A Study on Combustion and Emission Characteristics of Diesel-DME Blended Fuels Using Pilot Injection in DICI Engine

CopyrightⒸ2014 KSAE / 130-07 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2014.22.4.055 Transactions of KSAE, Vol. 22, No. 4, pp.55-64 (2014)

직접분사식 압축착화엔진에서 Pilot분사에 따른 Diesel-DME 혼합연료의 연소 및 배기특성에 관한 연구

정 재 훈¹⁾․임 옥 택^*2)

울산대학교 대학원 기계공학과¹⁾․울산대학교 기계공학부²⁾

A Study on Combustion and Emission Characteristics of Diesel-DME Blended Fuels Using Pilot Injection in DICI Engine

Jaehoon Jeong¹⁾․Ocktaeck Lim^*2)

1)Graduate of Mechanical Engineering, Ulsan University, Ulsan 680-749, Korea

2)School of Mechanical Engineering, Ulsan University, Ulsan 680-749, Korea (Received 11 July 2013 / Revised 24 August 2013 / Accepted 23 September 2013)

Abstract : This work was investigated on pilot injection strategy of blended fuels(Diesel-DME) for combustion and emissions in a single cylinder direct injection compression ignition engine. Diesel and DME were blended by the method of weight ratio. Weight ratios for diesel and DME were 95:05 and 90:10 respectively. dSOI between main and pilot injection timing was varied. A total amount of injected fuels(single injection) was adjusted to obtain the fixed BMEP as 4.2 bar in order to compare with the fuel conditions. Also, the amount of pilot injection fuel was varied by 5%, 10% and 20% of total injection fuel. The engine was equipped with common rail and injection pressure is 700 bar at 1200 rpm. As a result, when mixing ratio increase, indicated thermal efficiency was increased in comparison with DD 100 and CO, THC and smoke were lower than DD 100. The influence of reducing NOx by pilot injection was more effective than DD 100.

When pilot injection quantity increase, abrupt increase of NOx was occured at pilot injection quantity of 20%.

Key words : Diesel(디젤), DME(디메틸에테르), Mixing ratio(혼합비), Pilot injection(파일럿분사), Pilot injection timing(파일럿분사시점), Pilot injection quantity(파일럿분사량), Compression ignition engine(압축착화엔진)

Nomenclature

P

: intake air pressure, bar T

: intake air temperature, °C T

: coolant temperature, °C P

: fuel injection pressure, bar

Subscripts CR : compression ratio

PRR

: the max of pressure rise rate SOI

: start of main injection

*Corresponding author, E-mail: [email protected]

dSOI : distance between start of main injection and pilot injection

aTDC : after top dead center

IMEP : indicated mean effective pressure BMEP : brake mean effective pressure

1. 서 론

최근 강화되어 가는 이산화탄소(CO

: Carbondioxides)

및 배출가스 규제에 대응하기 위한 고효율･친환경

엔진으로써 압축착화엔진(Compression Ignition engine,

CI engine)의 연구가 가속화 되고 있다. 그러나 압축

정재훈․임옥택

착화엔진은 연소실 내의 공기와 연료가 불균일한 혼합기를 형성함으로써 연소과정 중 국부적인 고온 영역 및 고당량비 영역이 발생하고, 이로 인해 유해 배출물인 NOx(Nitrogen Oxides)와 PM(Particulate Matters)이 다량으로 발생된다.

NOx와 PM등의 배출가스를 저감하기 위해서 여 러 방향으로 연구가 진행되어지고 있다. 분사시스 템에서는 다단분사 및 고압분사로 인해 배기가스를 저감하고자 하며, 연소측면에서는 HCCI 및 PCCI등 과 같은 저온연소를 실현해 NOx와 PM을 동시저감 하고자 한다. 또한, 후처리장치의 효율을 극대화 시 켜 배출가스를 줄이고 있다. 본 연구에서는 fuel design의 혼합연료사용을 통하여 NOx 및 PM을 동 시적으로 감소시키고자 한다. 혼합연료에 사용된 연료는 diesel과 DME연료이며, diesel연료에 DME 연료를 혼합함으로써 여러측면에서 장점을 얻을 수 있다. 분무측면에서는 DME연료가 diesel연료에 혼 합될수록 분무각은 커지고, 분무길이와 입자는 작 아진다.

