工學碩士學位論文
디젤機關에서 커먼레일 시스템의 噴射方法에 따른 機關性能 및 燃燒特性에 관한 實驗的 硏究
Engiene Performance and Combustion Characteristics Due to The Variation of Injection Characteristics in
Diesel Engine with Common Rail Systems
國民大學校自動車工學專門大學院
自動車工學科
朴 亨 哲
2002
디젤機關에서 커먼레일 시스템의 噴射方法에 따른 機關性能 및 燃燒特性에 관한 實驗的 硏究
Engiene Performance and Combustion Characteristics Due to The Variation of Injection Characteristics in
Diesel Engine with Common Rail Systems
指導敎授 韓 英 出
이 論文을 工學碩士學位 請求 論文으로 提出함.
2002年 12月 日
國民大學校自動車工學專門大學院
自動車工學科
朴 亨 哲
2002
朴亨哲의
工學碩士學位 請求論文을 認准함.
2002年 12月 日
審査委員長
㊞
審 査 委 員
㊞
審 査 委 員
㊞
國民大學校自動車工學專門大學院
목 차
List of tables ··· Ⅲ List of figures ··· Ⅳ Nomenclature ··· Ⅶ 국문요약 ··· Ⅷ
Ⅰ. 서론 ··· 1
1.1 연구의 배경 ··· 1
1.2 연구의 개요 및 목적 ··· 3
Ⅱ. 이론적 고찰 ··· 4
2.1 디젤기관의 연소 ··· 4
2.2 Common-rail의 개요 ··· 12
Ⅲ. 실험장치 및 방법 ··· 15
3.1 실험장치 ··· 15
3.1.1 실험기관 ··· 17
3.1.2 측정장치 ··· 18
3.2 실험 방법 ··· 20
3.2.1 압력과 분사시기 변화에 따른 연소특성 실험 ··· 20
3.3.2 부하 증가에 따른 연소특성 실험 ··· 21
3.2.3 Pilot 분사에 따른 연소특성 실험 ··· 21
Ⅳ. 결과 및 고찰 ··· 22
4.1 Rail의 압력변화에 따른 영향 ··· 22
4.1.1 기관속도 1500rpm, 분사기간 600㎲, 분사시기 BTDC 12˚ 23 4.1.2 기관속도 1500rpm, 분사기간 600㎲, 분사시기 BTDC 8˚ ··· 24
4.1.3 기관속도1500rpm, 분사기간 600㎲, 분사시기 BTDC 12˚ ·· 27
4.2 분사시기 변화에 따른 영향 ··· 29
4.2.1 기관속도 1500rpm, 분사기간 600㎲, 레일압력 800bar ··· 29
4.2.2 기관속도 1500rpm, 분사기간 600㎲, 레일압력 1350bar ··· 31
4.2.3 기관속도 800rpm, 분사기간 450㎲, 레일압력 1350bar ··· 33
4.3 Pilot 분사에 따른 영향 ··· 35
4.3.1 기관속도 1500rpm, 레일압력 1350bar, 주분사기간 600㎲, 파일럿분사기간 200㎲, , 분사간격 800㎲ ··· 35
4.3.2 기관속도 1500rpm, 레일압력 1350bar, 주분사기간 600㎲, 파일럿분사기간 200㎲, , 분사간격 1200㎲ ··· 37
4.3.3 기관속도 1500rpm, 레일압력 1350bar, 주분사기간 600㎲, 파일럿분사기간 200㎲, , 분사간격 1600㎲ ··· 38
4.3.4 기관속도 1500rpm, 레일압력 1350bar, 주분사기간 600㎲, 파일럿분사기간 200㎲, , 분사간격 2000㎲ ··· 40
4.3.5 기관속도 1500rpm, 레일압력 1350bar, 주분사기간 600㎲, 파일럿분사기간 200㎲, , 분사간격 2400㎲ ··· 41
4.3.6 파일럿분사조건과 일반분사조건과의 P-V선도 비교 ··· 43
4.4 커먼레일압력과 분사시간 증가에 의한 출력증가 특성 비교 ·· 46
4.4.1 연료분사기간의 조정에 의한 출력증가 특성 ··· 46
4.4.2 커먼레일 압력의 증가에 의한 출력증가 특성 ··· 50
Ⅴ.결론 ··· 53
Reference ··· 54
Abstract ··· 57
List of Tables
Table 3.1 Specifications of test engine ··· 18
List of Figures
Fig. 2.1 Cylinder pressure as function of crank angle ··· 4
Fig. 2.2 Geometry of cylinder, piston, connecting rod and crankshaft where B=bore, L=stroke, =connecting rod length, a=crank rdaius, =crank angle ··· 9
Fig. 2.3 Common-rail Fuel System ··· 13
Fig. 2.4 Operation of common-rail Injection ··· 14
Fig. 3.1 Experimental setup of HSDI single-cylinder engine ··· 16
Fig. 3.2 Single cylinder common-rail type diesel engine ··· 17
Fig. 4.1 Comparison of combustion pressure between 800bar and 1350bar rail pressure at BTDC 12˚ Injection time ··· 23
Fig.4.2 Comparison of heat release between 800bar and 1350bar rail pressure at BTDC 12˚ injection time ··· 24
Fig 4.3 Comparison combustion pressure between 800bar and 1350bar rail pressure at BTDC 8˚injection time ··· 25
Fig 4.4 Comparison heat release between 800bar and 1350bar rail pressure at BTDC 8˚injection time ··· 25
Fig 4.5 Comparison combustion pressure between 800bar and 1350bar rail pressure at BTDC 4˚injection time ··· 26
Fig 4.6 Comparison heat release between 800bar and 1350bar rail pressure at BTDC 4˚injection time ··· 27
Fig. 4.7 Comparision of combustion pressure according to the variation of rail pressure ··· 28
Fig. 4.8 Comparision of heat release according to the variation of rail pressure ··· 28
Fig. 4.9 Comparision of combustion pressure according to the variation of injection time ··· 30
Fig. 4.10 Comparision of heat release according to the variation of injection time ··· 30
Fig. 4.11 Comparision of combustion pressure according to the variation of injection time ··· 31 Fig. 4.12 Comparision of heat release according to the variation of injection time ··· 32 Fig. 4.13 Comparision of combustion pressure according to the variation of injection time ··· 33 Fig. 4.14 Comparision of heat release according to the variation of injection time ··· 34 Fig. 4.15 Comparision of combustion pressure between pilot injection and w/o pilot injection with 800㎲ injection gap ··· 35 Fig. 4.16 Comparision of heat release between pilot injection and w/o pilot injection with 800㎲ injection gap ··· 36 Fig. 4.17 Comparision of combustion pressure between pilot injection and w/o pilot injection with 1200㎲ injection gap ··· 37 Fig. 4.18 Comparision of heat