CopyrightⒸ2011 KSAE 1225-6382/2011/113-05 Transactions of KSAE, Vol. 19, No. 5, pp.29-34 (2011)
DME/Diesel 듀얼 퓨얼 엔진의 연소 및 배출 특성에 관한 연구
임 옥 택*1)․표 영 덕2)․이 영 재2)
울산대학교 기계･자동차공학부1)․한국에너지기술연구원2)
Research on the Combustion and Emission Characteristics of the DME/Diesel Dual-fuel Engine
Ocktaeck Lim*1)․Youngduck Pyo2)․Youngjae Lee2)
1)Department of Mechanical and Automotive Engineering, Ulsan University, Ulsan 680-749, Korea
2)Korea Institute of Energy Research, 102 Gajeong-ro, Yuseong-gu, Daejeon 305-343, Korea (Received 17 September 2010 / Accepted 24 March 2011)
Abstract : This study investigates the potential of DME/Diesel dual fuel engine for reducing emissions with same power. Dual fuel engine controls the combustion using two different fuels, DME and diesel with different auto-ignition timings. In the previous work, the caracteristics of combustion and emissions under single cylinder engine and ignition is done by compression ignition. Pre-mixture is formed by injecting low-pressure DME into an intake manifold and high-pressure fuel (diesel or DME) is injected directly into the cylinder. Both direct diesel injection and port fuel injection reduced the significant amount of Smoke, CO and NOx in the homogeneous charge compression ignition engine due to present of oxygen in DME. In addition, when injecting DME directly in cylinder with port DME injection, there is no changes in emissions and energy consumption rate even operated by homogeneous charge compression ignition.
Key words : Diesel(경유), Diffusion combustion(확산연소), DME(Di-Methyl-Ether, 디메틸 에테르), Direct Injection(직접분사), Emission (배출가스), Port injection(포트분사), Premixed combustion(예혼합연소)
Subscripts1) DI : Direct Injection PI : Port Injection P : Pressure, [MPa]
BMEP : Brake Mean Effective Pressure, [MPa]
BSEC : Brake Specific Energy Consumption, [MJ/kWh]
1. 서 론
최근 전 세계적으로 지구온난화 및 환경오염 그
*Corresponding author, E-mail: [email protected]
리고, 화석연료 고갈의 문제가 심각하게 대두 되고 있다. 이에 따라 각국에서는 많은 양의 온실가스를 배출하는 자동차에 대한 배기규제가 강화되고 있으 며, 청정 대체연료에 대한 연구가 활발하게 진행되 고 있다.1-3)
그중 세탄가가 높으면서 함산소 연료인 DME에 대한 관심이 높다. DME는 LPG과 열역학적인 상태 량이 비슷하여 기존의 LPG인프라를 거의 사용할 수 있어서 LPG인프라를 잘 갖추고 있는 우리나라 에서는 차세대 연료로 가치가 높다. 최근에 일본과 유럽, 중국, 우리나라를 중심으로 DME엔진개발 및 연료공급시스템에 대한 연구가 진행되고 있지만, 상용화 되어 있지는 않다.4,5) DME는 경유에 비해 점
임옥택․표영덕․이영재
도와 윤활성이 낮고 압축성이 높아 기존 디젤엔진 의 고압 연료분사계에 적용하기 위해서는 연료공급 계를 비롯하여 연소계의 수정이 필요하다. 또한, 부 품면에서도 아직까지 상용차의 부품정도의 내구성 을 갖기 위해서는 해결해야 할 점들이 많다.
본 연구에서는 기존에 상용화 된 부품들을 중심 으로 세탄가가 높아서 압축착화연료로 사용하기에 적합한 DME를 이용하여6) 기존의 디젤엔진에 적용 하고자 한다. DME의 다양한 분사방식을 채용하여 듀얼/바이퓨얼 디젤엔진을 사용하여 DME 연료에 최적인 연료시스템을 도출하고자 한다.
