A Study on the Combustion Characteristics with Control Strategy and Injector Position Changes in a Lean-burn LPG Direct Injection Engine

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Transactions of KSAE, Vol. 22, No. 4, pp.98-104 (2014)

연소제어 전략 및 분사기 위치 변경에 따른 직접분사식 초희박 LPG 엔진의 연소특성 연구

박 철 웅^*․박 윤 서․이 용 규․오 승 묵․김 태 영

한국기계연구원 그린동력연구실

A Study on the Combustion Characteristics with Control Strategy and Injector Position Changes in a Lean-burn LPG Direct Injection Engine

Cheolwoong Park^*․Yunseo Park․Yonggyu Lee․Seungmook Oh․Taeyoung Kim

Department of Engine Research, Korea Institute of Meachinery and Materials, 156 Gajeongbuk-ro, Yuseong-gu, Daejeon 305-343, Korea

(Received 26 August 2013 / Revised 27 November 2013 / Accepted 7 January 2014)

Abstract : The technologies employing spray-guided type combustion system for ultra-lean combustion direct injection engine is focused as a promising technology for satisfying emission regulations and improving fuel economy. In the present study, control and design optimization of lean-burn LPG direct injection engine was carried out with control strategy and injection position changes. Inter-injection spark ignition strategy was applied and the effect of the strategy was assessed at relatively higher load operation condition than previous researches. In order to create richer mixture in the vicinity of spark plug electrode, relative distance between the dead-end of injector and the electrode of spark plug was changed.

Key words : LPG direct injectition(LPG 직접분사), Ultra-lean combustion(초희박연소), Spray-guided type combustion system(분무유도방식 연소기구), Inter-injection spark ignition(분사간 점화착화), Injector protrusion(분사기 돌출)

1. 서 론¹⁾

전 세계의 자동차 제작회사들은 날로 높아지는 배기 규제를 만족시키고 고유가 시대에 발맞춰 연 비 향상을 통해 경제성을 확보하기 위한 노력을 기 울이고 있다.^1,2) 특히 유럽에서 제안된 이산화탄소 (CO2) 배출 기준 120 g/km을 만족시키기 위해서는 보다 진보된 엔진 기술이 필요한 상황이다. 이러한 상황에서 직접분사기술은 연료를 연소실내에 직접 분사하는 기술로 분사된 연료가 연소실내에서 증발 하며 생기는 냉각효과를 통해 체적효율 및 압축비 를 증가시킬 수 있으며, 희박 연소 구현을 통해 펌핑

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

손실 및 냉각손실의 감소를 통한 연비 개선이 가능 한 기술로 평가받고 있다.³⁾ 근래에 이르러 이러한 직접분사 기술을 보다 발전시킨 기술로 초희박 직 접분사 기술이 각광받고 있다. 초희박 직접분사 기 술은 기존 직접분사 기술의 공기과잉률을 연소한계 영역까지 높여 연소시킴으로써 연비를 보다 향상시 킬 수 있는 기술이다.⁴⁾ 그러나 연소되는 혼합기의 연료가 너무 희박하기 때문에 안정적인 연소를 위 해서는 성층 혼합기 형성 여부가 많은 영향을 미치 게 된다. 직접분사식 희박연소방식에는 벽면유도방 식(wall-guided type), 공기유도방식(air-guided type) 및 분무유도방식(spray-guided type) 등이 있다. 1세 대 연료유도방식으로 불리는 벽면유도방식이나 공

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연소제어 전략 및 분사기 위치 변경에 따른 직접분사식 초희박 LPG 엔진의 연소특성 연구

기유도방식의 경우 이론공연비 혼합기 형성은 용이 하지만 혼합기가 형성되는 조건이 실린더 내부 유 동에 많은 영향을 받기 때문에 혼합기가 형성되는 운전조건이 매우 좁은 특성을 나타낸다. 게다가 혼 합기 형성 과정 중 벽면에 부착되는 연료가 미연소 되어 미연탄화수소(THC)증가의 원인으로 작용되 는 것으로 알려져 있다.