release between pilot injection and w/o pilot injection with 1200㎲ injection gap ··· 38 Fig. 4.19 Comparision of combustion pressure between pilot injection and w/o pilot injection with 1600㎲ injection gap ··· 39 Fig. 4.20 Comparision of heat release between pilot injection and w/o pilot injection with 1600㎲ injection gap ··· 39 Fig. 4.21 Comparision of combustion pressure between pilot injection and w/o pilot injection with 2000㎲ injection gap ··· 40 Fig. 4.22 Comparision of heat release between pilot injection and w/o pilot injection with 2000㎲ injection gap ··· 41 Fig. 4.23 Comparision of combustion pressure between pilot injection and w/o pilot injection with 2400㎲ injection gap ··· 42 Fig. 4.24 Comparision of heat release between pilot injection and w/o pilot injection with 2400㎲ injection gap ··· 42 Fig. 4.25 P-V Diagram at 1500rpm, BTDC4˚,
1350bar condition ··· 43 Fig. 4.26 P-V Diagram with 800㎲ Pilot injection ··· 44
Fig. 4.27 P-V Diagram with 2000㎲ Pilot injection ··· 44 Fig. 4.28 Effect of injection gap on power ··· 45 Fig. 4.29 Comparision of power between 800bar rail pressure and 1350bar rail pressure condition ··· 46 Fig. 4.30 Comparision of combustion pressure according to the variation of injection duration ··· 47 Fig. 4.31 Comparision of heat release according to the variation of injection duration ··· 48 Fig. 4.32 Comparision of combustion pressure according to the variation of injection duration ··· 49 Fig. 4.33 Comparision of heat release according to the variation of injection duration ··· 49 Fig. 4.44 Comparision of combustion pressure according to the variation of rail pressure ··· 50 Fig. 4.45 Comparision of Heat Release according to the variation of Rail Pressure at 1500rpm, BTDC12˚ Injection Duration
600㎲ ··· 51 Fig. 4.46 Comparision of power according to the variation of rail pressure and injection duration ··· 52
Nomenclatur
Symbols Brief definition Unit
Pc : power of axis kW Pmea : measured power kW K : adjust coefficient
Tr torque measured by dynamometer N⋅m Pmi : the mean effective pressure N/m2
dp
dθ : the rate of increase of pressure N/m2⋅ deg dV
dθ : the rate of increase of volume m3/deg W : work kcal S : stroke m l : connecting rod length m B : bore m Xb : combustion rate g/ deg cv : specific heat at constant volume kcal/kg∘C cp : specific heat at constant pressure kcal/kg∘C Q : heating value kcal Ti : combustion temperature ∘K
국문요약
커먼레일 시스템이 장착된 엔진은 분사시기, 분사기간, 분사 압력 등을 변화시킬 수 있는 장점이 있다. 이와 같은 커먼레일 시스템의 장점은 많은 연구에서 밝혀지고 있다. 본 연구에서는 커먼레일을 장착한 단기통 디젤기관에서 분사시기, 분사기간, 분사압력 등을 변화시켜가며 기관의 성능과 특성에 대해서 연 구했다. 분사시기, 분사기간은 전자제어 장치에 의해 제어되었 고, 커먼레일 압력은 PCV 장치에 의해 제어되었다. 본 연구에 사용된 단기통 디젤엔진은 498cc의 배기량을 가지고 있다. 본 연구에서 시험하여 수집된 모든 데이터는 Labview에 의해 기 록하여 분선한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
(1) 연소지연기간이 고압의 커먼레일에 의해 짧아졌다.
(2) 분사시기가 지연됨에 따라 최고 연소압력이 낮아졌으나 열 발생율의 변화폭은 작았다.
(3) 커먼레일에서 파일럿 분사에 의한 연소의 특성은 최대 열
발생은 작았으나 출력은 5∼7%정도 증가했고 연소압력의 변
화는 크지 않았다.
Ⅰ. 서론
1.1 연구의 배경
디젤기관은 연료의 경제성, 내구성 등이 우수하여 대부분의 중․대 형 상용차에 탑재되어 왔으나, 화석연료의 유한성에 따른 에너지 소 비절약 및 환경개선을 위한 사회적 요구가 점점 강해지고 있어서 자동차의 기관으로부터 배출되는 유해배출가스에 대한 규제가 강화 되고 있는 실정이다.
연비성능의 면에서 가솔린기관에 비하여 디젤기관은 고압축비화에 따른 열효율의 증가와 희박연소가 용이하다는 장점이 있다. 그러나 가솔린기관의 경우 연료와 공기의 혼합이 연소실 밖에서부터 이루 어지므로, 고회전화 할수록 연소실내 유동장의 발달과 난류 강도의 상승으로 연소의 효율이 높아지는 반면, 디젤기관은 연소실내로 연 료를 직접 분사 후 압축 착화하여 연소시키는 원리를 이용하므로, 고속 회전시에는 연료와 공기의 혼합 시간이 부족하여 혼합 효율이 저감되는 단점을 가지고 있다.1),2)
디젤기관의 고회전화를 가능하게 하는 방법으로 간접 분사식 디젤 기관이 탄생되었으나, 간접 분사식 디젤기관은 부실의 존재로 인하 여 연소실 형상이 복잡하게 되어 압력의 손실이 발생하며, 또한 연 소실 표면적의 증가로 인한 냉각손실의 증가 및 연소실 표면의 국 부적인 가열 등이 발생하는 단점을 가지고 있다. 이에 반하여 직분 식 디젤기관의 경우 고압축비화가 가능하여 구조가 단순할 뿐만 아 니라 효율이 증대되는 장점이 있다. 과거에는 대형차량에만 적용되
었던 직접분사식 디젤기관이 강화되는 배기가스 규제를 만족시키는 연료 분사 시스템의 개발에 의해 그 적용범위가 상용차에서 RV 및 승용차에까지 확대되고 있는 추세이다.
1.2 연구의 개요 및 목적
승용 차량용 고속 직분식(HSDI) 디젤기관의 증가와 디젤기관에 대 한 배기가스 규제의 강화는 보다 정밀하고 완전한 전자 제어 고압 연료분사장치에 대한 요구를 증가시키고 있다.3),4),5) Common-rail 연 료분사 시스템은 압력발생부와 분사를 분리할 수 있기 때문에 기존 의 디젤기관용 연료분사 시스템에 비해 많은 유연성을 가지고 있다.
분사압력은 엔진회전속도와 분사량에 관계없이 조절될 수 있으며, 초고압화에 의해 매연(soot) 저감에 매우 유리한 특징을 가지고 있
다.6)∼13) 또한, 전자제어를 통한 최적의 분사시기 및 분사량의 조절
로,14)∼17) 동일 출력 성능하에서 trade-off 관계에 있는 NOx와 PM의
저감을 기대할 수 있으며, 파일럿(Pilot) 분사에 의해 연소에 의한 소음도 상당부분 감소될 수 있다.18)
따라서 본 연구에서는 단기통 디젤기관에 장착한 Common-rail 연 료분사 시스템의 분사압력, 분사시기, 분사기간 등을 변화시켜 최적 의 분사조건을 찾고자 하였으며, 또한 파일럿 분사에 의한 연소특성 도 실험하였다.
