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Ⓒ2014 KSAE / 132-13 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2014.22.6.096 Transactions of KSAE, Vol. 22, No. 6, pp.96-103 (2014)
직접분사식 LPG 엔진의 연소전략 및 공기과잉률 변화에 따른 연소특성 비교
조 시 현1)․박 철 웅*2)․오 승 묵2)․윤 준 규1)
가천대학교 대학원 기계공학과1)․한국기계연구원 그린동력연구실2)
Comparison of Combustion Characteristics with Combustion Strategy and Excess Air Ratio Change in a Lean-burn LPG Direct Injection Engine
Seehyeon Cho1)․Cheolwoong Park*2)․Seungmook Oh2)․Junkyu Yoon1)
1)
Department of Mechanical Engineering, Gachon University, Gyeonggi 461-701, Korea
2)
Engine R&D Team, KIMM, 156 Gajeongbuk-ro, Yuseong-gu, Daejeon 305-338, Korea (Received 7 March 2014 / Revised 29 April 2014 / Accepted 7 May 2014)
Abstract : Liquefied Petroleum Gas(LPG) has attracted attention as a alternative fuel. The lean-burn LPG direct injection engine is a promising technology because it has an advantage of lower harmful emissions. This study aims to investi- gate the effect of combustion strategy and excess air ratio on combustion and emission characteristics in lean-burn LPG direct injection engine. Fuel consumption and combustion stability were measured with change of the ignition timing and injection timing at various air/fuel ratio conditions. The lean combustion characteristics were evaluated as a func- tion of the excess air ratio with the single injection and multiple injection strategy. Furthermore, the feasibility of lean operation with stratified mixture was assessed when comparing the combustion and emission characteristics with premixed lean combustion.
Key words : LPG direct injection(LPG 직접분사), Ultra lean combustion(초희박연소), Spray-guided type combustion system(분무유도방식 연소기구), Brake specific fuel consumption(연료소비율), Combustion stability(연소안정성)
1. 서 론
1)
세계적으로 온난화의 주범인 이산화탄소와 온실 가스에 대한 배출 규제가 강화되고 있다. 배기가스 를 저감하기 위해 하이브리드 자동차 및 연료전지 차량개발, 직분사기술(Direct Injection)과 같은 신기 술개발 및 다운사이징(Downsizing), LPG와 같은 청 정연료의 적용에 관한 연구들이 활발하게 진행되고 있고, 이와 더불어 석탄에너지의 의존도를 줄이기 위한 대체에너지 개발이 활발하게 이루어지고 있 다.1) 그중 액화석유가스(LPG)는 연료의 미립화가 용이하고 유해 배출물을 저감시킬 수 있는 대체연
*
Corresponding author, E-mail: [email protected]
료로 주목받고 있다. LPG연료와 직접분사 기술을 접목시킨 LPG직분사 연소기술은 LPG연료를 연소 실 내로 직접 분사함으로써 연료제어의 정확도를 향상시키고, 이에 따라 연소효율의 극대화가 가능 한 기술이다.2-4) 기존의 MPI(Multi point injection)방 식의 연소시스템에 비해 체적효율 증가 및 펌핑손 실 저감에 따른 출력 및 연비개선을 통해 엔진효율 의 향상이 가능하게 되었다.
가솔린 직접분사 시스템의 1세대에 해당하는 벽 면유도방식(wall-guided type)과 공기유도방식(air guided type)방식은 실린더 내부 유동에 영향을 많이 받기 때문에 운전조건에 관계없이 안정적인 성층혼 합기 형성이 어렵고 실린더 벽면에 남아있는 연료
직접분사식 LPG 엔진의 연소전략 및 공기과잉률 변화에 따른 연소특성 비교
Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus 에서 미연탄화수소를 증가시키는 원인이 있어 초희 박 연소의 어려움이 있었다.5) 이에 반해 2세대인 분 무유도방식(Spray-guided type)의 연소시스템은 실 린더 중앙에 고압의 연료분사기와 점화 플러그가 인접하게 위치하여 안정적인 희박혼합기의 형성이 가능하기 때문에 보다 효율적이며 우수한 연소특성 을 기대할 수 있다.6,7)
따라서 본 연구에서는 분무유도방식을 적용한 직 접분사식 가스엔진에서 연소전략 및 공기과잉률의 변화에 따른 연소 및 배기특성을 파악하고, 기존의 포트분사방식 엔진의 연소와 유사한 예혼합연소 조 건과 희박연소 구현을 위한 성층희박연소 조건에 대해서 각각 연비와 배출가스 특성을 비교하였다.