분무유도방식은 이러한 단점을 보다 개선시킨 방 식으로 실린더 헤드 중앙에 고압의 인젝터와 점화 플러그가 인접하게 장착되어 성층 혼합기의 구현을 보다 안정적으로 구현할 수 있는 기술이다.⁵⁾ 연료가 실린더 헤드 중앙에서 분사되기 때문에 벽면이나 피스톤에의 부착을 방지할 수 있으며 실린더 내부 유동에 대한 영향이 적기 때문에 성층 혼합기가 형 성되는 운전조건을 확장시켜 효율적인 성층 혼합기 형성이 가능한 기술이다.⁶⁾

이전의 연구결과로부터 다단분사의 사이에 점화를 일으키는 분사간 점화착화(ISI; inter-injection spark ignition) 연소제어 전략을 이용하여 상대적으로 저 부하 운전조건에서 연소안정성을 확보하여 초희박 연소를 구현하였다.^7-9) 그러나 연료분사시기 및 점 화시기와의 상관관계 또는 연료분사시간 등의 제어 에 민감하게 영향을 받는 성층 혼합기의 희박연소 특성상 상대적으로 높은 부하 조건에서의 연소안정 성 확보를 위한 추가적인 설계 변경 또는 제어 전략 의 변경이 요구될 수 있다.

이에 본 연구에서는 직접분사식 초희박 LPG엔진 의 운전영역 확장을 목표로 중부하 운전조건에서의 ISI 연소제어 전략의 적용가능성을 검토하고, 연소 안정성 확보를 위한 설계 변경 요소에 대한 영향을 실험적으로 확인하고자 하였다. 이를 바탕으로 한 연구결과들은 초희박 LPG 직접분사식 엔진 개발의 기초 데이터로서 이용될 수 있다.

2. 실험장치 및 방법

본 연구에서는 2,000 cc급 포트분사방식 엔진을 베이스 엔진으로 실린더 헤드의 재설계를 통해 분 무유도방식을 적용한 초희박 직접분사 LPG 엔진을 구성하였다. 구성된 엔진의 제원을 Table 1에 나타 내었다.

Table 1 Specifications of test engine

Engine type 4-stroke, 4-cylinder DOHC 4 valve/cylinder

Bore 86 mm

Stroke 86 mm

Compression ratio 10.0 Combustion chamber Pent roof

Intake valve timing BTDC 7 CAD/ABDC 67 CAD Exhaust valve timing BTDC 48 CAD/ABDC 0 CAD

2.1 실험장치

Fig. 1에 본 연구에 사용된 실험장치의 전체적인 구성을 나타내었다. 엔진에 공급되는 연료는 LPG 탱크의 저압연료펌프에서 0.5 MPa의 압력으로 고 압연료펌프에 공급되며 이때 공급된 연료는 다시 고압연료펌프를 통해 20 MPa로 가압되어 커먼레일 (common rail)로 공급된다. 이때 재순환 되는 연료의 온도 상승에 의한 연료압력 저하를 방지하기 위해 열교환기를 장착하여 재순환되는 연료를 냉각시켰 다. 한 사이클당 최대 4회의 연료분사가 가능한 피 에조(piezo) 형식의 인젝터를 장착하였으며, 범용 ECU(engine control unit)를 사용하여 연료 분사시기, 연료 분사량 및 점화시기를 제어하였다.

이전의 연구 결과로부터 외부개방형 노즐을 갖는 연료분무를 가시화한 LPG 연료의 경우 가솔린에 비해 분무도달거리가 짧고 분무선단에서의 분무각 도가 크지 않은 것으로 보고되었다.¹⁰⁾ 따라서 분사 된 연료의 혼합기가 스파크 전극의 위치에 가깝도 록 하는 형상부분의 설계 변경이 고려되었다. 이를 위해 인젝터가 장착되는 깊이를 달리하여 상대적인 분무 도달 거리를 변경하였다. 인젝터의 장착 깊이 의 변경은 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 두께 1 mm의 구리 가스켓을 이용하였으며, 인젝터 장착시 가스 켓을 삽입하지 않은 기본 설계의 배치 조건에서 실 린더 헤드 상면에서 인젝터의 끝단까지의 거리인 인젝터의 돌출 길이는 1.4 mm에 해당하였다. 가스 켓을 삽입했을 경우 인젝터 돌출은 0.4 mm로 감소 하게 된다.