이 영향으로 실린더 내 공기과잉률이 증가 되며, 결과적으로 IMEP증가와 CO 및 THC 저감이 가능하다. 배기적인 측면에서는 함 산소연료인 DME연료로 인해 PM의 배출이 급격하게 저감된다.

또한, diesel연료에 DME연료를 적은비율로 혼합으 로써 기존의 diesel 분사시스템을 사용이 가능하 다.

다단분사에서 Pilot분사는 주 분사 이전에 연료를 분사함으로써 실린더 내부의 압력과 온도를 높여주 고 혼합기 내부의 활성 라디칼의 농도를 높여 실린 더 내부의 열역학적, 화학적 조건을 변화시킨다. 그 에 따른 효과는 주분사 시점의 점화지연이 감소하 게 되고 이에 따라 열 발생률, NOx, 소음의 저감효 과를 꾀할 수 있다.

본 연구의 목적은 압축착화엔진의 문제점인 NOx와 PM의 동시저감을 이루고자 PM발생이 거 의 없는 DME연료를 diesel연료에 혼합하여 PM을 줄이고, NOx저감을 위해 pilot분사를 적용하고자 한다. 두 연료의 혼합비 및 pilot분사시점과 pilot분 사량에 따른 연소특성 및 배기가스 특성을 각각 확 인하였다.

2. 실험장치 및 방법

본 연구에 사용된 엔진은 커먼레일 분사시스템을 장착한 단기통 직접분사식 압축착화엔진이다. 배기 량은 498 cc, 기본 압축비는 19.5이며, 자세한 엔진의 제원은 Table 1에 나타내었다. 실험용 단기통 엔진 은 ECU가 없기 때문에 엔진의 제어를 위해서 제어 장치를 구성해야 한다. 크랭크축에 장착된 로터리 엔코더(Autonics; E40S)로부터 나온 크랭크각도 신 호는 엔코더 인터페이스박스(Zenobalti Co.; ZB-100) 와 엔진 컨트롤러(Zenobalti Co.; ZB-8035)를 통해 인 젝터 드라이버(TEMS; TDA-3300)로 전달되어 분사 기간 및 횟수를 조절한다. 커먼레일압력은 PCV 드 라이버(Zenobalti Co.; ZB-1100)를 사용해 압력을 제 어하였다. 엔진의 운전 속도는 150 kW급 와전류형 동력계를 엔진 크랭크축과 연결하여 제어하였다.

배기가스 분석장치(HORIBA; MEXA-7100 DEGR) 를 이용하여 CO, THC, NOx를 측정하였으며 smoke 는 smoke meter(AVL; 415)를 사용하여 분석하였다.

배기데이터의 모든 값은 각 조건에서의 정상 상태 일 때 1분 동안 측정하여 얻은 데이터를 평균한 값 이다. 연소실 내 압력측정을 위해서 piezo electric형 의 압력센서(Kistler; 6056A)를 실린더헤드를 가공 해서 장착하여 0.1 °CA 간격으로 데이터를 취득하 였다. 압력데이터 또한 엔진이 정상 상태일 때 50 cycle을 취득하여 1 cycle로 평균하였다.

연구에 사용된 연료는 diesel과 DME의 혼합연료 이다. DME연료는 diesel연료와 가지는 물리･화학적 특성이 다르기 때문에 DME연료에 적절한 분사시 스템을 구성하여야 한다. 그러나 본 연구에서는 기

Table 1 Engine specifications

Engine type Water-cooled 4 cycle diesel

Number of cylinder 1

Bore × Stroke [mm] 83 × 92

Displacement [cc] 498

Compression ratio 19.5

Fuel system Common rail

Injection type Direct injection

Nozzle holes 7

Nozzle hole diameter [mm] 0.134

직접분사식 압축착화엔진에서 Pilot분사에 따른 Diesel-DME 혼합연료의 연소 및 배기특성에 관한 연구

Fig. 1 Schematic of the engine facility

존의 diesel 연료분사시스템을 사용하였다. 이는 DME 연료의 낮은 점도와 윤활성이 좋지 않아 플런저 등 의 극간에서 연료가 누설되기 쉬우므로 공압펌프 등을 이용하여 연료를 공급하여야 하지만 본 연구 에서는 혼합연료의 낮은 DME연료 혼합비(5, 10%) 로 인해 기존 diesel 연료분사시스템 사용이 가능하 다.