2. 시험장치 및 시험방법
Fig. 1과 Table 1은 듀얼/바이퓨얼 실험은 위해 사 용된 엔진구성의 개략도와 사양이며 시험방법은 아 래와 같다.
① 흡기관 내 DME 저압 분사에 의한 예혼합 압축 착화연소 순수 DME 연소 구현
② 흡기관 내 DME 저압 분사 및 실린더 내 경유분 사에 의한 듀얼 퓨얼 예혼합 압축착화연소 구현
③ 실린더 내 DME 고압 직접분사에 의한 압축착 화 순수 DME 연소 구현
④ 흡기관 내 DME 분사는 저압방식, 실린더 내 DME 또는 경유 직접분사는 커먼레일방식 채용
⑤ DME 또는 경유만에 의한 바이 퓨얼 연소, DME/경유 듀얼 퓨얼 연소 구현
시험엔진은 수냉･종형･단기통･무과급의 4사이 클 직분식 디젤기관(배기량 498cc)으로서 통상운전 및 가시화운전이 가능하다. 연소실의 화염상은 연장 피스톤 내부에 배치한 전반사 거울에 의해 반사시켜 촬영하였다. 실린더 내에 DME 또는 경유를 직접 분 사하는 경우, 고압펌프(Haskel) 등으로 구성된 연료 공급계를 제작하여 커먼레일 인젝터에 최대 350bar 까지 연료를 고압으로 공급하였으나, 경유 사용 시 에는 기존의 커먼레일 연료분사계도 그대로 사용하 였다. DME 실험 시에는 연료계의 윤활성을 확보하 기 위하여 R655(imfineum사)를 500ppm 혼합하였다.
흡기관 내에 DME를 저압 분사하는 경우에는 Fig. 1 에 나타내는 바와 같이 MPI 가솔린 인젝터에 의해 엔 진의 흡기관 내에 7 bar의 압력으로 분사하였다.
Fig. 1 The schematic of a DME/Diesel dual fuel engine
Table 1 The specification of the engine
Bore×Stroke 83×92 [mm]
Displacement 498 [cc]
Engine speed 1500 [rpm]
Compression ratio 18.3 or 19.5 (Base)
Fuel system Common rail
Injection type Direct injection
Table 2 The condition of an experiment Diesel DI ↔ Diesel DI + DME PI Diesel direct injection
Full load: 12°BTDC 75% Load: 9°BTDC 50% Load: 6°BTDC 25% Load: 5°BTDC DME Port injection: 90 ATDC
연소실내의 분무 및 연소 가시화에는 고속비디오 카메라(Potron사)를 사용하였으며 촬영속도는 4500FPS 로 설정하였다. 화염사진 촬영 시에는 DME 화염의 미약한 발광을 감지하기 위하여 주위를 암실 분위 기로 설정하였고, DME 및 경유의 분무사진촬영 시 는 광원으로 1000kW의 할로겐램프를 사용하였다.
Table 2는 각 실험의 조건을 보인다.
3. 경유 및 DME 직접분사시의 연소가시화 시험결과 및 고찰
3.1 DME 및 경유의 가시화 화염 비교 Fig. 2와 Fig. 3에 경유와 DME 사용 시에 나타난 연소 가시화결과다. 기관 회전속도, 연료분사시기,
DME/Diesel 듀얼 퓨얼 엔진의 연소 및 배출 특성에 관한 연구
Fig. 2 Chemiluminescence combustion images of DME
Fig. 3 Chemiluminescence combustion images of diesel
분사압력은 600 rpm, 8°BTDC, 250 bar이고, 연료 분 사기간은 동일 발열량 기준으로 맞춘 1,400㎲(DME) 와 1,100㎲(경유)이다. 촬영조건은 4500 FPS로 그림 의 각 프레임은 0.8°CA의 간격이다. 그림에 의하면 DME와 경유 모두 착화 개시시기가 약 1°ATDC로서 착화지연 기간은 약 9°CA이다. 그러나 DME의 경우 에는 경유 화염에 비해 다소 느린 시기에 최초 화염 이 관찰되며, 연료에 C-C 결합이 없고(DME의 분자 식 : CH3-O-CH3) 연료와 공기의 혼합이 양호함에 기인하여 전체적으로 최대 휘도 및 휘도의 농담이 작은 비교적 균일한 형태의 화염이 관찰되었다. 또 한, DME의 경우에는 연소과정 중 노즐 팁 부근에서 화염이 관찰되어, 연료 분사 후 노즐 분공에서의 연 료누설을 예측할 수 있다. 한편, 그림의 경유화염의 경우에는 국부적으로 화염이 발생하는 대표적인 확 산연소의 형태를 나타냄을 관찰할 수 있다.