Ⅱ. 이론적 고찰
2.1 디젤기관의 연소
2.1.1 디젤기관의 연소과정
디젤기관은 공기만을 흡입, 압축하여 고온(약 700℃)이 된 실린더 안에 경유를 분사하여 자기착화시킨다. 분사된 연료입자의 크기는 대략 약 10∼35㎛이고, 착화 지연기간이 지난 다음 혼합비가 가장 적합한 위치에서 1개 또는 몇 개의 착화핵이 형성되어 연소된다. 이 과정을 크랭크 각도로 기준하여 압력으로 나타내면 Fig 2.1과 같다.
A B
C D
E
Crank angle p r
e s s u r e
A B
C D
E
Crank angle p r
e s s u r e
Cylinder pressure as function of crank angle
디젤기관의 자기착화온도는 압축행정 중 압력상승에 따라 낮아지 고 실린더 내의 공기온도는 반대로 높아져서 분사가 시작되는 시점 에는 이미 자기착화온도에 도달해 있다. 연료분사와 동시에 착화된 다면 분사율에 비례한 열발생률로 되어 압력상승도 완만하게 일어 나 이상적 연소과정이 된다. 그러나 실제로는 착화지연 후에 연소되 므로 이상연소과정의 실현은 불가능하다. 디젤기관은 일반적으로 다 음과 같은 4개의 연소구간으로 나누어진다.
1) 착화지연기간(A-B) : 이 기간에 분사된 연료는 주위의 공기에 의하여 가열 증발하여 가연혼합기가 형성된다. 그러나 연소실 내의 혼합기는 불균일하며, 이 중에서도 가장 빨리 전염반응이 진행된 곳 에 열염이 나타난다. 가연혼합기가 형성되기까지를 물리적 지연이라 하며 그것은 분위기의 온도, 압력, 연료의 기화성, 분무입자의 지름 및 공기와의 상대속도에 따라 좌우된다. 그 후 열염이 나타날 때까 지를 화학지연이라 하며, 주로 연료의 착화성과 분위기 온도에 좌우 된다.
2) 급속연소(B-C) : 정적연소라고도 하며 착화지연기간 중에 연소 실에 분사된 연료는 혼합기를 형성하며, 착화가 시작되면 다점 동시 착화와 화염전파에 의하여 폭발적으로 연소하는 기간이 있게 되어 압력이 급상승한다. 착화지연기간이 길고, 그 사이에 분사된 연료가 많을수록 압력상승률 이 높게 된다. 이것이 크게 되면 기관의 진동 이 일어나 금속성 음을 내는 디젤노크(diesel knock)를 발생한다.
3) 제어연소(C-D) : 정압연소라고도 하며 계속해서 분사되는 연료 는 이미 화염이 발생되고 있는 중에 분사되므로 거의 분사와 동시 에 연료분사율에 따라 열을 발생한다. 그러므로 열발생률 및 압력
상승률은 급속연소기간보다 낮게 되고, 연료와 공기의 확산, 연료입 자와 공기의 상대속도, 실린더 내의 산소량 등에 의해 지배된다.
4) 후기연소기간(D-E) : 연료분사 종료로부터 연소가 끝날 때까지 의 기간을 말하며, 그때까지 연소되지 못한 연료입자가 피스톤의 하 강에 의해 연소실 체적이 증가함에 따라 확산과 공기유동에 의하여 산소와 만나게 되어 연소된다. 연료의 미립화가 좋지 않을수록 후기 연소기간은 길어지며, 이 기간이 길면 배기온도의 상승과 열효율 저 하의 원인이 된다. 최후까지 산소와 만나지 못한 연료는 그을음 (soot) 또는 매연으로 된다.
2.1.2 기관출력
기관출력을 계산하기 위하여 연소압력 변화의 제 인자(因子)들의 거동 및 이들의 상관관계를 분석하여 축출력, 평균유효압력 등을 구 하였다.
1) 축출력(Pc)
축출력은 다이너모미터(dynamometer)에서 측정된 축출력을 표준 조건인 흡입공기 온도 22℃, 건조 대기압 99 로 환산하여 적용하기 위해 다음과 같은 식을 적용하였다.
표준조건 축출력(Pc)은
P c= Pmea×K (2.1)
이고, 식(2.1)에서 적용된 측정 축출력은 토크와 기관 회전수를 곱한 값이다. 즉, 측정된 축출력(Pmea)은
Pmea=Tr×N/9549.3(kW) (2.2)
이다. 다이너모미터에서 측정된 토크(Tr)는
Tr=F ×L (2.3)
이고, 수정계수(K)는
K= 99
Pmea
(
298Tr)
0.7 (2.4)2) 평균 유효압력(P mi), 압력 상승률( dp
dθ ) 및 체적 변화량( dV dθ ) 평균 유효압력은 기관의 1사이클 당의 압축, 폭발 및 팽창 과정 중 에 발생되는 일을 행정체적으로 나눈 값으로 다음과 같이 정의된다.
Pmi= W V =
⌠⌡ pdv
V (2.5)
사이클당 일은 압력 데이터가 크랭크 각 1도마다의 값이라고 하면
W =⌠⌡ pdv =⌠
⌡ p dv
dθ dθ≈∑n
i =θip(θi) dv
dθ(θi)△θ (2.6)
로 구해지고,
압력 상승률( dp
dθ )은 String 보간법으로부터
(
dθdp)
i= 1
12[pθ(i-2)-8pθ(i-1)+8pθ(i+1)-pθ(i+1)] (2.7)
을 구하였다.
Fig. 2.2의 크랭크 각과 실린더 체적과의 관계로부터 피스톤 운동 에 의한 체적은
V= π
4D2S(θ) (2.8)
이고, 식(2.8)의 행정 s(θ)는 다음 식에서 구한다.
St=r(1-COSθ)+l- 2l2+a2(COS2θ-1)
2 (2.9)
S
θ B
L
TC
BC
a
Fig. 2.2 Geometry of cylinder, piston, connecting rod and crankshaft where B=bore, L=stroke, l=connecting rod length,
a=crank rdaius, θ=crank angle
3) 열발생율, 연소온도 및 연소율(Xb)
기관의 실린더를 시스템으로 하여 열역학 제 1법칙을 적용하면
dQ=du+dW+mCvdT+pdv (2.10)
이 된다. 또 이상기체 상태방정식
pv=mRT (2.11)
을 미분하여 온도 항으로 정리하면
pdv+vdp=mRdT (2.12)
dT=pdv+vdp
mR (2.13)
가 된다.