그리고 DME연료의 기화점은 diesel연료에 비 해 상당히 낮기 때문에 안정적으로 연료를 액화상 태로 공급하기 위해서는 혼합연료탱크에 N

를 약 15 bar정도 충분히 가압하여 연료탱크에서 토출되 는 압력을 약 10 bar로 유지시켰다. Fig. 1은 실험장 치의 개략도이다.

2.2 실험방법

Table 2는 diesel과 DME연료 특성을 비교하여 나 타내었으며, 본 연구에서는 3종류의 연료를(DD 100, DD 95, DD 90) 사용하였다. 혼합연료를 DD라고 표 기하였으며, DD용어는 다음과 같이 정의하였다.

 _{  }

     

  

× 

Diesel과 DME연료의 혼합은 질량비를 적용하여 혼합하였다. Diesel 및 DME연료의 혼합은 가압용

Table 2 Fuel properties

Property Diesel DME

Chemical structure CnH1.8n CH3OCH3

Cetane number 40 ~ 50 >> 55

Vapor pressure [bar, 20°C] - 5.1

Auto-ignition temperature [°C] 250 235 Low heating value [MJ/kg] 42.7 28.8 Boiling point [°C, 1atm] 180 ~ 370 -25.1 Liquid density [kg/m³] 831 667

Oxygen content [%] 0 34.8

LPG봄베를 이용하였다. 혼합방법은 diesel연료를 먼저 봄베에 넣어준 뒤 봄베를 6 bar이상 가압하였 다. 그리고 가압된 봄베에 액화된 DME연료를 넣었 다. DME와 diesel연료는 서로 다른 연료특성으로 인 해 diesel은 아래에 깔리고 액화된 DME연료가 그 위 에 위치하여 층 분리가 일어난다. 그러나 5~6시간 후면 일어난 층 분리는 특별한 휘저음 없이도 서서 히 균질하게 혼합되어지는 것을 확인할 수 있었다.

연료를 봄베에 투입하기 전, quartz가 장착된 가압용 챔버를 이용하여 위와 같은 사실을 확인하였다.

엔진실험은 자연흡기 조건에서 냉각수와 흡기온

도를 각각 25±1, 80±1°C로 일정하게 유지시켜 실험

하였으며 운전조건은 Table 3과 같다. 엔진속도는

Jaehoon Jeong․Ocktaeck Lim

Table 3 Operating conditions

Engine speed [rpm] 1200

Injection pressure [bar] 700 BMEP(single injection) [bar] 4.2 ± 1

Pilot injection quantity [%] 5, 10, 20

Intake pressure [bar] 1

Intake temperature [°C] 25 ± 1 Coolant temperature [°C] 80 ± 1

Table 4 Injection timings

Single injection timing dSOI [°CA] 0 Main [°CA aTDC] -10, -5, 0, 5 Main-Pilot

injection timing

dSOI [°CA] 10, 18 Main [°CA aTDC] 5

1200 rpm으로 설정하였고, 분사압력은 커먼레일 연 료분사시스템 을 사용하여 700 bar에서 실험하였다.

단일분사의 연료량은 각 연료마다 BMEP를 약 4.2 bar로 맞춰주었다. DD 100연료의 단일분사량은 15 mg/cycle 이며, DD 95와 DD 90연료는 각각 15 mg/cycle, 15.2 mg/cycle 분사되었다. Pilot분사량은 단일분사량의 5, 10, 20%로 나눠 분사하였다.

Table 4는 연료의 분사시점을 나타낸다. 단일분 사시, 주분사시점은 -10, -5, 0, 5 °CA aTDC 이다. 그 리고 pilot분사시, dSOI(Distance between start of main injection and pilot injection)는 주분사와 pilot분사간 의 간격을 의미하며, dSOI는 10, 18 °CA로 설정하였다.

Fig. 2는 착화지연과 연소기간의 정의를 나타낸 다. 착화지연은 연료가 분사된 시점인 SOI(Start of injection)와 전체 열 발생률의 10%인 CA 10까지의 거리로 정의하였다. 그리고 연소기간은 연소시작점 인 CA 10을 기준으로 연소종료시점을 CA 90로 정 의하였다.

