의 연소특성에 미치는 효과를 확인하기 위해 초 기압력을 1bar 로 설정하고 EGR 율을 증가시키면서 수치해석을 시행했다 . Fig. 5 에는 각 연료의 EGR 율 증가에 따른 초기온도 연소기간 각 반응들의 , , 시작온도에 대한 결과를 나타냈다 . n-heptane 의 경 우 연소시기가 지연되는 것을 보정해 주기 위해 초기온도를 높여 주였기 때문에 초기온도는 점점 증가하는 경향을 나타냈다 . EGR 율이 증가함에 따 라 연소 시작시기가 진각되고 연소기간이 길어지 는 것을 확인할 수 있다 또한 . EGR 율이 증가함에 따라 저온산화반응이 높은 온도에서 시작되고 이 와는 대조적으로 고온산화반응은 낮은 온도에서
시작되는 경향을 보였다 이러한 경향이 나타난 원 . 인을 확인해 보기 위해 본 연구에서는 Contribution
와 각 화학반응들의 열발생률을 확인해 보았 Matrix
다 . Fig. 6 에는 Contribution Matrix 와 각 반응들의 열 발생률 그래프를 나타냈다 . Contribution Matrix 에 서 EGR 이 사용되지 않은 자연흡기상태의 반응은 노란색으로 , EGR 율이 0.5 인 조건은 빨간 네모로 표시했다 . Contribution Matrix 에서 확인할 수 있듯 이 EGR 의 영향으로 저온산화반응과 고온산화반 응이 약화되었다 우측에 열발생률 그래프에서 또 . 한 EGR 의 영향으로 저온산화반응과 고온산화반 응이 모두 약화되어 각 반응들에 의한 열발생률 이 감소하는 것을 확인할 수 있었고 각 반응들의 , EGR 에 대한 영향을 자세히 확인하기 위해 Fig. 7 에 각 연소영역에 지배적인 영향을 주는 화학반 응들을 나타내었다 왼쪽부터 각각 저온산화반응 . ,
고온산화반응의 자연흡기상태에서의 열발생 NTC,
률과 EGR 율이 0.5 인 경우의 열발생률을 비교하였 다 저온산화반응영역에서 열발생에 가장 지배적 . 인 영향을 미치는 반응들은 연료와 연료의 산화 Fig. 10 Comprarison of contribution matrix between yellow part(r=0/P0=1bar), red part(r=0.5/P0=1bar) and
absolute heat-release rate for PRF50
물들의 산화반응(#114, #125, #1981, #1993, #2188) 이다 . EGR 의 영향으로 투입되는 산소의 양이 감 소하고 이 때문에 연료와 그 산화물들의 산화반 응에 의한 열발생률이 감소하는 것을 확인할 수 있다 . NTC 영역에서 연소에 가장 지배적인 영향을 미치는 반응은 H
2O
2Loop Reaction(#15, #16, #27,
#43) 이다 .
(8,9)이 반응은 H
2O
2의 소모 없이 CH
2O 와
O
2를 소모하여 많은 양의 열을 발생시키는 반응 이다 . EGR 의 영향으로 저온산화반응이 약화되고 이 때문에 저온산화반응 과정 중 생성되는 CH
2O 의 감소와 EGR 투입으로 인한 O
2가 감소하는 영 향이 더해져 NTC 또한 약화되고 이러한 영향으 , 로 열발생률이 감소하는 것을 확인할 수 있다 고 . 온산화반응의 경우 와 만을 포함한 반응들이 O H 연소에 지배적인 영향을 미치게 된다.(#1, #4, #8,
저온산화반응과 반응에서 생성되는
#12, #24) NTC
H
2O 와 OH 가 감소하고 EGR 투입으로 인해 O
2가 감소하고 이 영향으로 고온산화반응 또한 약화되 , 고 열발생률도 감소하는 것을 확인할 수 있다.