식 (2.10)의 정적비율은
Cv= R
k-1 (2.14)
로 정의되므로 식 (2.10)에 식 (2.13)과 식 (2.14)를 대입하여 정리하 면 열발생율은
dQ= v
k-1dp+ k
k-1pdv (2.15)
이고, 이 식을 크랭크 각에 대해 미분하면 다음 식과 같이 된다.
dQ dθ = 1
k-1
[
v dp(θ)dθ +kp(θ) dθdv]
(2.16)연소율은 윗 식에서 구한 열발생율을 이용하여 식 (2.17)로 구하였 다.
Xb(θ) =
∑θ
a dQ
∑
b a dQ
(2.17)
식 (2.16)과 식 (2.17)에 적용된 k값은 1.4로 하였다. 연소온도(T)는 이상기체 방정식을 이용하여 구하였다.
Ti= PiVi
mR (2.18)
4) 착화 지연기간, 초기 연소기간 및 후기 연소기간
착화 지연기간은 연료가 분사하기 시작한 점으로부터 연소가 시작 되는 점으로 하였다. 연소가 시작되는 점은 식 (2.15)에서 구한 열발 생율이 급격히 증가하기 시작하는 크랭크 각으로 정하였다. 초기 연 소기간은 연소 시작점에서부터 압력이 최대가 되는 점까지로 하였 고, 후기 연소기간은 초기 연소 끝점에서부터 열발생율의 변동이 없 는 점까지로 하였다.
2.2 Common-rail의 개요
2.2.1 Common-rail 연료분사 시스템
Common-rail 연료분사 시스템은 시동 때 연소실을 가열해주는 파 일럿 분사가 가능하며 분사량, 분사시기, 분사압력 그리고 분사율의 유연한 전자제어로 초고압에서 작동된다. 이러한 변수들을 제어함으 로써 Common-rail 연료분사 시스템은 작동과 구동 안정성은 물론 연료 절약 및 유해 배출가스 저감이 가능해짐에 따라 가솔린 엔진 과 비슷한 수준의 동력 모델을 제공할 수 있게 되었다.
Common-rail 연료분사 시스템은 고압 발생을 위한 고압 펌프 (High Pressure Pump), 고압의 연료를 축압하고 있는 레일(Rail), 고압의 연료를 엔진 실린더 내로 분사하는 전자제어식 인젝터, 각종 센서들과 압력 조절 밸브 그리고 전자제어 장치(ECU)의 요소들로 구성된다.
고압 펌프는 엔진에 의해 구동되며, 여기서 발생된 일정 압력의 연 료는 레일을 통해 인젝터로 공급된다. Common-rail에 부착된 압력 센서에서 연료 압력을 감지한다. 이 신호는 ECU로 보내지며, ECU 에서는 이 신호를 이용하여 압력 조절밸브를 가동시켜 레일 압력을 일정하게 유지할 수 있도록 한다. 레일 압력은 보통 150 ∼ 1500bar 의 범위에서 제어될 수 있다. 레일은 일정 압력의 연료를 고압 파이 프를 통해 인젝터로 공급하며, 연료 축압 기능과 압력파 감쇠 역할 을 한다. 인젝터는 ECU에 의해 전자제어 방식으로 구동되므로 Common-rail 연료분사 시스템은 다중 분사(multi-injection)가 가능 하며 보다 다양한 분사율 제어를 할 수 있다. Fig. 2.3은
Common-rail 연료분사 시스템의 개략도이다.
High Pressure
Pump
ECU
Fuel Tank
Injector High
Pressure Pump
ECU
Fuel Tank
Injector
Fig. 2.3 Common-rail Fuel System
2.2.2 Common-rail 인젝터의 작동원리
Common-rail 인젝터는 솔레노이드가 OFF인 경우에는 솔레노이드 밸브의 스프링에 의해 아마추어(Armature)가 출구 오리피스를 차단 하게 되며, 이에 따라 압력제어실(Control chamber)의 상부에 작용 하며, 니들 스프링과 함께 분사 노즐을 차단하는 방향으로 작용하게 되어 분사는 일어나지 않는다. 인젝터 구동장치에 의해 솔레노이드 가 ON 상태가 되면, 솔레노이드 전자기력에 의해 출구 오리피스가 열리게 되며, 이 순간 압력제어실의 압력은 입․출구 오리피스의 유 량비에 따라 결정되는 압력으로 떨어지게 되고, 축압실(Accumulator chamber)과 제어실의 압력차에 의해 니들밸브가 열리면서 분사가
개시된다.
Accumulator Chamber Needle Valve Needle Spring Control Piston Armature
Pressure Control Chamber Solenoid Coil
Outlet Orifice
Inlet Orifice
Solenoid OFF
Outlet Orifice
Solenoid ON
Accumulator Chamber Needle Valve Needle Spring Control Piston Armature
Pressure Control Chamber Solenoid Coil
Outlet Orifice
Inlet Orifice
Solenoid OFF
Outlet Orifice
Solenoid ON
Fig. 2.4 Operation of common-rail Injection
Ⅲ. 실험장치 및 방법
3.1 실험장치
본 연구에 적용된 Common-rail은 보쉬(Bosch)의 제 2세대 Common-rail로서 1600 bar까지의 고압 축압이 가능한 형태이다. 또 한 파일럿과 포스트 분사가 가능하고, 공기질량, 엔진속도(회전수), 캠축, 온도 등의 운전자 요구 수행을 위한 각종 센서들로 구성되어 있다.
레일의 압력을 조정하기 위한 장치로는 PCV driver unit이 적용되 었다. 이 장치는 레일 내의 압력을 센서로부터 신호 받아서 Duty 제어에 의해 레일 내의 압력을 0 ∼ 1500 bar의 범위에서 일정하게 유지해주는 장치이다.
Common-rail 분사 연료시스템의 분사 개시, 분사 기간 그리고 파 일럿 분사에 대한 제어를 하는 장치로서는 템스사의 인젝터 드라이 버(TDA-3200H)가 적용되었다. 펄스 발생기에서 나온 분사 개시 신 호를 받아 인젝터 구동전류를 발생시켜 인젝터의 솔레노이드를 구 동시켜 적절하게 연료를 분사하는 역할을 한다.
분사 개시에 대한 역할을 하는 장치로서는 자체 제작한 펄스 발생 기가 적용되었다. 캠축에 장착된 앵글 센서의 신호를 받아 동력계에 맞는 적절한 펄스로 재생하여 동력계로 하여금 일정한 속도를 유지 하도록 하고 임의의 분사 개시 신호를 인젝터 드라이버에 보내는 역할을 한다.
커먼레일 타입의 고속직접분사(HSDI) 디젤기관의 연소압력 측정에 사용된 전체적인 실험장치의 개략도는 Fig. 3.1과 같다.