Fig. 2 Definition of ignition delay and combustion duration

3. 실험결과

3.1 단일분사에서 혼합연료의 영향

Fig. 3은 주분사시점 0 °CA aTDC에서 혼합연료 에 따른 단일분사의 실린더 내 압력곡선, 열 발생률 및 연소기간이다. 혼합연료의 최고압력은 DD 100 연료보다 대략 4 bar 정도 더 높게 나타났다. 이는 DD 100연료에 기화성 및 빠른 혼합기를 형성하는 DME연료가 혼합되었기 때문이며, 높은 DME연료 의 세탄가가 이와 같은 영향을 미친 것으로 보여진 다. 그리고 혼합연료에 DME연료가 혼합될수록 착 화지연은 짧아지고 연소기간은 늘어난다.

Fig. 4는 주분사시점에 따른 혼합연료를 사용한 단일분사의 연소특성이다. 연소기간은 주분사시점 -10, -5, 0 °CA aTDC에서 DD 100연료보다는 DD 95, DD 90연료 순으로 연소기간이 길어지는 것을 확인 할 수 있으며, DME연료가 가장 많이 혼합된 DD 90 이 DD 100연료보다 0.4 ~ 0.6 °CA 연소기간이 길어졌 다. 이는 DME연료 특성상 실린더 내 분사시, 좋은 기화성으로 인해 빠른 균질한 혼합기를 생성하게 된 다. 그 결과 착화지연이 짧아지게 되고, 이 영향으로 연소시간이 길어진 것으로 보인다. 최고 압력상승 률은 주분사시점 -10, -5, 0 °CA aTDC에서 DD 100, DD 95, DD 90연료 순으로 낮아졌으며, DD 90연료가 DD 100연료보다 최대 2.9 bar/°CA 낮아졌다. 이는 연 소기간의 영향을 받았기 때문이며, 연소시간이 길 어질수록 급격한 연소가 일어나지 않기 때문에 최고 압력상승률은 점점 낮게 나타났다. 지시 열 효율은 모든 주분사시점에서 에서 DD 95, DD 90연료가 DD 100연료보다 최대 4.2% 높게 나타났으며 또한, DD 90연료 보다는 DD 95연료가 높았다. 그 이유는 모든 연료의 BMEP는 거의 동일하지만, 세 연료의 저위 발열량값은 서로 다르다. 따라서 DD 95와 DD 90연 료의 실린더 내 투입열량이 DD 100연료 보다는 작 으며, DD 90보다는 DD 95연료가 투입열량이 낮아 동일출력대비 더 좋은 지시 열 효율을 나타내었다.

Fig. 5는 주분사시점에 따른 혼합연료를 사용한

단일분사의 배기특성이다. CO의 배기특성은 -10,

-5, 0 °CA aTDC 주분사시점에서 DD 95, DD 90연료

가 DD 100연료보다 대략 0.13~0.18 g/kWh 낮게 배

출되었으며, DD 95와 DD 90간의 차이는 크게 다르

A Study on Combustion and Emission Characteristics of Diesel-DME Blended Fuels Using Pilot Injection in DICI Engine

Fig. 3 Effect of blended fuel on cylinder pressure, heat-release rate and combustion duration for single injection at SOIMain = 0 °CA aTDC

Fig. 4 Combustion characteristics of blended fuels with various main injection timings

지 않았다. 그리고 5 °CA aTDC 주분사시점에서는 DD 90연료가 DD 100연료에 비해 3.8 g/kWh로 크게 감소하였다. 이것은 DME연료 자체 내의 CH 성분이

Fig. 5 Emission characteristics of blended fuels with various main injection timings

크지 않으며, DME연료가 실린더 내 분사 분무 길이

가 짧고 기화성이 좋기 때문에 실린더 적심현상이

줄어든 것으로 보인다. 그리고 THC는 CO의 배기특

정재훈․임옥택

Fig. 6 Effect of blended fuel on cylinder pressure, heat-release rate and combustion duration with pilot injection timings for DD 90 fuel at SOIMain = 5 °CA aTDC