각각의 배기 매니폴드에 열전대와 광역산소센서 (LA4, ETAS co.)를 장착하여 실린더 별 배기온도 및 공기과잉률을 측정하였으며 각 연소실 내에 압력센 서를 설치하여 연소압력을 측정하였다. 측정된 연

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Cheolwoong Park․Yunseo Park․Yonggyu Lee․Seungmook Oh․Taeyoung Kim

Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus

Fig. 2 Schematic diagram of injector protrusion variation with insertion of copper gasket

소압력결과는 D2T 연소해석기를 통해 연소 안정성 및 열방출률 등의 계산에 이용되었다. 가스 추출라 인(Gas sampling line)을 장착하여 배기 분석기(AMA i60, AVL)를 통해 배기를 분석하였다.

2.2 실험장치

승용차량에서 주로 운전되는 영역중 하나인 2,000

RPM, BMEP 4 bar 조건에서 연구를 수행하였다. 가 장 낮은 연료소비율 및 연소 안정성을 나타내는 조 건을 최적운전조건으로 간주하고, 이론 공연비 조 건에서 희박 한계 영역까지 공기과잉률을 0.2 씩 증 가시키며 연료소비율을 측정하여 각 공기과잉률 조 건에서 최적조건을 찾았다. 점화 플러그 주위에 형 성되는 농후한 혼합기의 최적화를 위해, 인젝터 장 착 시 가스켓의 삽입 유무에 따라 인젝터 돌출 거리 를 변경하여 실린더 내 점화플러그와 인젝터 사이 의 상대적인 거리 변화에 따른 연료소비율의 변화 를 측정하였다.

3. 실험결과 및 고찰 3.1 연소제어 전략에 따른 연소 특성 Fig. 3은 기존의 설계를 기반으로 한 인젝터의 장 착위치에서 단분사의 경우와 ISI 연소제어 전략의 적용에 따른 연료소비율(BSFC; brake specific fuel consumption)을 나타난 그래프이다.

기존의 설계에 의한 인젝터 장착위치에서 인젝터 끝단과 헤드 상면의 높이차는 1.4 mm이다. 상대적

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A Study on the Combustion Characteristics with Control Strategy and Injector Position Changes in a Lean-burn LPG Direct Injection Engine

Fig. 3 Effect of injector mounting with base design on specific fuel consumption

으로 저부하 조건에서의 이전 연구결과의 경향과 동일하게 공기과잉률 1.0조건의 경우 이론공연비 조건에 해당하기 때문에 공기와의 충분한 혼합을 위한 조기분사 전략이 적절한 반면, 공기과잉률 1.2 이상의 희박연소 조건에서는 성층 혼합기의 희박연 소 구현을 위한 지연분사 전략이 적절하여 각각의 조건에서 분사시기를 달리하였다.⁷⁾ 연소제어 전략 에 관계없이 조기분사 조건과 지연분사 조건의 천 이영역에 해당하는 공기과잉률 1.2와 1.4 조건에서 는 연료소비율이 이론공연비 조건에 비해 증가하였 다. 공기과잉률이 증가할수록 희박연소에 의한 영 향으로 연료소비율이 감소하였으나, 상대적으로 높 은 부하조건이기 때문에 희박연소한계조건에서의 공기과잉률이 크지 않아 연료소비율의 개선 폭이 작음을 확인할 수 있다. 이전 연구결과에서는 ISI 제 어전략을 이용하여 연소안정성 및 연료소비율의 개 선 효과를 얻을 수 있었으나, 본 연구의 운전조건에 서는 ISI 전략을 적용하더라도 단분사 조건에 비해 오히려 연료소비율이 증가하거나 희박연소한계 조 건에서는 비슷한 수준을 보였다. 그 원인은 희박한 계에 해당하는 WOT(wide open throttle) 운전조건에 서 각각의 연소제어 전략에 따른 연소실 압력선도 와 열방출률 선도를 나타낸 Fig. 4를 통해 찾을 수 있 다. 단 분사의 경우 성층 혼합기의 형성이 한 번의 분사만으로 이루어지기 때문에 Table 2에 나타난 것 과 같이 ISI 전략의 경우에 비해 연료분사시기 및 점 화시기가 진각되어 있으며 열방출율 또한 상대적으 로 완만한 곡선을 보인다. 그에 반해 ISI 전략의 연 소는 일부의 연료를 점화시킨 후 나머지 연료를 재