① Engine ② Injector
③ Rail ④ Rail Pressure Sensor
⑤ Pressure Control Valve ⑥ Injector driver
⑦ Pulse generator ⑧ Computer for data acqusition
⑨ Amplifier ⑩ Pressure Sonsor
⑪ Angle sensor ⑫ Fuel Tank
⑬ Low Pressure Pump ⑭ High Pressure Pump
④ ⑤
①
②
③
⑥
⑦
⑧
⑪ ⑨
⑩
⑫
⑬
⑭
④ ⑤
①
②
③
⑥
⑦
⑧
⑪ ⑨
⑩
⑫
⑬
⑭
①
②
③
⑥
⑦
⑧
⑪ ⑨
⑩
⑫
⑬
⑭
Fig. 3.1 Experimental setup of HSDI single-cylinder engine
3.1.1 실험기관
본 연구에 사용된 기관은 가시화 엔진의 base로 제작된 커먼레일 타입의 직접분사식 단기통 엔진으로서 형상은 Fig. 3.1과 같고 크랭 크 케이스 내에 균형추(Balance weight)가 있어 진동을 억제할 수 있는 구조를 가지고 있다. 주요 제원은 Table 3.1과 같다.
Fig. 3.2 Single cylinder common-rail type diesel engine
Table 3.1 Specifications of test engine
Model Rsi-090D
Type Common rail diesel
Aspiration Naturally Aspirated
Bore × Stroke 83 × 92
Displacement 498 cc
Compression ratio 19.5
Valve timing Intake BTDC 9 / ABDC 45 Exhaust BBDC 53.6 / ATDC 8.4
3.1.2 측정장치 (1) 기관동력계
기관동력계는 30㎾ DC형 동력계(400 V, 70Amp)로서 연료온도 조 절장치, 윤활유 온도조절장치, 냉각수 온도조절장치, 토크 측정장치, 제어 시스템으로 구성되어 있다. 시동시에는 모터링 모드로 엔진을 구동시키고 엔진의 연소가 시작되면 Absorbing 모드로 엔진 속도를 일정하게 유지한다.
Photo 1. View of engine dynamometer equipped with single cylinder diesel engine
(2) 연소압력 측정장치
연소압력의 측정은 엔진헤드에 위치한 글로우 플러그(glow plug)의 구멍에 Kistler사의 압전형 변환기인 6051A형을 가공해서 적용했다.
또한 charge amplifier는 Kistler사의 5011A를 사용했다.
(3) 데이터 획득 시스템(Data Acquisition Systems)
실린더 내 연소압력과 분사 펄스 신호는 PCI-6024E A/D board(National Insrument)를 사용하고 프로그램은 Labview를 사용 하여 초당 20,000개의 데이터를 저장했다.
3.2 실험 방법
3.2.1 압력과 분사시기 변화에 따른 연소특성 실험
본 연구에 적용된 전자식 커먼레일 시스템은 분사에 대한 조건을 운전조건과 완전히 별개로 설정할 수 있다. 기관운전조건으로는 기 관회전수를 저속구간인 800rpm과 고속구간인 1500rpm의 두 영역으 로 나누어서 실험했다. 각 회전구간에 대해 분사시기를 BTDC 12˚, BTDC 8˚, BTDC 4˚로 변화시키면서 각 분사시기 변화에 대해 커 먼레일 압력을 각각 800bar와 1350bar로 고정시킨 채 실험을 진행했 다. 800bar와 1350bar로 정한 이유는 기존의 기계식 분사압이 대략 800bar 정도이고 전자식 분사시스템인 제 2세대 커먼레일의 분사압 력이 1350bar 정도이기 때문이다. 커먼레일의 장점 중 고압에 대한 특성을 비교하기 위해 이와 같은 압력설정을 했다.
본 실험에 사용된 단기통 엔진은 (주)코리아 엔진에서 자체 제작된 것으로 엔진의 성능, 최대부하 등은 알 수 없는 상태였다. 따라서 적절한 부하를 설정하기 위해 임의로 분사기간을 변화시키면서 연 소 최고압력이 70bar 정도가 되는 분사기간을 찾았다. 그 결과 1500rpm의 영역에서는 600㎲의 분사기간이 적당했고, 800rpm의 영 역에서는 450㎲의 분사기간이 적당하다는 것을 알았고 각 회전영역 에 대해 600㎲과 450㎲의 분사기간을 유지하면서 실험을 진행했다.
3.3.2 부하 증가에 따른 연소특성 실험
디젤기관에서 부하를 증가시키기 위해서는 공급되는 연료량을 증 가시켜야 한다. 본 연구에 적용된 전자제어식 커먼레일 분사시스템 에서 연료량을 증가시키는 방법으로는 두 가지가 있다. 하나는 커먼 레일 압력을 증가시켜서 같은 시간에 대해 상대적으로 많은 양을 분사시키고 더불어 고압화에 따른 분무 특성을 개선시키는 방법이 있고 다른 하나는 분사기간을 변화시키는 방법이 있다.
따라서 본 연구에서는 기관회전속도를 1500rpm으로 고정한 채 분 사기간을 400㎲, 500㎲, 600㎲, 700㎲으로 나누고 각 분사기간에 대 해 커먼레일 압력을 800bar와 1350bar로 나누어 적용해서 분사압력 과 분사기간 변화에 따른 연소특성을 파악하고자 했다.
3.2.3 Pilot 분사에 따른 연소특성 실험
파일럿 분사에 관한 실험조건은 엔진회전속도는 1500rpm으로 고정 하고 주분사 기간을 600㎲, 파일럿 분사기간을 200㎲로 정하고 주분 사와 파일럿 분사간의 시간 간격을 800㎲, 1200㎲, 1600㎲, 2000㎲, 2400㎲로 변화시키면서 실험했다. 이 때 주분사의 분사시간은 BTDC 4˚로 하여 실험을 진행했다.
Ⅳ. 결과 및 고찰
4.1 Common Rail의 압력변화에 따른 영향
커먼레일의 압력 상승에 따라 연소 최고압과 열발생율의 최고점이 높아지는 경향을 확인할 수 있다. 최고압력은 실험조건에서 최대 28%, 최소 21%의 증가율을 보이고 있다. 또한 분사시기가 TDC에 가까워짐에 따라 연소최고압력이 낮아지는 것을 확인할 수 있고 그 경향은 800bar와 1350bar가 일치하는 것을 알 수 있다.
열발생율의 변화를 살펴보면 커먼레일 압력이 고압인 경우가 분사 가 시작되는 점과 연소가 시작되는 점의 차이, 즉 연소지연 기간이 짧은 것을 확인할 수 있다. 이는 고압인 경우 연료의 분무화가 촉진 되어 연소지연 기간이 짧아지고 고압에 의해 연료분무량이 늘어나 는 때문인 것으로 추측된다.
또한 커먼레일 압력이 증가함에 따라 압력이 높아지는 것도 확인 할 수 있었다.