3.2 DME 및 경유의 가시화 분무 비교 Fig. 4와 Fig. 5는 경유와 DME 사용 시의 분무 가
Fig. 4 Chemiluminescence spray images of DME
Fig. 5 Chemiluminescence spray images of diesel
시화결과를 나타낸다. 실험조건은 3.1에서와 같으 며, 5 노즐 분공 중에서 1 분공만을 확대하여 촬영한 결과이다. 확대사진의 촬영에는 접사용 주름 막과 망원렌즈(Nikon, 200mm)를 사용하였다.
DME의 경우에는 분무 관통거리, 분사각 등이 경 유에 비해 현저히 작고, 실린더 벽면에 도달하기 전 에 모두 증발된다.
4. 바이 퓨얼(경유 또는 DME 직접분사) 엔진 성능시험 결과 및 고찰
Fig. 6은 엔진 회전속도 1,500rpm인 조건에서 부 하를 변화시켰을 때의 경유 직분 및 DME 직분 각각 에 대한 배출가스(CO, THC, NOx, Smoke, CO2)등의 배출가스농도, 제동에너지소비율을 나타낸다. 엔진 최대토크는 경유, DME 모두 동일한 최대토크를 확 보하였다. 경유의 분사압력은 제작사에서 추천하는 값을 사용하였으며, DME의 분사압력은 모든 경우 에서 350bar로 유지하였다. 인젝터 노즐의 분공은 경유인 경우 초기 값인 0.156mm를 사용하였으나, DME의 경우에는 경유에 대비한 단위체적당 발열 량 저하, 분사압력 저하 등을 고려하여 0.30mm로 확 대 가공하였다. 분사 시기는 경유의 경우에는 제작 사에서 추천하는 값을 사용하였고, DME는 사전 시 험을 통한 연소지연에 대응하여 분사시기를 다소 앞당겨서 실시하였다. CO의 경우에는 모든 부하에 서 경유에 비해 DME의 경우가 배출이 크게 낮으며,
Ocktaeck Lim․Youngduck Pyo․Youngjae Lee
Fig. 6 Emissions and bsec as a function of engine load (DI diesel & DI DME)
이는 DME에 포함된 산소에 의해 연소가 활발해졌 기 때문이다. THC의 경우 75%를 제외한 모든 부하 에서 경유에 비해 DME의 경우가 배출이 크게 낮으 며, 이 역시 DME에 포함된 산소에 의해 연소가 보 다 활발해졌기 때문이다. NOx의 경우 저 또는 중 부 하에서는 경유에 비해 DME의 경우가 배출농도가 낮으나, 전부하에서는 배출농도가 다소 증가하였 다. 이는 부하가 증가 할수록 투입된 연료의 양이 많 아졌고, 그에 따른 증발특성이 더 우수한 DME의 예 혼합기에 의한 예혼합연소가 커져서 NOx가 증가되 면서 THC는 줄어든 것으로 생각된다.
