A Study on Effect of the Intake Valve Timing and Injection Conditions on the PCCI Engine Performance

흡기밸브 닫힘 시기와 분사조건이 PCCI 엔진의 성능에 미치는 영향에 관한 연구

이재현

· 김형민

· 김영진

· 이기형

A Study on Effect of the Intake Valve Timing and Injection Conditions on the PCCI Engine Performance

Jaehyeon Lee,Hyungmin Kim, Yungjin Kim and Kihyung Lee

Key Words: Premixed charge compression ignition(예혼합 압축착화), LIVC(Late intake valve closing, 흡기 밸브 닫힘시기지연), EGR(배기가스재순환), Injection strategy(분사전략)

Abstract

As world attention has focused on global warming and air pollution, high efficiency diesel engines with low CO

emissions have become more attractive. Premixed diesel engines in particular have the potential to achieve the more homogeneous mix- ture in the cylinder which results in lower NOx and soot emission. Early studies have shown that the operation conditions such as the EGR, intake conditions, injection conditions and compression ratio are important to reduce emissions in a PCCI (Premixed Charge Compression Ignition) engine. In this study a modified cam was employed to reduce the effective com- pression ratio. While opening timing of the intake valve was fixed, closing timing of the intake valve was retarded 30°.

Although Atkinson cycle with the retarded cam leads to a low in-cylinder pressure in the compression stroke, the engine work can still be increased by advanced injection timing. On that account, we investigated the effects of various injection parameters to reduce emission and fuel consumption; as a result, lower NOx emission levels and almost same levels of fuel consumption and PM compared with those of conventional diesel engine cam timing could be achieved with the LIVC system.

1. 서 론

환경문제와석유자원의고갈이세계적인문제로대두 되면서자동차의열효율의증가에대한요구와배기물 질에의한대기오염의심각성으로인하여배기규제가 더욱강화되고있다. 이러한 관점에서열효율이높은 디젤엔진은큰매력을가지고있으나, NOx^{와입자상물}

질(particulate matter)등의배출가스증가의문제점이있

다. ^{따라서연소차원에서} NOx^와 PM^{의저감을이룰수}

있는새로운개념의연소기술이절실히요구되고있는 상황이다. 이러한배경으로내연기관연구자들은강화 된배기규제를만족시킬수있는청정연소의저공해엔 진기술개발을위해많은노력을하고있는실정이다.

이러한요구를충족시키기위하여연료와공기가충분히 혼합할수있는예혼합연료분사시스템을이용하여연 소실내희박균일한예혼합기를동시다점착화시키는

연소방식인예혼합압축 착화(PCCI: Premixed Charge

Compression Ignition) 연소가주목을받고있다^(1,2,3). 이와 같은예혼합연소는디젤엔진에상응하는열효율을가

질뿐만아니라, NOx와 PM 저감에크게기여하고있

다. 하지만기존의디젤엔진과달리연소실내의예혼합 을위하여분위기압력및온도가낮은조건에서연료 (2009년 12월 8일접수~2010년 3월 9일심사완료, 2010년 3월

18일게재확정)

E-mail : hylee@hanyang.ac.kr

TEL : (031)400-5251 FAX : (031)406-5550

*한양대학교대학원

†책임저자, 정회원, 한양대학교기계공학부

를분사하여 THC^와 CO^{가많이발생하고}, ^{착화시기가}

TDC 이전이기때문에연비가낮아지는문제점을가지고

있다. 이러한단점을극복하기위하여많은연구자^(4,5,6)들

은기존의디젤엔진보다압축비를낮추려는노력을하 고있다. 낮은압축비는착화지연을증가시키고압력상 승률을감소시켜연소실내의압력과온도를낮춘다고

알려져있다. ^{이를위하여여러문헌(4,5,6)에서는흡기밸}

브닫힘시기를지연시켜유효압축비를저하시켜 연료 공기혼합율을개선하였고, 연소온도와압력을 낮춤으 로써 PM^과 NOx^{를동시에저감시켰다}.