4.1.1 기관속도 1500rpm, 분사기간 600㎲, 분사시기 BTDC 12˚
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
330 340 350 360 370 380 390 400 410
crank angle(deg)
pressure(bar)
pressure-1350bar pressure-800bar
Fig. 4.1 Comparison of combustion pressure between 800bar and 1350bar rail pressure at BTDC 12˚ Injection time
Fig. 4.1과 Fig. 4.2는 기관속도를 1500rpm으로 고정하고 분사시기 는 BTDC 12˚일 때 커먼레일 압력을 800bar와 1350bar로 두 가지 조건으로 실험한 결과이다. 이 때의 연소최고압력 차이는 20bar정도 임을 알 수 있다. 이 때의 열발생율을 비교하면 고압조건에서 연소 가 빨리 시작되고 많은 열량을 방출함을 알 수 있다. 이는 고압에 따른 연료분무특성 개선과 연료량의 증가로 생각된다. 이 때의 출력 증가는 20.3kW에서 33.4kW로 약 64% 증가했다.
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
330 340 350 360 370 380 390 400 410
crank angle(deg)
heat release(J/deg)
injection pulse heat release- 1350bar heat release- 800bar
Fig.4.2 Comparison of heat release between 800bar and 1350bar rail pressure at BTDC 12˚ injection time
4.1.2 기관속도 1500rpm, 분사기간 600㎲, 분사시기 BTDC 8˚
Fig 4.3과 Fig 4.4의 실험조건은 앞의 실험조건에서 분사시기를 BTDC 8˚에서 커먼레일 압력을 800bar에서 1350bar로 증가시켰을 때 연소최고압력의 차이는 10bar 정도이고 열발생율도 크다는 것을 확인할 수 있다. 이 조건에서의 출력 향상은 20.4kW에서 31kW로 51%정도 증가했다.
0 10 20 30 40 50 60 70 80
330 340 350 360 370 380 390 400 410
crank angle(deg)
pressure(bar)
pressure-1350bar pressure-800bar
Fig 4.3 Comparison combustion pressure between 800bar and 1350bar rail pressure at BTDC 8˚injection time
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
330 340 350 360 370 380 390 400 410
crank angle(deg)
heat release(J/deg)
injection pulse
heat release- 1350bar
heat release-800bar
Fig 4.4 Comparison heat release between 800bar and 1350bar rail pressure at BTDC 8˚injection time
Fig. 4.5와 4.6의 실험조건은 앞의 실험조건과 같고 다만 분사시기 가 BTDC 4˚로 변화한 조건이다. 연소최고압력의 차이는 13bar 정 도 되고 열발생율이 빨리 증가하고 큰 값을 가지는 양상을 똑같이 가지고 있는 것을 확인할 수 있다. 이 때의 출력은 19.5kW에서 30.8kW로 57%정도 증가했다.
0 10 20 30 40 50 60 70
330 340 350 360 370 380 390 400 410
crank angle(deg)
pressure(bar)
pressure-1350bar pressure-800bar
Fig 4.5 Comparison combustion pressure between 800bar and 1350bar rail pressure at BTDC 4˚injection time
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
330 340 350 360 370 380 390 400 410
crank angle(deg)
heat release(deg)
injection pulse heat release- 1350bar heat release- 800bar
Fig 4.6 Comparison heat release between 800bar and 1350bar rail pressure at BTDC 4˚injection time
4.1.3 기관속도1500rpm, 분사기간 600㎲, 분사시기 BTDC 12˚
Fig. 4.7과 Fig. 4.8의 실험조건은 기관회전속도를 1500rpm, 분사시 기 BTDC 12˚, 분사기간 600㎲로 하였다. 이 상태에서 커먼레일 압 력만 600bar, 1000bar, 1200bar로 변화시키면서 이 때의 연소특성을 실험했다.
Fig. 4.7의 연소압력 곡선을 보면 600bar와 1000bar사이의 연소압 력 차이가 크고1000bar와 1200bar 사이의 연소압력차이는 그렇게 크 지 않다는 것을 알 수 있다.
0 10 20 30 40 50 60 70 80
330 340 350 360 370 380 390 400 410
crank angle(deg)
pressure(bar)
pressure-1200bar pressure-1000bar pressure-600bar
Fig. 4.7 Comparision of combustion pressure according to the variation of rail pressure
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120
330 340 350 360 370 380 390 400 410
crank angle(deg)
heat release(J/deg)
injection heat release- 600bar heat release- 1000bar heat release- 1200ar
Fig. 4.8 Comparision of heat release according to the variation of rail
Fig. 4.8에 나타난 열발생율을 살펴보면 1200bar에서 최대 열발생 율을 가지는 것을 알 수 있다. 또한 연소의 시작은 1000bar와 1200bar가 거의 같고, 600bar에서 차이가 많은 것을 알 수 있다. 이 는 1000bar와 1200bar의 고압특성이 거의 같은 것을 알 수 있는 것 이다. 이 때의 출력증가는 600bar에서 1000bar로 증가할 때 11.662kW에서 28.332kW로 크게 증가했고, 1000bar에서 1200bar로 증가할 때도 또한 출력이 31.752kW로 증가했다.
4.2 분사시기 변화에 따른 영향
분사시기 변화에 관한 실험에서는 분사시기를 BTDC 12˚, BTDC 8˚, BTDC 4˚, TDC로 고정하고 기관회전속도, 커먼레일 압력 등을 변화시키면서 운전한 결과 다음 그림과 같은 특성을 나타내고 있다.
분사시기가 지각됨에 따라 연소최고압력은 낮아지는 것을 확인할 수 있고 분사시기 변화에 따른 열발생율의 변화는 크지 않은 것을 확인할 수 있다.
4.2.1 기관속도 1500rpm, 분사기간 600㎲, 레일압력 800bar Fig 4.9는 1500rpm, 커먼레일 압력 800bar, 분사기간 600㎲의 조건 에서 분사시기를 TDC, BTDC 4˚, BTDC 8˚, BTDC 12˚로 변화시 키면서 분사시기의 변화에 대한 연소압력의 변화를 나타내고 있다.
분사가 지연될수록 연소최고압력은 감소하는 것을 알 수 있다.
0 10 20 30 40 50 60 70
330 340 350 360 370 380 390 400 410
crank angle(deg)
pressure(bar)
pressure-BTDC12 pressure-BTDC8 pressure-BTDC4
Fig. 4.9 Comparision of combustion pressure according to the variation of injection time
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120
330 340 350 360 370 380 390 400 410
crank angle(deg)
pressure(bar)
injection pulse -12 injection pulse -8 injection pulse -4 heat release -12 heat release -8 heat release -4
Fig. 4.10 Comparision of heat release according to the variation of injection time
Fig. 4.10은 Fig. 4.9에 대한 열발생율을 나타내고 있다. 이 때의 열 발생율은 분사시기와의 관련성이 작다는 것을 알 수 있다. 각 분사 시기에 대한 출력을 비교하면 BTDC 12˚일 때 20.286kW, BTDC 8˚
일 때 20.5kW, BTDC 4˚일 때 19.5kW로 변화폭이 작다는 것을 알 수 있다.