2. 실험장치 및 방법 2.1 실험장치
본 연구에서는 현재 양산되고 있는 가솔린 엔진 에 직접분사식 초희박 연소기술과 LPG 연료 공급 기술을 적용하기 위해 엔진 및 주변장치를 변경하 였다. Fig. 1은 본 연구에 사용된 실험장치의 개략도 이다. 기존 MPI 방식의 승용차량용 2L급 가솔린 엔 진의 헤드를 재설계하여 분무유도방식(Spray guided
Table 1 Specification of test engine
Engine style DOHC 4V/cy1
Displacement volume (cc) 1,996 Bore × Stroke (mm) 86 × 86
Compression ratio 12:1
Fuel injection pressure 20 MPa
A/F ratio Up to 40
Cam adjustment Intake & exhaust
type)을 적용하였으며, 엔진의 제원을 Table 1에 나 타내었다. LPG 저장탱크 내에 있는 저압연료펌프 로 0.5 MPa의 압력으로 액상의 LPG 연료를 고압펌 프에 공급하고 이렇게 고압펌프로 보내진 연료는 가압되어 커먼레일(Common rail)로 공급된다. 이때 분사되지 않고 재순환되는 연료의 온도가 상승하게 되면 온도변화에 따라 포화증기압의 변화가 큰 LPG 연료의 특성 때문에 고압펌프로의 연료 공급이 어 려울 수 있다. 이에 재순환되는 연료공급 유로의 중 간에 열교환기를 설치하여 고압펌프로 공급되는 연 료의 온도를 일정하게 유지시켰다. 고압연료펌프는 3개의 피스톤으로 구성되어 있어 최대 25 MPa까지 가압이 가능한 플런저 타입의 펌프이다. 연료분사 기는 외부 개방형 노즐(outwardly opening nozzle)을 갖는 피에조 타입을 사용하였고 상기의 연료분사기
Seehyeon Cho․Cheolwoong Park․Seungmook Oh․Junkyu Yoon
를 이용할 경우 싸이클당 최대 4회의 다단분사가 가 능하다. 연료분사압력은 PCV (Pressure Control Valve) 를 통해 20 MPa로 일정한 압력을 유지하였고 피에 조 인젝터 드라이버와 범용 ECU (Engine Control Unit)를 사용하여 연소실에 공급되는 연료 분사량, 연료 분사시기 및 점화시기를 제어하였다. 공기과 잉률을 측정하기 위해서 배기 매니폴드와 각각의 실린더 내에 광역산소센서(LSU 4.2 / LA4, ETAS Co.)를 설치하여 연소된 혼합기의 상태를 실시간으 로 측정하였다. 연소실 내의 연소특성을 파악하기 위해 실린더 내부에 압력센서를 장착하였다. 압력 센서로 측정되는 신호를 연소해석기(Osiris, D2T Co.)를 통해서 실시간으로 계산되는 도시평균유효 압력(Indicated Mean Effective Pressure; IMEP)과 변 동계수(Coefficient of variation; COV) 값을 확인하 고, 변동계수를 나타내는 연소안정성인 COVIMEP 값 은 200 싸이클에 해당하는 연소실 압력을 측정하여 계산하였다. 배기관에 배기가스 측정 라인을 설치 하여 빠져나오는 배기가스를 포집하여 배기가스 분 석기(AMA i60, AVL Co.)를 통해 배기가스를 분석 하였다.