3.1.2 iso-octane
를 보면 의 경우 과
Fig. 5 iso-octane n-heptane 과는 다르게 저온산화반응이 나타나지 않 PRF50
는 것을 확인할 수 있다 또한 . EGR 율이 증가해 도 거의 일정한 시기에 연소가 일어나는 것을 확 인할 수 있다 또한 . EGR 율 증가에 따라 연소기 간의 변화가 크게 일어나지 않다가 EGR 율이 0.5 인 경우 연소시간이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다 고온산화 반응의 시작온도는 . EGR 율이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였지만 감소하 는 정도는 n-heptane 에 비해 크지 않은 것을 확인 할 수 있었다 . Fig. 8 에서 Contribution Matrix 와 열 Fig. 11 Absolute heat-release reates for dominant reactions in autoignition of PRF50(=0/P
0=1bar and =0.5/P
0=1bar)
Fig. 12 Comparison of initial temperature, combustion duration, start temperature of each reactions of each fuels
발생률 그래프를 보면 EGR 의 영향으로 전체적인 반응이 약화된 것을 확인할 수 있다 위 결과를 . 자세히 확인하기 위해 Fig. 9 에 NTC 와 고온산화 반응에 지배적인 영향을 미치는 반응들을 따로
나타내어 EGR 의 영향을 확인했다 . NTC 결과를 확인해 보면 iso-octane 또한 n-heptane 과 마찬가지 로 연료와 그 산화물들에 의한 열발생이 존재하 지만 그 양이 적어 저온산화반응이 나타나지 않 Fig. 14 Absolute heat-release reates for dominant reactions in autoignition of n-heptane(=0.5/P
0=1bar and
=0.5/P
0=1bar)
Fig. 13 Comprarison of contribution matrix between yellow part(r=0.5/P0=1bar), red part(r=0.5/P0=1bar) and
absolute heat-release rate for n-heptane
는 것을 확인할 수 있다 .(#1071, #1176, #3389, 의 영향으로 인해 산소의 양이 감소
#3457) EGR
하고 연료와 산화물들의 반응이 약화되고 동시에
H
2O
2Loop Reaction(#16, #27, #43) 도 약화되어 전 체적인 열발생률이 감소하게 되는 것을 확인할 수 있다 고온산화반응은 약화된 . NTC 의 영향과 Fig. 16 Absolute heat-release reates for dominant reactions in autoignition of
iso-octane(=0.5/P
0=1bar and =0.5/P
0=1bar)
Fig. 15 Comprarison of contribution matrix between yellow part(r=0.5/P0=1bar), red part(r=0.5/P0=1bar) and
absolute heat-release rate for iso-octane
O
2의 감소에 의해 반응이 약화되고 열발생률이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
3.1.3 PRF50
의 경우 율이 가 되면 저온산화반 PRF50 EGR 0.5
응이 사라지는 것을 확인할 수 있다 . EGR 율이 증 가함에 따라 저온산화반응이 시작되는 온도는 계 속해서 증가하고 고온산화반응의 시작온도는 거의 일정하게 유지되다가 EGR 율이 0.5 가 되면 증가하 는 경향을 나타내었다 . Fig. 10 에 Contribution Fig. 17 Comprarison of contribution matrix between yellow part(r=0.5/P0=1bar), red part(r=0.5/P0=1bar) and
absolute heat-release rate for PRF50
Fig. 18 Absolute heat-release reates for dominant reactions in autoignition of PRF50(=0.5/P
0=1bar and
=0.5/P
0=1bar)
로 인해 저온산화반응 영역에서 연료의 산화반응 이 일어날 수 있는 충분한 시간을 갖지못해 NTC 영역으로 넘어가기 때문으로 판단된다 이러한 영 . 향으로 인해 연료의 산화물에 의한 열발생률도 감 소하게 되는 것을 확인할 수 있다 . NTC 또한 EGR 의 영향으로 약화되며 특히 저온산화반응이 발생 하는 온도 부근에서의 반응이 크게 약화되는 것을 확인할 수 있는데 (#32, #46, #50) 이는 저온산화반 응의 약화로 인한 CH
2O 생성량의 감소에 의한 것 으로 판단된다 고온산화반응 또한 . EGR 의 영향으 로 반응이 약화되어 열발생률이 감소하는 것을 확 인할 수 있다 이는 . NTC 약화로 인한 H
2O 와 OH 생성량 감소에 기인하는 것을 확인할 수 있다.