성과 거의 유사한 경향을 보인다. 모든 분사시점에 서 DD 100연료의 THC량보다 0.08~0.22 g/kWh 줄어 들었다. 반면에, NOx의 배기특성은 거의 모든 주분 사시점에서 DD 95, DD 90연료가 DD 100연료보다 더 높게 나왔으며, 주분사시점 -5 °CA aTDC에서 DD 95와 DD 90연료는 각각 1.35, 3.10 g/kWh만큼 DD 100연료보다 많이 나왔다. 이는 diesel연료보다 높은 DME연료의 연소온도로 보여진다. Smoke는 그래프에서 확인할 수 있듯이, DME연료는 함산소 연료이기 때문에 비 함산소 연료인 diesel연료에 비 해 거의 smoke를 배출하지 않는다. 그래서 혼합연료 에 DME연료량이 증가할수록 smoke의 배출량은 줄 어들게 된다. 혼합연료에 DME연료가 많이 혼합된 DD 90연료가 DD 100연료의 smoke 배출량 보다 최 대 50% 이상 줄어들었다.

3.2 Pilot 분사시점에 따른 혼합연료의 영향

Fig. 6은 주분사시점 5 °CA aTDC에서 단일분사 (dSOI 0 °CA)와 pilot분사시점(dSOI 10, 18 °CA)에 따른 DD 90연료의 실린더 내 압력곡선, 열 발생률 및 연소기간이다. 주분사시점은 5가지의 분사시점 중 가장 지각된 5 °CA aTDC를 선정하였다. 이유는

pilot분사의 연소로 인해 주분사시점을지각 시킬 수 있다는 것이 pilot분사의 장점이기 때문이다. 그리고 pilot분사량은 전체량의 5%로 분사하였다. 실린더 내 압력 그래프에서 확인할 수 있듯이 pilot분사를 적용하면 압력상승률이 단일분사에 비해 매우 완만 해진다. 그리고 pilot의 열 발생률에서는 pilot분사시 점 dSOI 18 °CA에서 먼저 pilot연소가 일어났다. 그 러나 pilot분사시점은 주연소의 열 발생률에서 거의 영향을 미치지 않았다.

Fig. 7은 주분사시점 5 °CA aTDC에서 단일분사 와 pilot분사시점에 따른 혼합연료의 연소특성을 나 타낸다. Pilot분사시, 착화지연은 모든 연료에서 확 연히 줄어들었다. 이는 pilot분사된 연료에 의해 실 린더 내 온도와 압력을 상승시킴에 따라 주분사에 서 분사된 연료의 연소가 촉진되어 착화지연이 짧 아졌다. 그리고 단일분사의 착화지연과 동일하게 pilot분사 때도 DME연료 함유량이 가장 많은 DD 90의 착화지연이 가장 짧았다. Pilot분사시점 dSOI 10 °CA 와 dSOI 18 °CA은 거의 동일한 경향을 나타내었다.

Pilot분사 적용시, 연소기간은 단일분사의 -10, -5, 0 °CA

aTDC 주분사시점과 동일한 결과인 DD 90의 혼합

연료가 가장 길었다. 이유는 Fig. 5에서 확인할 수 있

직접분사식 압축착화엔진에서 Pilot분사에 따른 Diesel-DME 혼합연료의 연소 및 배기특성에 관한 연구

Fig. 7 Combustion characteristics of blended fuels with pilot injection timings at SOIMain = 5 °CA aTDC

듯이 pilot분사로 인해 주분사의 급격한 연소가 아닌 완만한 연소과정으로 연소기간이 길어졌다.

특히 혼합연료 DD 90연료의 연소기간이 길었으 며, pilot분사시점과는 별 다른 영향을 보이지 않았 다. 최고 압력상승률에서는 단일분사와 마찬가지 로, 연소시간의 영향으로 연소시간이 길어지게 되 면, 압력상승률이 낮아지는 결과를 보였다. Pilot분 사시, 지시 열 효율은 모든 연료에서 증가하였는데, 이는 동일한 단일분사의 연료량으로 더 높은 출력 을 나타내었기 때문이다. Pilot분사로 주연소 이전 에 높아진 압력과 온도의 영향으로 주연소의 출력 을 증대시킨 것으로 생각된다. 그리고 단일분사에 서는 DD 95연료의 지시 열 효율이 DD 90연료 보다 컸지만, pilot분사하였을 때는 반대로 DD 90연료가 DD 95연료보다 크거나 거의 같았다. 이는 DD 90연 료의 출력이 DD 95연료보다 크게 나타났다. 혼합연 료의 DME 함유량이 많기 때문에 pilot분사의 열 발 생률이 DD 95연료 보다는 높아 더 높은 출력이 발 생되었다. 또한, 혼합연료의 경우 분사시점이 dSOI 10 °CA 보다는 dSOI 18 °CA에서 더 높은 지시 열 효