2.2 실험방법
본 연구의 실험조건은 승용차량에서 주로 많이 사용되고 평가되고 있는 2000 rpm의 회전수 및 BMEP(Brake Mean Effective Pressure) 0.4 MPa 의 부 하조건에서 실험을 수행하였다. 최적 분사시기와 점화시기는 연료소비율이 가장 낮을 때로 정의하였 고 최적 타이밍은 Table 2에 나타내었다. 공기과잉 률은 전자식 스로틀 밸브의 개도를 조절하여 이론 공연비 조건에서 희박연소한계영역까지 0.2 단위로 증가시키며 실험을 수행하였다. 단, 연료분사시기 가 BTDC (Before top dead cener) 330 CAD (Cranke angle degree)에 해당하는 조기연료분사를 적용한 Table 2 Optimum spark and fuel injection timing
연소조건
연료분사시기
(CAD, BTDC) 점화시기
(CAD, BTDC) 1st 2nd
단분사 예혼합연소 330 - 29
성층희박연소 47 - 35
다단분사 성층희박연소 47 25 32
예혼합연소 조건에서는 예혼합기에 의한 연소 상태 가 연소안정성을 확보하는 조건까지 측정하였다.
순환되는 냉각수의 온도는 엔진을 Warm-up 시켜 80
± 2°C 로 유지되도록 냉각수 온도 조절 시스템을 설 정하였다.
3. 실험결과 및 고찰
3.1 연료분사 전략에 따른 연소특성 비교 Fig. 2는 흡입공기량이 최대가 되도록 스로틀의 개도가 완전히 열린 상태인 WOT(Wide Open Throttle) 조건의 희박한계영역에서 점화시기를 BTDC 35 CAD 로 고정한 후 연료분사시기의 변경에 따른 연료소 비율(BSFC; Brake Specific Fuel Consumption)과 연 소안정성(COVIMEP)의 변화를 나타낸 그림이다. 연 료분사시기의 경우 BTDC 47 CAD 조건에서 가장 안정적인 연소를 보이며 최저 연료소비율을 나타내 었다. 이는 성층연소를 구현함에 있어서 단분사 조 건의 경우 연료분사시기 이후 약 12 CAD의 간격을 두고 점화가 일어나는 것이 안정적인 희박연소에 가장 효과적임을 보여주는 결과로서, 연료분사시기 와 점화시기간의 간격이 이보다 감소하거나 증가할 경우 점화가 일어나는 시기의 성층혼합기 형성이 적절하지 않은 것으로 예상할 수 있다. Oh 등8,9)의 연구결과에 따르면 연료분사시기가 점화시기에 비 해 과도하게 진각되면 분무 확산에 의해 점화플러 그 주위에 지나치게 희박한 혼합기가 형성되고, 이 와 반대로 지각되면 높은 분위기 압력 조건에 의해
Fig. 2 Effect of injection advance timing on specific fuel con- sumption and COVIMEP(Excess air ratio; λ = 2.3, SA:
BTDC 35 CAD)
Comparison of Combustion Characteristics with Combustion Strategy and Excess Air Ratio Change in a Lean-burn LPG Direct Injection Engine
Fig. 3 Effect of spark and injection advance timing on specific fuel con-sumption and COVIMEP(Excess air ratio; λ = 2.3, intervals between injection timing and spark timing: 12°)
분무도달거리가 감소하거나 지나치게 농후한 혼합 기가 형성되는 것으로 보고되고 있다. 상기의 점화 시기에 대한 상대적인 최적 연료분사시기의 결과는 이러한 연구결과와 일치하는 것으로 볼 수 있다.
정상 희박연소상태에서 점화시기의 변경에 따른 영향을 살펴보기 위해, 상기의 실험에서 확인된 최 적연료분사시기와 점화시기간의 간격인 12 CAD를 유지한 조건에서 점화시기를 BTDC 39 CAD부터 29 CAD까지 변경하면서 연료소비율과 연소안정성의 변화를 살펴보았다. 가장 낮은 COVIMEP 값과 연료 소비율을 나타내는 최적 점화시기는 BTDC 35 CAD 로 나타났으며, 연소상의 진각에 의한 조기 열방출 의 영향보다는 연소안정성에 의한 영향이 크게 나 타나는 결과를 보인다. 상기와 같은 결과를 통해서 성층희박연소 조건에서의 최적 연료분사시기와 최 적점화시기는 각각 BTDC 47 CAD 와 BTDC 35 CAD 로 선정하여 공기과잉률의 변화에 따른 연소특성을 관찰하였다.