4.2.2 기관속도 1500rpm, 분사기간 600㎲, 레일압력 1350bar
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
330 340 350 360 370 380 390 400 410
crank angle(deg)
pressure(bar)
pressure-BTDC12 pressure-BTDC8 pressure-BTDC4
Fig. 4.11 Comparision of combustion pressure according to the variation of injection time
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
330 340 350 360 370 380 390 400 410
crank angle(deg)
heat release(J/deg)
injection pulse -12 injection pulse -8 injection pulse -4 heat release -12 heat release -8 heat release -4
Fig. 4.12 Comparision of heat release according to the variation of injection time
Fig. 4.11과 Fig. 4.12의 실험조건은 앞의 실험조건과 같고 다만 커 먼레일 압력이 800bar가 아니고 1350bar인 점이 틀린 조건이다. 이 조건에서도 분사시기가 지각됨에 따라 연소압력이 10bar 정도 감소 했다. 이 때의 출력을 비교해보면 BTDC 12˚일 때 33.418kW, BTDC 8˚일 때 30.968kW, BTDC 4˚일 때 30.772kW이고 분사시기 가 지각됨에 따라 감소한다.
4.2.3 기관속도 800rpm, 분사기간 450㎲, 레일압력 1350bar
0 10 20 30 40 50 60 70 80
330 340 350 360 370 380 390 400
crank angle(deg)
pressure(bar)
pressure-BTDC12 pressure-BTDC8 pressure-BTDC4
Fig. 4.13 Comparision of combustion pressure according to the variation of injection time
Fig. 4.13과 Fig. 4.14의 실험조건은 회전속도가 800rpm이고 레일압 력이 1350bar이고 분사기간이 450㎲일 때의 연소특성에 관한 것이 다. 연소최고압력은 분사가 지연됨에 따라 약 5 bar씩 감소하고 있 다. 이 때의 열발생율 곡선을 보면 연소가 빨리 종료되는 것을 알 수 있다. 그 이유는 분사기간이 450㎲로 짧아짐에 따라 절대 연료량 이 부족하기 때문으로 생각된다. 이는 분사유닛의 특성상 450㎲정도 에서는 연료 분사량이 정상적인 연소에 미치지 못할 정도로 소량이 라는 것을 알 수 있다.
-200 -100 0 100 200 300 400 500
330 340 350 360 370 380 390 400
crank angle(deg)
heat release(J/deg)
injection pulse -12 injection pulse -8 injection pulse -4 heat release -12 heat release -8 heat release -4
Fig. 4.14 Comparision of heat release according to the variation of injection time
4.3 Pilot 분사에 따른 영향
이번 실험에서는 주분사 기간을 600㎲, 기관회전속도 1500rpm, 커 먼레일 압력 1350bar의 기본조건에서 파일럿 될 때 주분사와 파일 럿 분사와의 시간차이를 2400㎲, 2000㎲, 1600㎲, 1200㎲, 800㎲로 변화시키면서 연소특성을 실험했다. 이 때 주분사 길이는 600㎲이고 파일럿분사 길이는 200㎲이다.
파일럿분사에 대한 비교를 위해 같은 같은 조건의 일반분사 결과 와 비교했다.
4.3.1 기관속도 1500rpm, 레일압력 1350bar, 주분사기간 600㎲, 파일럿분사기간 200㎲, , 분사간격 800㎲
0 10 20 30 40 50 60 70
330 340 350 360 370 380 390 400 410
crank angle(deg)
pressure(bar)
pilot w/o pilot
Fig. 4.15 Comparision of combustion pressure between pilot injection and w/o pilot injection with 800㎲ injection gap
Fig. 4.15를 보면 파일럿 분사를 한 경우 연소 최고 압력은 일반의
경우보다 약 5 bar가 감소하는 것을 알 수 있고, 전체의 연소체적은 증가한 것을 알 수 있다. 또한 급격한 압력의 상승이 없으므로 비교 적 정숙주행에 유리할 것이라고 추측할 수 있다. 이 때의 출력을 일 반의 것과 비교해보면 일반의 조건에서는 30.772kW의 출력값을 가 지고 있고 800㎲의 분사시간 간격을 가질 때의 출력은 29.106kW로 다소 감소했다. 이와 같은 결과는 다소 의외의 결과로 일반적으로 파일럿 분사를 하면 6-7% 성능이 향상되는 것으로 알려져 있기 때 문이다. 출력이 떨어진 원인은 주분사와 파일럿분사 사이의 시간 간 격이 너무 작기 때문에 파일럿 분사가 주분사에 대해 나쁜 영향을 미치는 것이라고 생각된다. 이와 같은 것을 고려할 때 파이럿 분사 에 대한 최적점도 존재할 것이라고 생각한다.
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
330 340 350 360 370 380 390 400 410
crank angle(deg)
heat release(J/deg)
w/o pilot injection pilot-injection w/o pilot-heat release
pilot-heat release
Fig. 4.16 Comparision of heat release between pilot injection and w/o pilot injection with 800㎲ injection gap
Fig. 4.16은 이 때의 열발생율을 나타내고 있다. 열발생율에 대해 살펴보면 파일럿을 함에 따라 최대 열발생률이 현저하게 작은 것을 알 수 있다.
4.3.2 기관속도 1500rpm, 레일압력 1350bar, 주분사기간 600㎲, 파일럿분사기간 200㎲, , 분사간격 1200㎲
0 10 20 30 40 50 60 70
330 340 350 360 370 380 390 400 410
crank angle(deg)
pressure(bar)
pilot w/o pilot
Fig. 4.17 Comparision of combustion pressure between pilot injection and w/o pilot injection with 1200㎲ injection gap
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
330 340 350 360 370 380 390 400 410
crank angle(deg)
pressure(bar)
w/o pilot-injection pilot-injection w/o pilot-heat release
pilot-heat release
Fig. 4.18 Comparision of heat release between pilot injection and w/o pilot injection with 1200㎲ injection gap
Fig. 4.17과 Fig. 4.18의 실험조건은 앞의 실험과 같고 다만 주분사 와 파일럿 분사 사이의 시간간격이 1200㎲를 늘어났다. 이 때의 연 소압력 선도를 살펴보면 연소최대압력이 비교대상의 연소최고압력 과 거의 같다. 이 때의 출력을 비교해보면 1200㎲의 주분사 파일럿 분사 간격을 가질 때의 출력은 31.85kW로 비교대상 조건의 출력 30.772kW보다 약간 큰 것을 알 수 있다.
4.3.3 기관속도 1500rpm, 레일압력 1350bar, 주분사기간 600㎲, 파일럿분사기간 200㎲, , 분사간격 1600㎲
Fig. 4.19와 Fig. 4.20의 실험조건은 앞의 실험과 같고 주분사와 파 일럿 분사간의 시간간격이 1600㎲로 늘어난 조건이다. 연소압력선도 에서 파일럿 분사에 의해 압력이 증가한 것을 볼 수 있다.