따라서, 본연구에서는 2단분사 PCCI 엔진에서 TDC

이전에착화되어연비가증가되는단점을극복하고 배 기배출물을저감하기 위하여흡기밸브닫힘시기를지 연시킨캠을적용하였고, ^{기본적인연소특성을표준캠}

과비교하였다. 또한, 흡기밸브닫힘시기를지연시킨 캠을적용하였을경우분사조건들이연소및배기특성 에미치는영향에관한연구를수행하였다

2. 실험 장치 및 연구 방법

2.1 엔진시스템

Figure 1^은 2000 cc 4 ^{실린더 커먼레일분사방식의}

예혼합압축착화엔진의개략도를나타낸것이다. 그림 과같이본연구에서는실린더의 보어가 83 mm이고,

스트로크가 93 mm이며압축비가 17.3인 2000 cc 엔진 을사용하였다. ^{분사시스템으로는 노즐 직경이} 0.141

mm인 7공인젝터와고압펌프및커먼레일방식의분

사시스템을이용하였다. 본실험에사용한자세한엔진

제원은 Table 1^{에나타내었다}. ^또한, ^{본연구에서사용}

된 4-실린더엔진은가변스월장치, 배기가스 재순환

장치그리고과급압력제어장치등이포함되어엔진 변수에따른실험이가능하도록구성되어있다. 엔진에

서의 흡수동력을 측정하기 위해 220 kW Meiden 사

EC ^{동력계를사용하여엔진을일정회전수로제어하고}

토크를측정하였다. 엔진의연소해석및연료공급을제

어하기위하여엔진크랭크축에 3600 pulse 엔코더및

캠축에 TDC 센서를부착하였다.

2.2 제어시스템

고압 직접분사식예혼합압축착화엔진을구현하기 위하여연료분사시기와레일압력및분사량을제어할

수있는 TDA 8000(TEMS CO.)을사용하였고, 분사제

어장치에서분사시기와분사량을제어하기 위하여캠

축의 TDC ^{센서와크랭크축의각도센서이용하여 타}

이밍제어를하였다. 분사제어기는최고 200 MPa의레

일압력과 최대 6회분사까지가능하도록되어있으며,

VGT, EGR ^그리고 SCV^{를제어할수있는} PWM ^제어

기가 내장되어 있다. 또한, 엔진의 냉각수는 동력계

WTC를이용하여 82^oC±2로제어하였으며, 엔진에공급 되는연료온도는 40^oC±0.5로조정하였다.

2.3 측정시스템

토크그리고각종온도와압력을측정할수있는동 력계컨트롤러에측정시스템이설치되었고, ^연료유량

계는 Micro motion사의질량유량계(CFM 010)를이용하 여측정하였다. 배기가스는 Horibar 배기분석계(MEXA- 7100 DEGR)^{를이용하여} NOx, THC, CO, CO² and O²

를측정하였고, 매연은 AVL 사스모크미터(415S)를이 용하였다. 모든데이터들은 엔진이정상상태에서 10초 이상의데이터를측정하여평균하였다. ^{배기배출물데} Fig. 1 Schematic of common rail injection type PCCI

multi-cylinder engine

Table 1. Specification of engine

Description Specification

Engine type 4-stroke DI

Number of cylinder 4

Bore × stroke (mm) 83×92

Displacement volume (cc) 1991

Swirl ratio Variable

Compression ratio 17.3

Spray included angle 148°

Hole number 7

이터들은체적분율(ppm/FSN)에서출력에따른질량(g/

kwh)으로환산하여배기유량에따른영향을배제하였

다. ^또한, ^연소실 1^{번실린더에 글로우플러그일체형}

압력센서를설치하여연소압력을측정하였고, 연소해석 은 MTS사연소해석기와엔코더를이용하여압력과열

발생률및 IMEP를실시간으로측정하였다.

2.4 연구 방법

본연구에서는고압직접분사식예혼합압축착화엔진 을이용하여운전조건및흡기밸브닫힘시기지연에따른 연소및배기성능을평가하였다. 실험조건은 Table 2에 나타낸것과같이엔진회전수및부하조건은 1500 rpm

과 BMEP 0.4 MPa^{로일정하게유지하였고}, ^{분사방식은} 2

단분사방법을채택하였다. 조건에따라첫번째와두번 째분사압력은동일하게설정하고, 연료의충분한예혼합 을돕기위하여첫번째분사는압축행정중기에질량

비율로 30%의연료를분사하고, 두번째분사는 TDC 근

처에서나머지 70%를분사하는전략⁷⁾을사용하였다. 그 러나이러한분사전략은고압축비를갖는엔진의경우에 는첫번째분사된연료의 TDC^{전착화로인하여연소효}

율이감소되는단점을지니고있다. 따라서, 본연구에서 는압축비를낮추기위하여흡기밸브닫힘시기를지연시 켰고, ^{이에따른운전조건들의영향도를평가하였다}.

3. 실험결과 및 고찰

3.1 흡기 밸브 닫힘 시기에 따른 압축압력 특성

Figure 2^{는흡기밸브닫힘시기에따른압축압력을나}

타낸그림이다. 그림에서보는바와같이흡기밸브의닫 힘시기가지연됨에따라압축압력이낮아짐을볼수있 다. 이는초기압축행정시흡입된공기가흡기밸브를 통하여다시배출되기때문에나타난결과로생각된다.