경유는 부하의 증가에 따라서 Smoke 배출농도가 증가하지만, DME는 모든 부하에서 배출농도가 Zero이다. 이 역시 DME에 포함된 산소에 의해 연소 가 활발해졌기 때문이다. CO2의 경우 모든 부하에 서 경유에 비해 DME의 배출농도가 낮다. 제동에너 지소비율의 경우 DME에 포함된 산소 때문에 연소 가 보다 촉진됨에 따라서 제동에너지소비율 즉 엔 진의 열효율이 보다 개선되었다.
5. 듀얼퓨얼(경유/DME 직분 + DME 흡기관내 분사) 성능시험 결과 및 고찰 5.1 경유 직분 및 DME 흡기관 내 분사시의
엔진 성능시험 결과 및 고찰
Fig. 7은 엔진 회전속도 1,500rpm인 조건에서 부 하를 변화시켰을 때의 경유 직분, 경유 직분 + DME 흡기관 내 분사에 대한 CO, NOx, Smoke 의 배출가 스농도를 나타낸다. 경유의 분사압력, 분사시기 등 은 위와 동일하며, DME를 흡기관 내에 분사하는 경 우에는 경유의 직접 분사량을 감소시켜 동일 출력 이 유지되도록 하였다. DME의 흡기관 내 분사압력 은 7bar이고 분사 시기는 90° BTDC이다. CO의 경우 경유 직분에 비해 흡기관 내에 DME를 분사하면 그 의 배출농도가 크게 감소하였으며, 이는 DME에 포 함된 산소에 의해 연소가 보다 활발해졌기 때문이 다. NOx의 경우 엔진의 부하조건, DME의 분사량에 따라서 다르지만 대체적으로 DME를 흡기관 내에 분사하는 경우에 배출농도가 감소하였다. 이는 DME의 흡기관 내 분사에 따라 예혼합 압축착화효 과가 나타나 연소최고온도가 다소 저하하였기 때문
Research on the Combustion and Emission Characteristics of the DME/Diesel Dual-fuel Engine
Fig. 7 Emissions as a function of DME fuel ratio (DI diesel
& PI DME)
Fig. 8 Histories of in-cylinder gas pressure and heat release rate (diesel 100% vs. diesel 70% + DME 30%)
이다. Smoke 배출농도를 살펴보면 경유 직분에 대 비하여 흡기관 내에 DME를 분사하면 배출농도가 감소하고 20% 이상 분사하면 거의 Zero가 되었다.
이는 DME에 포함된 산소에 의해 연소가 보다 활발 해졌기 때문이다.
Fig. 8은 경유 직분에 대비한 경유 직분 + DME 흡 기관 내 30%의 경우에 대한 연소압력선도 및 열발 생율 선도를 나타낸다. 그림에 의하면 경유를 실린 더 내에 직접분사하고 동시에 DME를 흡기관 내에 분사하는 경우에는, 경유 직분만의 경우에 대비하 여 연소압력선도가 크게 다르다. 열발생율 선도를 살펴보면 경유 직분인 경우에는 압축착화연소에서 보이는 하나의 피크(diffusion combustion) 만을 나타 나지만 흡기관 내에 DME를 추가로 분사하는 경우 에는 예혼합 압축착화연소에서 보이는 3개의 피크 즉 Cool frame(thermal cracking), Pre-mixed controlled combustion, Diffusion combustion를 나타내어, 흡기 관 내에 분사된 DME가 연소실내에서 예혼합 압축 착화 연소를 일으키고 그 후에 경유의 확산연소가 일어남을 확인할 수 있다. 경유를 실린더 내에 직접 분사하고, 흡기관 내에 DME를 Port injection 하면 예 혼합 압축착화연소를 유발함과 동시에 DME에 포 함된 산소성분에 기인하여 동일한 출력에서 Smoke, CO, NOx를 줄이고 디젤엔진의 열효율도 거의 그대 로 유지할 수 있을 것으로 생각된다.
6. 결 론
1) DME는 경유에 비해 화염발생시기가 느리며, 균 일한 형태의 화염과 함께 연료 분사 후에 노즐 분 공에서 연료가 누설되었다. 또한, 분무 관통거리, 분사각 등이 경유에 비해 현저히 작으며 실린더 벽면에 도달하기 전에 모두 증발되었다.