Fig. 4는 Table 2에 나타낸 단분사와 다단분사 조 건의 최적 연료분사시기와 점화시기 조건에서 공기 과잉률 변화에 따른 연료소비율과 연소안정성 변화 를 나타낸 것이다. 이론공연비 조건은 조기연료분 사를 적용한 예혼합연소 조건의 결과를 나타낸 것 으로 조기연료분사 시 다단분사에 의한 효과가 거 의 없기 때문에 단분사만을 적용하였다. 이때 다단 분사의 경우에도 상기와 같은 점화시기와 연료분사
Fig. 4 Effect of single injection and multiple injection(I.S.I.
strategy) on specific fuel consumption and COVIMEP
versus excess air ratio
시기의 변화에 따른 최저 연료소비율을 확인한 후 각각의 최적 연료분사시기 및 점화시기를 결정하였 으며, 2회의 연료분사 후에 점화를 일으키는 일반적 인 다단분사 전략이 아닌 I.S.I. (Inter-Injection Spark Ignition) 분사방식을 이용하였다. I.S.I. 분사전략은 최초 연료분사 이후에 점화를 일으키고 다시 연료 를 분사하는 전략으로써, 선행연구를 통해 일반적 인 다단분사 전략에 비해 I.S.I. 전략을 적용했을 때 열효율 증가와 안정적인 연소안정성을 확보할 수 있음을 확인하였다.10) 따라서 본 연구에서도 I.S.I전 략을 이용하여 공기과잉률의 변화에 따른 연소특성을 파악하였다. 이때 분사비율은 첫 번째와 두 번째 연료 분사에 대해서 각각 50%, 50%의 분사비율로 I.S.I 전 략을 적용하였으며, 해당 분사비율의 희박연소 한계 조건에서 안정적인 연소성능을 확보할 수 있었다.
공기과잉률 1.2 조건에서 성층희박연소를 구현 할 경우 조기연료분사와 지각연료분사의 중간영역 에 해당하는 천이영역에 해당하는 운전 조건으로서 적절하게 성층혼합기가 형성되더라도 상대적으로 낮은 공기과잉률로 인해 공기이용률이 감소하기 때 문에 불안정한 연소를 보이며 연료소비율이 급격하 게 증가하였다. 공기과잉률이 1.2 보다 증가하게 되 면 단분사의 경우 안정적인 희박연소에 의해 연소 안정성이 확보되면서 연료소비율이 감소하였다. 이 에 반해 I.S.I. 전략을 이용한 다단분사 조건의 경우 천이영역에서의 연료소비율 증가가 급격하게 일어 나고 연소안정성을 나타내는 COVIMEP 값이 단분사
조시현․박철웅․오승묵․윤준규
의 경우와 달리 공기과잉률의 증가에 따라 점진적 으로 감소하였다. 성층희박연소의 경우 안정적인 연소가 구현되더라도 연소안정성이 이론공연비 조 건에 비해 상대적으로 좋지 않은 결과를 보인다. 단 분사의 경우 천이영역을 제외한 희박연소 조건에서 COVIMEP 값이 5%로 나타났으나 다단분사의 경우는 희박한계 조건에서만 안정적인 연소기준을 만족하 였다. 분무유도방식의 연소시스템의 경우 벽면 또 는 공기유도 방식과 달리 분사된 연료의 성층혼합 기 형성이 외부유동에 의한 영향이 크지 않기 때문 에 공기과잉률의 변화에 관계없이 희박한계 조건과 동일한 연료분사시기 및 점화시기를 동일하게 하였 다. 그러나 다단분사의 경우 이전의 연구결과10)와는 달리 단분사의 경우에 비해 상대적으로 공기과잉률 에 대한 영향이 크기 때문에 상대적으로 흡인공기 량 변화 등의 외부요인에 의한 민감도가 큰 결과를 나타내었다. 이에 대한 원인은 연소압력선도와 열 방출률의 비교를 통해 찾을 수 있다.