Fig. 8 Emission characteristics of blended fuels with pilot injection timings at SOIMain = 5 °CA aTDC

율을 보였으나, DD 100연료에서는 거의 비슷했다.

이유는 압력그래프에서 혼합연료 dSOI 18 °CA의 최고 압력이 dSOI 10 °CA보다 크지만, DD 100연료 에서는 거의 동일하다. 이러한 결과로 지시 열 효율 의 출력에 영향을 미친 것으로 보인다.

Fig. 8은 주분사시점 5 °CA aTDC에서 단일분사

와 pilot분사시점에 따른 혼합연료의 배기특성을 나

타낸다. Pilot분사시, 모든 연료에서 CO와 THC의 결

과는 단일분사보다 줄어든 것을 확인할 수 있으며,

pilot분사때도 혼합연료들의 CO, THC 배기량은 DD

100연료보다 작았다. 그리고 DD 95와 DD 90연료의

CO, THC배기량은 거의 비슷하였다. NOx의 배기특

성은 모든 연료에서 pilot분사를 실행하게 되면,

NOx의 발생량은 크게 줄어든다. 이는 단일분사의

긴 착화지연으로써, 착화지연이 길어지면 분사된

연료의 연소가 한 번에 일어나 NOx의 발생량이 증

가하지만, pilot분사가 적용된 경우에서는 pilot분사

에 의해 상승된 실린더 내부 압력과 온도가 주분사

기간에 분사된 연료의 착화를 유도하기 때문에 착

화지연이 감소되고 이 영향으로 급격한 연소와 가

Jaehoon Jeong․Ocktaeck Lim

Fig. 9 Effect of blended fuel on cylinder pressure, heat-release rate and combustion duration with pilot injection quantity for DD 90 fuel at dSOI = 18 °CA (SOIMain = 5 °CA aTDC)

파른 압력상승률이 줄어들어 열 발생률이 감소하게 된다. 또한 주분사시점이 TDC이후인 5 °CA aTDC 이기 때문에 피스톤 팽창효과에 의한 연소온도의 감소로 NOx 발생량은 더욱 감소하게 된다. 혼합연 료인 DD 95, DD 90연료는 단일분사 때는 DD 100연 료보다 NOx의 발생량이 많았지만, pilot분사 때는 오히려 혼합연료들이 DD 100연료의 NOx발생량보 다 낮았다. 이는 pilot분사의 혼합연료 열 발생률이 DD 100연료보다 더 높아 많은 열로 인해, 주분사의 연소온도를 낮춘 것으로 예상 된다. 그리고 모든 연 료에서 NOx의 발생량이 dSOI 18 °CA보다 dSOI 10

°CA이 적은 이유는 dSOI 18 °CA에서 분사된 pilot연 소가 TDC이전인 약 -5 °CA aTDC에서 착화되기 때 문에 pilot연소온도가 TDC이후에 착화된 dSOI 10

°CA보다 발생된 NOx는 적은 것으로 보인다. Pilot분 사시, smoke의 특성은 모든 연료에서 증가하는 경향 을 보였다. 이는 pilot의 영향으로 주분사의 연소온 도가 낮아져 smoke생성이 증가하였다. 또한, pilot분 사에서 발생된 smoke가 산소농도를 낮춰, 주분사의 연소에 영향을 미친 것으로 보인다. 그리고 모든 조 건에서 혼합연료에 들어있는 DME연료 영향은 그 대로 받아져, 첨가 될수록 smoke가 줄어들었다.