2) 경유 직분과 DME 직분의 결과를 비교하면, CO 와 THC의 배출농도는 DME인 경우가 낮다. 이는 DME에 포함된 산소에 의해 연소가 보다 활발해 졌기 때문이다. NOx는 저 또는 중 부하에서 DME의 경우가 배출농도가 낮으나, 전부하에서 는 배출농도가 증가하였다.
Smoke 배출농도를 살펴보면 경유의 경우에는 부 하의 증가에 따라서 Smoke 배출농도가 증가하였지 만, DME의 경우에는 모든 부하에서 배출농도가 Zero를 나타내며, 이 역시 DME에 포함된 산소에 때 문이다. CO2 경우 모든 부하에 있어서 DME인 경우 에서 크게 낮았다. DME는 분자구조상 탄소(C)의 함 유량이 디젤에 비해 적고, 탄소에 대한 수소의 비율
임옥택․표영덕․이영재
이 작기 때문이다.7) 제동에너지소비율은 DME에 포 함된 산소 때문에 연소가 보다 촉진됨에 따라 제동 에너지소비율이 보다 개선되었다.
3) 실린더 내에 경유를 직접분사하고 동시에 DME 를 흡기관 내에 포트 분사한 경우의 결과는 아래 와 같다.
가) CO2는 경유 직분에 비해 흡기관 내에 DME를 분사하면 크게 감소하며, 이는 DME에 포함된 산소에 때문이다. THC는 엔진 부하조건과 DME 분사량에 따라 결과가 다르지만 대체적 으로 DME를 흡기관 내에 분사하는 경우에 감 소하였다. NOx 역시 엔진의 부하조건과 DME 분사량에 따라 다른 결과를 나타내지만 대체 적으로 DME를 흡기관 내에 분사하는 경우에 감소하였다. 이는 DME의 흡기관 내 분사에 따라 예혼합 압축착화효과가 나타나 연소최 고온도가 낮아졌기 때문이다. Smoke 는 경유 직분에 비해 흡기관 내에 DME를 분사하면 배 출농도가 감소하였으며 20% 이상 분사하면 거의 Zero가 되었다.
나) 경유 직분만의 경우에 비해 연소압력선도가 크게 다르다. 열발생율을 선도를 통해 흡기관 내에 DME를 추가로 분사하면 예혼합 압축착 화연소에서 보이는 Cool frame, Pre-mixed controlled combustion, Diffusion combustion의 3개의 피크를 나타낸다. 흡기관 내에 분사된 DME가 연소실내에서 예혼합 압축착화 연소 를 일으키고 그 후에 경유의 확산연소가 일어 남을 확인하였다.
다) 경유를 실린더 내에 직접 분사하고, 흡기관 내 에 DME를 Port injection 하면 예혼합 압축착 화연소를 유발함과 동시에 DME에 포함된 산 소성분 때문에 동일한 출력에서 Smoke, CO, NOx를 줄이고 디젤엔진의 열효율도 유지할 수 있을 것으로 생각된다.
4) 이상의 실험을 통하여 하기와 같이 각 연소방식 에 따른 장단점 및 최적화방안을 도출하였다.
가) 커먼레일 직분엔진에 DME를 직접 분사하여 적용하는 경우에는 출력 확보를 위하여 노즐 분공을 키워야 하고, 분사시기를 다소 앞당겨
주어야 하며, 분사압력을 낮춰야 할 것으로 생 각된다.
나) 기존 디젤엔진에 흡기관 내에 DME 소량 분사 하는 방식은 경유엔진의 Smoke 개선에 큰 효 과를 나타낼 수 있을 것으로 생각되며, 보다 저압인 저렴한 연료공급계를 추가 장착함으 로서 Smoke free 연소를 달성할 수 있는 장점 이 있을 것으로 생각된다.
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