과급 조건
3.2 (P
0=2bar 에서의 ) EGR 효과 3.2.1 n-heptane(P
0=2bar)
과급 조건에서 각 연료에 EGR 율의 증가가 연 소특성에 미치는 효과를 확인하기 위해 초기압력 을 2bar 로 설정하고 EGR 율을 증가시키면서 수치 해석을 시행했다 . Fig. 12 에는 과급을 하지 않은 경우를 파란 점선으로 과급을 한 경우를 빨간 , 실선으로 나타내어 각 경우에 초기온도 연소기 , 간 , 저온산화반응과 고온산화반응의 반응 시작 시기를 비교하였다 . n-heptane 의 경우 과급의 영 향으로 O
2의 양이 증가해 자발화 반응성이 증가 하고 이 영향으로 연소시기가 짧아지는 현상이 나타났다 또한 고온산화반응 시작온도가 낮아지 . 고 저온산화반응의 반응온도는 높아지는 경향이 나타났다 . Fig.13 에는 n-heptane 에서 자연흡기조건 에서 EGR 율이 0.5 인 경우와 과급조건에서 EGR 율이 0.5 인 경우의 Contribution Matrix 와 열발생률 을 비교하였다 . Contribution Matrix 자연흡기상태 에서 EGR 율이 0.5 인 경우를 노란색으로 과급상 ,
반응의 영향과 더불어 과급에 의한 O
2의 증가로 인해 강화되고 열발생률이 증가하였다.
3.2.2 Iso-octane(P0=2bar)
에서 의 경우 과 마찬가
Fig.11 iso-octane n-heptane
지로 O
2양의 증가로 연소기간이 짧아지는 경향이 나타난다 . 고온산화반응의 시작온도는 EGR 율이 일 때 증가한 후 지속적으로 감소하는 것을 0.3
확인할 수 있다 . Fig. 15 를 보면 과급의 영향으로 , 와 고온산화반응이 강화되고 열발생률이 증 NTC
가하는 것을 확인할 수 있다 . Fig. 16 에는 NTC 와 고온산화반응에 지배적인 영향을 미치는 반응들 을 각각 나타내었다 과급에 의해 . O
2가 증가한 영향으로 인해 NTC 반응이 강화되어 열발생률이 증가하는 것을 확인할 수 있었다 특히 연료와 . 산소의 산화반응이 강화되고 이 때문에 EGR 의 영향으로 열발생률이 감소해 그래프에 나타나지 않았던 반응 (#3389) 이 과급의 영향으로 인해 열발 생률이 상승하고 그래프에 나타나는 것을 확인할 수 있다 고온산화반응 또한 증가한 . O
2의 영향으 로 인해 반응이 강화되고 열발생률이 증가한 것 을 확인할 수 있다.
3.2.3 PRF50(P
0=2bar)
에서 의 경우 과급의 영향으로 인해 Fig. 11 PRF50
연소기간이 짧아지고 저온산화반응의 시작온도 또
한 낮아지는 것을 확인할 수 있다 고온산화반응의 .