3.3 Pilot 분사량에 따른 혼합연료의 영향

Fig. 9는 pilot분사시점 dSOI 18 °CA과 주분사시점 5 °CA aTDC에서 pilot분사량에 따른 DD 90연료의 실린더 내 압력곡선, 열 발생률 및 연소기간을 나타 낸다. 주분사시점은 이전과 동일하게 5 °CA aTDC로 고정하였고, pilot분사시점은 dSOI 18 °CA로 선정하 였다. Pilot분사시점 선정의 이유는 연소측면에서 살 펴본다면 모든 연료에서 dSOI 18 °CA의 지시 열 효 율이 dSOI 10 °CA보다 높게 나타났다. 비록 배기적 인 측면에서 NOx의 배출량이 dSOI 10 °CA보다 높게 나타났지만, smoke에서는 오히려 더 작았으며, CO 와 THC에서는 별반 차이를 보이지 않았기 때문에 dSOI 18 °CA를 선정하였다. 또한 pilot분사량이 증가 할수록, pilot연소에서의 열 발생률은 증가하였으며, pilot분사량이 제일 많은 20%에서 주분사의 열 발생 률은 적어진 주분사량으로 인해 열 발생률은 pilot분 사량의 5, 10% 보다 줄어든 것을 확인할 수 있다.

Fig. 10은 pilot분사시점 dSOI 18 °CA과 주분사시

점 5 °CA aTDC에서 pilot분사량에 따른 연소특성을

나타낸다. Pilot분사량 증가시, 착화지연은 모든 연

료에서 감소하였으며, DD 90연료의 착화지연이 가

장 짧았다. 이는 pilot분사량이 증가하면 더 많은 연

A Study on Combustion and Emission Characteristics of Diesel-DME Blended Fuels Using Pilot Injection in DICI Engine

Fig. 10 Combustion characteristics of blended fuels with pilot injection quantity at dSOI = 18 °CA (SOIMain = 5 °CA aTDC)

료로 인해 열 발생률이 많아지고, 이것은 주연소의 착화지연을 더욱 짧게 한다. 연료별 영향은 pilot분 사시점의 이유와 동일하다. Pilot분사량 증가시, 연 소기간은 짧아진 착화지연으로 인해 길어진다. 그 리고 DD 90연료의 pilot분사량 20%가 6.5 °CA으로 가장 길었다. 최고 압력상승률은 연소기간의 경향 의 반대로 pilot분사량 20%에서 DD 90연료의 최고 압력상승률이 3.12 bar/°CA으로 가장 낮았다. Pilot 분사량 증가시, 지시 열 효율은 모든 연료에서 증가 됨을 보인다. 이는 Fig. 7의 압력 곡선에서 확인할 수 있듯이 증가된 pilot분사량의 인해 pilot연소의 최고 압력은 높아지고, 이 영향은 높은 주연소의 최고압 력을 형성하게 된다. 그리고 pilot분사량이 10%에서 는 DD 90연료가 DD 95연료보다 더 좋은 지시 열 효 율을 갖게 된다. 이것은 DD 90연료의 더 높은 pilot 연소압으로 인해 주연소의 연소압이 높아졌으며, 출력에 영향을 미친 것으로 보인다. Pilot분사량 20%에서는 반대로 DD 95연료가 DD 90연료보다 높 게 나왔는데, 이는 압력곡선에서는 거의 차이를 보 이지 않았지만, 투입된 열량이 DD 95가 작으므로 지시 열 효율이 높아졌다.

Fig. 11 Emission characteristics of blended fuels with pilot injection quantity at dSOI = 18 °CA (SOIMain = 5 °CA aTDC)

Fig. 11은 pilot분사시점 dSOI 18 °CA과 주분사시 점 5 °CA aTDC에서 pilot분사량에 따른 배기특성을 나타낸다. Pilot분사량 증가시, 연료에 상관없이 CO, THC 배기량은 거의 변화가 없었다. NOx의 경우, DD 100 및 DD 95연료에서 pilot분사량이 5%에서 10%증가했을 때 NOx의 배출량은 약간 줄어들었다.