0 10 20 30 40 50 60 70
330 340 350 360 370 380 390 400 410
crank angle(deg)
pressure(bar)
pilot-pressure w/o pilot-pressure
Fig. 4.19 Comparision of combustion pressure between pilot injection and w/o pilot injection with 1600㎲ injection gap
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
330 340 350 360 370 380 390 400 410
crank angle(deg)
heat release(J/deg)
w/o pilot-injection pilot-injection w/o pilot-heat release
pilot-heat release
Fig. 4.20 Comparision of heat release between pilot injection and w/o pilot injection with 1600㎲ injection gap
열발생율을 보면 파일럿 분사에 의해 주분사의 열발생율이 원만한 곡선을 가지는 것을 알 수 있다.
4.3.4 기관속도 1500rpm, 레일압력 1350bar, 주분사기간 600㎲, 파일럿분사기간 200㎲, , 분사간격 2000㎲
Fig. 4.21과 Fig 4.22의 실험조건은 주분사와 파일럿 분사간의 시간 간격이 2000㎲이다.
0 10 20 30 40 50 60 70
330 340 350 360 370 380 390 400 410
crank angle(deg)
pressure(bar)
pilot-pressure w/o pilot-pressure
Fig. 4.21 Comparision of combustion pressure between pilot injection and w/o pilot injection with 2000㎲ injection gap
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
330 340 350 360 370 380 390 400 410
crank angle(deg)
heat release(J/deg)
w/o pilot-injection pilot-injection w/o pilot-heat release
pilot-heat release
Fig. 4.22 Comparision of heat release between pilot injection and w/o pilot injection with 2000㎲ injection gap
주분사와 파일럿 사이의 간격이 바뀌었지만 앞의 그래프와 거의 같은 형태를 보인다.
4.3.5 기관속도 1500rpm, 레일압력 1350bar, 주분사기간 600㎲, 파일럿분사기간 200㎲, , 분사간격 2400㎲
Fig. 4.23과 Fig. 4.24는 주분사와 파일럿 분사간의 간격이 2400㎲
이다.
0 10 20 30 40 50 60 70
330 340 350 360 370 380 390 400 410
crank angle(deg)
pressure(bar)
pilot-pressure w/o pilot-pressure
Fig. 4.23 Comparision of combustion pressure between pilot injection and w/o pilot injection with 2400㎲ injection gap
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
330 340 350 360 370 380 390 400 410
crank angle(deg)
heat release(J/deg)
w/o pilot-injection pilot-injection w/o pilot-heat release
pilot-heat release
Fig. 4.24 Comparision of heat release between pilot injection and w/o pilot injection with 2400㎲ injection gap
4.3.6 파일럿분사조건과 일반분사조건과의 P-V선도 비교
파일럿분사를 하면 6-7%의 성눙이 향상된다고 한다. 이는 연소가 급작스럽게 일어나지 않고 부드럽게 일어남에 따라 P-V선도상의 면적이 증가하는것이다. 이런 파일럿의 특성을 나타내기 위해 P-V 선도를 비교한다.
0 100 200 300 400 500 600
0 10 20 30 40 50 60 70
Volume(cc)
Pressure(bar )
Fig. 4.25 P-V Diagram at 1500rpm, BTDC4˚, 1350bar condition
Fig. 4.25는 기관속도 1500rpm, 분사시기 BTDC 4˚, 커먼레일압력 1350bar의 조건에서 측정된 데이타를 P-V선도로 나타낸 것이다. 이 와 비교하여 다음에 나올 Fig. 4.26과 Fig. 4.27은 각각 800㎲와 2400㎲의 분사간격을 가지는 조건에서 측정된 데이터를 P-V선도로 나타내었다.
0 100 200 300 400 500 600 0
10 20 30 40 50 60
Volume(cc)
Pressur e(bar)
Fig. 4.26 P-V Diagram with 800㎲ Pilot injection
0 100 200 300 400 500 600
0 10 20 30 40 50 60 70
Volume(cc)
Pressure(bar)
Fig. 4.27 P-V Diagram with 2000㎲ Pilot injection
Fig. 4.25, Fig. 4.26, Fig. 4.27을 비교해보면 주분사와 파일럿분사 간의 간격이 커질수록 연소구간이 부드러워지는 것을 알 수 있다.
주분사와 파일럿 분사 사이의 시간간격이 너무 작으면 출력이 오 히려 감소하는 것으로 나타났다. 이를 그래프로 나타내면 다음과 같 다.
28 28 29 29 30 30 31 31 32 32 33
800 1200 1600 2000 2400
injection gap(㎲)
power(kW)
power(kW)
Fig. 4.28 Effect of injection gap on power
Fig. 4.28을 보면 1200㎲ 근방에서 가장 큰 출력을 내고 있다. 이에 따라 파일럿 분사에 대한 최적점이 1200㎲ 정도인 것으로 생각한다.
4.4 커먼레일압력과 분사시간 증가에 의한 출력증가 특성 비교
4.4.1 연료분사기간의 조정에 의한 출력증가 특성
디젤기관에서 부하를 증가시키는 방법은 연료량을 증가시키는 것 이다. 연료량을 증가시키기 위한 방법으로는 커먼레일 압력을 증가 시키는 것과 분사기간을 증가시키는 두 가지 방법이 있다. 이 두가 지 방법 즉 압력과 시간에 대한 연료량의 분출량을 비교하고 그 특 성을 살펴보고자 한다.
0 5 10 15 20 25 30 35 40
400 500 600 700
injection duration(㎲)
power(kW)
power-1350bar power-800bar
Fig. 4.29 Comparision of power between 800bar rail pressure and 1350bar rail pressure condition
Fig. 4.29를 살펴보면 커먼레일 압력이 고압일 때가 출력이 더 크
것을 알 수 있다. 이로서 알 수 있는 것은 700㎲ 연료량 범위에서는 연료량이 클수록 출력도 비례한다는 것을 알 수 있다.
1) 기관속도 1500rpm, 분사시기 BTDC 12˚, 레일압력 800bar
0 10 20 30 40 50 60 70 80
330 340 350 360 370 380 390 400 410
crank angle(deg)
pressure(bar)
pressure-400㎲
pressure-500㎲
pressure-600㎲
pressure-700㎲
Fig. 4.30 Comparision of combustion pressure according to the variation of injection duration
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120
330 340 350 360 370 380 390 400 410
crank angle(deg)
heat release(J/deg)
injection
heat release-400㎲
heat release-500㎲
heat release-600㎲
heat release-700㎲
Fig. 4.31 Comparision of heat release according to the variation of injection duration
Fig. 4.30과 Fig. 4.31은 800bar의 커먼레일 압력에서 분사기간을 400㎲, 500㎲, 600㎲, 700㎲로 증가시켰을 때의 연소압력 특성과 열 발생율에 대한 것을 나타낸다. 열발생률은 분사기간이 변화해도 거 의 같은 것을 알 수 있다.
2) 기관속도 1500rpm, 분사시기 BTDC 12˚, 레일압력 1350bar Fig. 4.32와 Fig. 4.33의 실험조건은 앞의 실험과 같고 다만 커먼레 일 압력이 800bar에서 1350bar로 증가하였다.