시작온도는 자연흡기상태와 큰 차이가 없지만 EGR
율이 0.5 가 되면 큰 차이를 보이게 되는데 이는 자
연흡기상태에서 EGR 율이 0.5 인 경우 저온산화반응
이 존재하지 않아 고온산화반응의 시작온도가 크게
상승하지만 과급을 하게 되면 저온산화반응이 강화
되어 저온산화반응이 다시 나타나게 되는 영향으로
판단된다 . Fig. 17 을 보면 과급의 영향으로 인해 저
온산화반응이 크게 강화되고 이 때문에 자연흡기상 태에서 나타나지 않았던 저온산화반응이 과급조건 에서는 다시 나타나는 것을 확인할 수 있다. Fig. 18 을 보면 이 효과를 자세히 확인할 수 있다 먼저 저 . 온산화반응을 살펴보면 과급에 의해 증가한 O
2와 연료의 영향으로 인해 저온산화반응이 크게 강화되 고 이 영향으로 자연흡기상태에서 사라졌던 반응인
두 반응이 다시 그래프에 나타나는 것
#3168, #3873
을 확인할 수 있다 앞에 언급된 반응 외에도 다른 . 반응들 (#1871, #3217, #3961) 도 강화되고 저온산화반 응이 다시 발생하는 것을 확인할 수 있었다. NTC 또한 과급의 영향으로 인해 반응이 강화되어 열발 생률이 증가하고 특히 저온산화반응 영역에서의 반 응이 크게 강화된 것을 확인할 수 있다 고온산화반 . 응 또한 반응이 강화되지만 저온산화반응이나 NTC 에 비해 그 정도가 미미하고 열발생률도 크게 상승 하지 않을 것을 확인할 수 있다.
3.3 IMEP & PRR
본 연구에서 EGR과 과급이 HCCI 연소에서 운 전영역 확대에 어떠한 영향을 미치는지 확인하기 위해 IMEP 와 압력상승률을 확인하였고 , 이를
에 나타내었다
Fig. 19 . 자연흡기상태에서 각 연료 의 IMEP는 n-heptane이 가장 높았고 iso-octane이 가장 낮은 값을 나타내었다. EGR율이 증가함에 따라 산소량의 감소에 의해 각 반응들의 열발생 률이 감소하고 , 이러한 영향으로 IMEP가 감소하 는 것을 확인할 수 있다 . 과급을 하게되면 열발
한 경우와 과급조건에서 EGR을 사용한 경우에 각각의 화학반응이 어떻게 변화하고 이러한 변화 가 HCCI연소에 어떠한 영향을 미치는지에 대하 여 연구하였다 . 그 결과 EGR을 사용하게 되면 O
2가 감소하고 이로 인해 연료와 연료의 산화물 들에 의한 산화반응이 약화되어 저온산화반응이 약화되게 된다. NTC 또한 약화된 저온산화반응 의 영향으로 인한 CH
2O의 감소와 O
2감소로 인해 약화되고 , 고온산화반응 또한 약화된 저온산화반 응과 NTC의 영향과 더불어 O
2의 감소로 인해 약 화되게 된다 . 이로 인해 전체적인 열발생률이 감 소하게 되고 IMEP도 EGR율 증가에 따라 감소하 는 것을 확인할 수 있다 . 본 연구에서는 과급시 초기압력을 2bar로 설정하였고 , 이 영향으로 실 린더로 공급되는 O
2와 연료가 2배가 되게 된다.
O
2의 증가는 자발화의 반응성을 강화시키고 EGR 에 의해 약화되었던 반응들이 다시 강화되고 열 발생률이 증가하는 것을 확인할 수 있었다 . 열발 생률의 증가에 의해 IMEP또한 증가하였고 PRF50 의 경우가 가장 큰 증가율을 나타냈다 . 이를 통 해 과급과 EGR을 함께 사용하게 되면 EGR을 사 용함으로써 압력상승률을 낮춰 운전영역을 확대 시킴과 동시에 EGR의 영향으로 감소된 출력을 과급을 통해 증가시킬 수 있음을 확인했다.
후 기
본 연구는 교육부와 한국연구 재단의
" 지역혁
신인력양성사업으로 수행된 연구결과임."
참고문헌