Figure 3은 Fig. 2의결과를분석하여흡기밸브닫히

는시기 변화에따른유효압축비와의관계를나타낸 그래프이다. ^{흡기밸브의닫힘시기가지연될수록유효}

압축비는감소됨을보이며, 약 30° 정도지연시키면 16

정도의유효압축비를갖는다.

3.2 분사압력에 따른 배기 및 연소 특성

Figure 4는흡기 밸브닫힘시기와연료분사압력에

따른연비및배기배출물 특성을나타낸 그래프이다.

엔진회전수 1500 rpm와부하 BMEP 0.4 MPa인조건에 서기본디젤엔진의연료분사압력은 750 bar 이다. 하 지만 본 연구에서는 연료의 분사압력을 850 bar에서

Table 2. Experimental conditions

Engine speed 1500 RPM

BMEP 0.4 MPa

CAM profile Standard, LIVO +30^o

Injection timing Early ATDC -60^o

Late ATDC -10~5^o

Injection method Split

Injection pressure 85~130 MPa

Intake conditions

EGR rate 30%

Swirl ratio 1.8~2.46

Pressure 80 mmHg Fig. 2 Effect of intake valve close timing on cylinder pres- sure

Fig. 3 Relationship of intake valve closed timing and com- pression ratio

1300 bar^{까지변화를주었다}. ^{연료분사압력을} 850 bar^에

서 1300 bar까지증가시킬때 CO와 THC와 PM은일반 캠과흡기밸브를지연시킨 캠모두조금씩감소하는 경향을보인다. ^{이는연료의분사압력이증가함에따라}

연료의미립화가이루어져연소의효율이증가한결과

로사료된다. BSFC의결과에서는일반캠적용시연료

분사압력을 1150 bar까지증가할때 BSFC도동시에증

가하지만 1300 bar^{에서는약간감소하는경향을보인다}.

흡기밸브닫힘시기를지연시킨캠을적용한결과에서

는 BSFC가점점증가하다 1150 bar에서약간감소하는

특성을보였으나 1300 bar^{에서는 다시증가함을알수}

있었다. 이는 Fig. 6의결과에서도볼수있듯이증가된

분사압력이연료의미립화를 촉진시킬수있지만 저하 된실린더내분위기압력에따라일정분사압력 이상 에서는오히려분무도달거리의영향이커지므로벽류의 증가를초래하게되고예혼합특성을저하시켜착화시 기가지연됨에따라나타난결과로사료된다. ^이와같은

이유로흡기밸브닫힘시기를지연시킨캠적용시에 는착화시기가지연됨에따라공기와연료의반응시간 이증가하게 되므로 CO 배출물이연료의분사압력 증

Fig. 4 Effect of injection pressure and LIVC on BSFC and emissions

Fig. 5 Effect of injection pressure and Standard intake valve closing on combustion

Fig. 6 Effect of injection pressure and LIVC on combustion

가에따라감소하는것을볼수있다.

Figure 5는크랭크각과실린더내압력관계그래프와

연료분사압력 관계그래프이다. Fig. 5(a) 에서알수

있는바와같이일반캠적용시분사압력의증가는실 린더내최대압력을증가시킬뿐만아니라 Fig. 5(b)와 같이착화시기를 TDC 근처로점점진각시킨다. 이것

은 TDC ^{이전에서의연소효율이증가되었다는것을}

의미한다.

반면에 Fig. 6(a)에서와같이흡기밸브닫힘시기를

지연시킨캠적용시실린더내최대압력은연료분사

압력이 1150 bar까지증가할수록증가하지만, 1300 bar

에서는감소한다. 이것은앞서기술한실린더내압력감 소로인한피스톤상부의벽류의증가가원인이되어

Fig. 6(b)^{에서와같이착화지연이 급격히증가하여연}

소효율이감소된것으로사료된다.

3.3 분사시기에 따른 배기 및 연소 특성

Figure 7(a)는동일운전조건에서흡기밸브닫힘시

기를지연시켰을경우에낮아지는연소최대압력을동 일하게하기위하여두번째분사시기를진각한결과를 보여주고있다. 두번째분사시기가진각될수록최대압

력은증가하게되며, ATDC -5^o까지최대압력은증가하

나더진각할경우에는급격한압력의상승으로인하여 노킹이발생하게된다.

Figure 7(b)는흡기밸브닫힘시기지연에따른압력

과체적의 특성을비교하기위해 log(p)-log(v) ^선도로

나타낸그림이다. 두개의선도에서가장큰차이점은 압축행정의시작점과펌핑손실이다. 압축행정은아트 킨슨사이클적용시낮은압력으로압축되며, ^최대압력

의보상으로인하여일량이증가하게된다.