점화시기와 공기과잉률의 변화는 연소속도에 영 향을 미치기 때문에 최적연소시기 결정의 기준인자 의 하나인 50%의 질량 연소율각도에 해당하는 CA50의 시기에 영향을 줄 수 있다. Fig. 3과 같이 점 화시기와 연료분사시기 간의 간격을 유지하고 점화 시기를 변경한 경우와 Fig. 4의 공기과잉률이 변경 된 경우에 대하여 각각의 CA50 결과를 Table 3에 정 리하여 나타내었다. 점화시기가 지각됨에 따라 CA50도 지각되었으며 최저 연료소모율을 보이는 최적 연료분사시기와 최적 점화시기인 BTDC 47 CAD 와 BTDC 35 CAD 조건에서 CA50은 약 ATDC 5 CAD로 나타났다. 이는 일반적인 가솔린 엔진의 경우에 비해 다소 진각되어 있는 결과이며, 분무유 도방식 연소시스템의 특징으로 볼 수 있다. 공기과 잉률이 변경됨에 따라 단분사의 경우 큰 차이를 보 이지 않지만, I.S.I. 연소전략의 경우 성층 혼합기 형 성에 의한 영향으로 낮은 공기과잉률 조건에서 TDC 근처로 진각되어 연료소비율 악화에 영향을 준 것으로 판단된다.
Fig. 5와 Fig. 6은 공기과잉률 1.6과 2.3 조건에서 각각의 분사전략에 대한 압력선도와 열방출률을 비 교한 것이다. 다단분사의 경우가 단분사의 경우에
Table 3 50% mass burned fraction for each operation point 점화시기
(CAD, BTDC) 29 31 33 35 37 39
CA50
(CAD, ATDC) -1.8 1.1 4.4 4.9 5.3 5.6
공기과잉률 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.3
CA50 of single
(CAD, ATDC) 10.6 3.9 4.5 4.9 4.9 4.8 4.9
CA50 of I.S.I.
(CAD, ATDC) - -0.9 1.2 2.6 4.2 5.5 6.4
Fig. 5 Pressure diagram and heat release rate for each single injection and I.S.I strategy (Excess air ratio; λ = 1.6 / Single SOI: BTDC 47 CAD, SA: BTDC 35 CAD / I.S.I. SOI: BTDC 47, 25 CAD, SA: BTDC 32 CAD)
Fig. 6 Pressure diagram and heat release rate for each single injection and I.S.I strategy (Excess air ratio; λ = 2.3 / Single SOI: BTDC 47 CAD, SA: BTDC 35 CAD / I.S.I. SOI: BTDC 47, 25 CAD, SA: BTDC 32 CAD)
직접분사식 LPG 엔진의 연소전략 및 공기과잉률 변화에 따른 연소특성 비교
비해 최적 점화시기가 지각되어 공기과잉률의 변화 에 관계없이 최초 열방출이 일어나는 시기는 늦다.
그럼에도 불구하고 희박한계 조건인 공기과잉률 2.3 조건의 경우 연소속도가 빠르기 때문에 최대 연 소압력값이 비슷한 시기에 나타나는 것을 볼 수 있 으며, 급격한 열방출 이후 열손실에 의한 음의 열방 출 폭이 단분사 조건에 비해 크게 나타났다. 이에 반 해 공기과잉률이 상대적으로 낮은 1.6 조건의 경우 단분사와 유사한 수준의 연소속도를 보이고 미연연 료의 산화에 의해 상사점 이후에 나타나는 낮은 열 방출 수준은 약간 높다. 단분사의 경우 연료분사량 이 다단분사의 초기 분사시 분사되는 연료량에 비 해 많기 때문에 상대적으로 낮은 분위기 압력 조건 에서 형성되는 성층혼합기가 높은 분위기 압력 조 건과 크게 다르지 않은 것으로 판단된다.