그러나 pilot분사량 20%로 증가시, NOx는 상당히 증 가하였다. 이는 너무 많은 pilot분사량은 NOx저감의 역할이 아닌, 오히려 이때 발생된 NOx의 발생량이 많아진 것으로 보여진다. DD 90연료는 pilot분사량 5%에서부터 증가하게 되는데, pilot분사의 열 발생 률이 상대적으로 다른 연료보다 높기 때문인 것으 로 보인다. Smoke의 경우, pilot분사량을 증가하게 되면 pilot연소에서 발생된 smoke량이 많아지며, 이 전과 동일하게 혼합연료에 DME가 많아질수록 smoke는 줄어들었다.

4. 결 론

본 연구에서는 단기통 직접분사식 압축착화엔진

을 이용하여 NOx와 PM의 동시저감을 이루고자 PM

정재훈․임옥택

발생이 거의 없는 DME연료를 diesel연료에 혼합하 여 PM을 줄이고, NOx저감을 위해 pilot분사를 적용 하였다. 두 연료의 혼합비 및 pilot분사시점에 따른 연소특성 및 배기가스 특성을 확인하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.

1) 단일분사에서 diesel연료에 DME연료가 혼합 될 수록 연소기간은 길어지고, 최고 압력상승률은 감소되었다. 그리고 혼합연료(DD 95, DD 90)의 지시 열 효율은 DD 100연료보다 높았으며, DD 90 연료보다는 DD 95연료의 지시 열 효율이 높았다.

2) 단일분사에서 diesel연료에 DME연료가 혼합 될 수록 THC와 CO가 감소하였다. Smoke는 함산소 연료의 DME 혼합으로 인해 DD 100연료보다 낮 았다. 그러나 DME연료의 높은 연소온도로 인해 NOx의 배출량은 혼합 될수록 증가하였다.

3) Pilot분사 적용시, 단일분사와 동일하게 DD 90연 료의 착화지연 및 최고 압력상승률이 가장 낮았 으며, 연소기간은 가장 길었다. 그리고 지시 열 효 율 면에서 dSOI 18 °CA의 열 효율이 dSOI 10 °CA 보다 높았다.

4) Pilot분사 적용시, 모든 연료에서 CO와 THC는 단 일분사보다 대폭 감소되었다. Pilot분사로 인한 NOx저감 효과는 DD 95, DD 90연료의 혼합연료 가 DD 100연료보다 커서 더 적은 NOx를 배출한 다. 모든 연료의 경우, smoke는 pilot분사시 증가 하였다. 마찬가지로 DME연료가 혼합 될수록 smoke는 감소하였다.

5) Pilot분사량 증가시, 모든 연료에서 착화지연과 최 고 압력상승률은 짧아졌으며, DD 90연료가 가장 짧은 착화지연과 최고 압력상승률을 가진다. 반 대로 연소기간은 길어졌다. Pilot 분사량 증가시, 지시 열 효율은 모든 연료에서 증가됨을 보였다.

Pilot분사량 10%에서는 더 높은 pilot연소의 최고 압력값을 가진 DD 90연료가 DD 95연료보다 높았 다. 그러나 20%에서는 더 적은 투입열량으로 인 해 DD 95연료가 DD 90연료보다 높게 나타났다.

6) Pilot분사량 증가시, CO와 THC는 모든 연료에서 pilot분사량에 따른 영향을 보이지 않았다. NOx 의 경우, 혼합연료가 10%에서 20%로 증가될수록 오히려 pilot연소에서 발생된 NOx로 인해 DD 100 연료보다 높게 나타났다. 그리고 Smoke에서도

많은 pilot분사량으로 인해 모든 연료에서 smoke 가 증가 되었다. 그 중에서도 DD 90연료의 배출 량이 가장 낮았다.

다음과 같은 결론을 토대로 본 연구에서 실험한 분사조건 내에서 이상적인 연료 및 분사조건을 제 시하고자 한다. 연료와 pilot분사시점은 각각 DD 95 연료와 dSOI 18 °CA이며, pilot분사량은 10%를 제시 하고자 한다.

후 기

본 연구는 에너지기술평가원의 친환경 DME 연료 실증보급을 위한 기술개발사업과 한국가스공사 연 구개발원의 디젤대체 DME연료의 국제표준화(ISO STAD.)를 위한 시험연구 그리고 한국연구재단의 지 역혁신인력양성사업인 고효율･저공해엔진의 요소 기술개발의 지원에 의해서 이루어진 결과입니다.

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