Figure 8-10은동일운전조건에서흡기밸브닫힘시

기의지연과두번째분사시기만을변경하였을경우에

측정한연소및배기특성이다. Fig. 8에나타난바와같

이표준캠의경우 BMEP는증가하고 BSFC는감소한

다. 이는캠프로파일을제외한다른운전조건은동일하 므로유효압축비의차이에서오는결과로생각된다. ^또

한두번째분사시기가지각됨에따라표준캠의경우 에는대체적으로 BMEP는증가하나 BSFC는감소하는 경향을보인다. ^{그러나흡기밸브닫힘시기의 캠적용}

시에는 BMEP는거의일정하나 BSFC는 ATDC -2.5^o를 기준으로급격히증가함을보인다. 이는유효압축비의 감소로인하여착화시기가지연되어 연비가감소하기

Fig. 7 Effect of injection timing on combustion

Fig. 8 Effect of intake valve closing timing and second injection timing on BSFC and BMEP

Fig. 9 Effect of intake valve closing timing and second injection timing on BSNOx and BSPM

때문으로여겨진다. 그러나표준캠의경우에는두번째 분사시기가너무진각되면이른착화시기로인하여연 비가감소한다.

Figure 9^는 NOx^와 PM ^{특성을나타낸그림으로두번}

째분사시기가지각될수록전체적으로 NOx와 PM이감 소한다. 또한, 흡기밸브 닫힘시기를지연시킨 경우가

NOx^는적고, PM^{은증가된다}. ^{이는유효압축비감소에}

따라연소온도가낮아지기때문에나타난결과로생각 된다.

이와는반대로흡기밸브닫힘시기를지연시킨경우 연료분사시상대적으로낮아진실린더내의분위기 압력에따라벽류가증가하게되므로상대적으로 THC

는증가하고, ^{착화지연기간의증가로연료와공기의반}

응시간이길어짐에따라 CO는감소함을 Fig. 10에서볼

수있다.

Figure 11^{은흡기밸브닫힘시기와 분사시기가} NOx

와 PM에미치는영향을 최종적으로평가한결과이다.

그 결과 현행 디젤 연소에 분사시기 ATDC -60도와

ATDC 5도의 2단분사 PCCI 연소를적용할 경우(1)에

NOx^와 PM^{이동시에감소되나}, ^연비가약 10% ^증가하

게된다. 연비향상을위하여 2번째분사시기를진각시 킬경우(2)는 PM은감소하나 NOx가증가하고연비는 약 5%^{정도증가한다}. ^또한, ^{흡기밸브닫힘시기를지연}

시켜유효압축비를낮출경우(3)에는 PM과연비는같 은수준을유지하면서 NOx를급격히줄일수있다.

4. 결 론

본연구에서는흡기밸브닫힘시기를지연시킨캠을

적용한 2단분사식 PCCI 엔진의기본연소특성을 분

석하였고, 다양한분사조건에따른연소및배기특성을 분석하여다음과같은결론을얻었다.

1) 연료의분사압력을 850 bar 에서 1300 bar까지증 가시킴에따라연료의미립화로인해연소효율이증 가되었다.

2) LIVC일때연료분사압력이 1300 bar에서는실린

더내분위기압력감소로인하여벽류가증가하므로 연소효율이감소되어최대압력이낮아지고 BSFC^가증

가되었다.

3) 일반캠적용시분사압력의증가는실린더내최 대압력을증가시키고, 착화시기를 TDC 근처로점점 진각시킴으로써연소효율이증가되어 BSFC가감소 되었다.

4) 동일운전조건에서 LIVC 경우낮아진연소최대

압력을보상해주기위해두번째분사시기를진각시켰 고, 연소실최대압력을높임으로써일량이증가되었다. 5) LIVC 적용과 ATDC -60도와 ATDC 0도의 2단분

사 PCCI ^{연소적용시} PM^{과연비는같은수준을유지}

Fig. 10 Effect of intake valve closing timing and second injection timing on BSTHC and BSCO

Fig. 11 Effect of operating conditions on NOx and PM map

하면서 NOx를 급격히 줄일 수 있다.

후 기

본 연구는 자동차부품연구원에서 지원하는 “예혼합 압축 착화 엔진용 연료분사 조건의 최적화” 과제의 일 원으로 수행되었다.

참고문헌

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H. Ishii, Y. Goto, “Miller-PCCI Combustion in an HSDI

Diesel Engine with VVT”, SAE 2008-01-0644, 2008.