Fig. 7은 공기과잉률 변화에 따른 탄화수소 배출 을 나타낸 것이다. 단분사의 경우 이론공연비 조건 에서 가장 낮은 값을 보이고 희박연소 조건에서 증 가하였으나 같이 공기과잉률이 증가하더라도 일정 한 배출 수준을 유지하였다. 이에 반해 다단분사의 경우 상대적으로 농후한 조건에서의 불안정한 연소 로 인한 높은 연료소비율로 인해 큰 폭으로 증가하 였다가 공기과잉률이 증가할수록 감소하는 경향을 보인다. 희박연소 한계 조건에서의 배출수준은 이 론공연비 조건과 유사한 수준으로서 안정적인 연소 가 확보될 경우 희박연소 조건에서도 탄화수소 배 출을 낮은 수준으로 유지할 수 있는 고무적인 결과 로 볼 수 있다.
공기과잉률 변화에 따른 질소산화물의 배출 결과 를 Fig. 8에 나타내었다. 성층혼합기의 국부적으로 농후한 영역에서의 연소로 인해 일반적인 예혼합기 의 공기과잉률 증가에 따른 감소 경향과는 다른 결 과를 보이고 이러한 결과는 이전의 연구결과들10,11) 과 일치하고 있다. 상대적으로 많은 분사량에 의한 농후한 영역의 비율이 높은 단분사 조건의 경우 다 단분사에 비해 높은 수준의 질소산화물 배출을 보 였다. 다단분사 조건의 경우 최적 점화시기가 상대 적으로 지각된 것도 질소산화물의 저감에 효과적으 로 작용한 것으로 판단된다. 분사 전략에 관계없이 공기과잉률의 변화에 따른 영향은 크지 않았다.
Fig. 7 THC emissions versus excess air ratio for each single injection and I.S.I. strategy
Fig. 8 NOx emissions versus excess air ratio for each single injection and I.S.I. strategy
3.2 예혼합연소조건과 성층희박연소조건의 연소 및 배출특성 비교
성층혼합기의 안정적인 희박연소로 인해 공기과 잉율 2.3 수준의 초희박영역에서 펌싱손실 및 냉각 손실 등의 저감효과에 의한 연료소비율 감소를 확 인하였고, 특히 I.S.I. 전략을 이용한 경우 이론공연 비 수준의 탄화수소 배출과 함께 질소산화물이 큰 폭으로 감소함을 확인할 수 있었다. 그러나 희박한 계 조건에서의 연료소비율 감소폭이 이론공연비 조 건에 비해 크지 않고, 희박연소 조건에서 삼원촉매 의 사용이 어려운 점을 고려할 때 370 ppm 수준의 질소산화물 배출은 상용화에 문제점으로 작용할 것 으로 보인다. 이에 예혼합기를 이용한 희박연소 조 건과 연료소비율 및 배출가스 특성을 비교하여 상 용화 타당성을 검토하였다.
Seehyeon Cho․Cheolwoong Park․Seungmook Oh․Junkyu Yoon
Fig. 9는 예혼합연소조건과 성층희박연소조건에 서 공기과잉률 변화에 따른 연료소비율과 연소안정 성 변화를 나타낸 것이다. 단분사에 비해서 I.S.I. 전 략이 연비개선과 배기가스 감소 효과가 있었기 때 문에 성층희박연소 조건의 결과는 I.S.I. 전략을 이 용한 조건에서의 결과값들로 나타내었다. 예혼합연 소 조건에서는 공기과잉률 1.2 조건에서 가장 낮은 연료소비율을 보였다. 이론공연비 조건에 비해 희 박연소 효과에 의해 연소효율이 증가하면서 연비가 개선되었으나, 공기과잉률 1.4 조건에서 연소안정 성이 악화되면서 연료소비율이 다시 증가되었다.
그러나 성층희박연소 조건과 비교할 때 COVIMEP 값 이 비슷한 수준을 보이며 안정적인 연소 조건의 기 준인 5% 이하에 해당하기 때문에 운전 가능한 영역 으로 볼 수 있다. 예혼합기의 희박정도는 질소산화 물과 탄화수소 배출을 결정지을 수 있는 중요한 변 수이기 때문에 배출가스 수준과 함께 고려하여 운 전가능성이 검토되어야 한다.
Fig. 10 과 Fig. 11은 각각 공기과잉률 변화에 따른 탄화수소와 질소산화물 배출을 나타낸 것이다. 탄 화수소의 배출특성을 보면 예혼합연소조건에서 혼 합기가 희박해지더라도 공기과잉률 1.2까지는 거의 증가하지 않았으나, 그 이상의 공기과잉률 조건에 서 연소의 불안정으로 배출량이 증가하였다. 질소 산화물의 경우 공기과잉률의 증가에 따라 선형적으 로 감소하는 일반적인 예혼합기의 희박연소 경향을 보이고 있다.
예혼합기를 이용할 때 공기과잉율 1.2 조건의 경 우 매우 안정적인 희박연소에 의해 성층희박연소 시 희박한계 조건에 비해 연료소비율이 낮고 탄화 수소의 배출은 유사한 수준을 보이고 있지만, 질소 산화물의 배출이 많고 성층희박연소 조건과 동일하 게 삼원촉매의 적용이 어렵기 때문에 실제 엔진에 서의 적절한 운전 조건으로 보기 어렵다. 예혼합연 소시 공기과잉률 1.4 조건을 살펴보면 성층희박연 소의 희박한계 조건보다 높은 연료소비율 및 탄화 수소 배출을 보인다. 질소산화물의 경우 비슷한 수 준의 배출을 보이고 있으나, 이론공연비 연소조건 에 비해 희박연소의 장점을 이용한 적절한 운전조 건으로서는 부적합한 것으로 판단된다.
Fig. 9 Effect of early injection and late injection (I.S.I.
strategy) on specific fuel consumption and COVIMEP
versus excess air ratio
Fig. 10 THC emissions versus excess air ratio for each early injection (SOI: BTDC 330 CAD) and late injection (I.S.I. strategy)
Fig. 11 NOx emissions versus excess air ratio for each early injection (SOI: BTDC 330 CAD) and late injection (I.S.I. strategy)
Comparison of Combustion Characteristics with Combustion Strategy and Excess Air Ratio Change in a Lean-burn LPG Direct Injection Engine
성층희박연소 조건의 경우 공기과잉률에 대한 민 감도가 높지만, 예혼합연소조건에 비해 상대적으로 배출가스의 변화가 크지 않고 낮은 연료소비율을 보이기 때문에 흡입공기량에 대한 운전조건의 보정 이 이루어질 경우 안정적이며 효율적인 운전이 가 능할 것으로 예상된다.
4. 결 론
본 연구에서는 기존 LPG엔진에 헤드의 재설계를 통해 분무유도방식을 적용한 초희박 연소를 구현하 였고, 직접분사식 초희박 LPG 엔진을 통하여 공기 과잉률 변화에 따른 연소특성을 관찰한 결과 다음 과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1) 성층희박연소 조건에서 I.S.I 전략을 이용한 다단 분사 조건의 경우 달리 단분사 조건에 비해 상대 적으로 공기과잉률에 대한 영향이 크게 나타났다.
2) I.S.I 전략을 이용한 다단분사 조건의 경우 단분 사조건에 비해 연소속도가 빠르고, 급격한 열방 출 이후 열손실에 의한 음의 열방출 폭이 단분사 조건에 비해 크게 나타났다.
3) 예혼합기를 이용한 희박연소의 경우 성층희박 연소 조건에 비해 질소산화물의 배출이 높거나, 비슷한 질소산화물 수준의 조건에서 연료소비 율 및 탄화수소의 배출이 높게 나타났다.
4) 성층희박연소 조건의 경우 공기과잉률에 대한 민감도가 높지만, 예혼합연소조건에 비해 상대 적으로 배출가스의 변화가 크지 않고 낮은 연료 소비율을 보인다.
References
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