Table 2 Optimum spark and fuel injection timing with various combustion control strategies

Injector protrusion

Injection type

1st Injection timing (BTDC)

2nd Injection timing (BTDC)

Spark timing (BTDC)

1.4 mm single 53 - 44

ISI 46 36 39

Fig. 4 Comparison of heat release between single injection and ISI injection at wide open throttle condition

Fig. 5 Effect of spark advance timing of ISI strategy on pressure trace and heat release rate

분사하여 연소에 이용하기 때문에 급속한 열방출을 나타낸다. 일반적으로 급속한 열방출은 연소에 긍 정적이지만, 해당 운전조건에서의 열방출이 대부분 TDC 이전에 일어나고 있기 때문에 연료소비율 개 선에 기여하지 못한 것으로 판단된다.

열방출률의 제어를 위해 Fig. 5와 같이 점화시기 와 연료분사시기간의 간격을 일정하게하고 점화시 기를 지각시켰으나, 초기 분사된 연료의 점화가 지 각되어 열방출이 감소되고 점화 후에 분사된 나머

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박철웅․박윤서․이용규․오승묵․김태영

Table 3 Effect of spark and fuel injection timing variation on specific fuel consumption and combustion stability Injection

type

Spark timing (BTDC)

BSFC (g/kWh)

COV (%)

ISI injection

46 39 36 252 4.5

41 34 31 254 5.8

36 29 26 258 6.3

지 연료는 연소에 기여하는 비율이 감소하고 일부 열원이 분무의 기화에 이용되어 TDC 이후에 열방 출이 오히려 음의 값으로 급격히 감소되었다. 그 결 과 Table 3에 나타낸 것과 같이 점화시기가 지각될 수록 연소안정성의 악화와 함께 연료소비율이 증가 하였다.

3.2 인젝터 깊이 변화에 따른 연소 특성 앞선 결과로부터 ISI 연소제어 전략 및 각각의 분 사시기 및 점화시기의 변경만으로는 연료소비율의 개선을 이루기 어렵고, 점화플러그의 전극 주위에 보다 농후한 혼합기를 형성하는 것이 보다 긍정적 일 것으로 예상되었다. 점화가 일어나는 전극 주변 의 혼합기 형성은 인젝터와 점화플러그와의 거리가 큰 영향을 미치며, 본 연구에서는 기존의 설계를 기 반으로 한 인젝터의 장착위치를 변경하여 상대적인 거리를 증가시키고자 하였다. 이를 위해 전술한 바 와 같이, 인젝터 장착시 가스켓을 삽입하여 인젝터 의 돌출을 기존 1.4 mm에서 0.4 mm로 1 mm 상승시 킴으로써 점화플러그와의 상대적인 간격을 증가시 켰다.

Fig. 6에 인젝터의 돌출 깊이를 0.4 mm로 변경하 였을 때 공기과잉률 증가에 따른 단분사와 ISI 제어 전략의 경우에 대한 연료소비율 결과를 인젝터의 돌출 깊이가 1.4 mm인 경우와 비교하였다. 단분사 의 경우 상대적으로 농후한 혼합기 조건인 공기과 잉률 1.6이하의 조건에서 인젝터의 장착위치가 상 승하더라도 비슷한 수준의 연료소비율을 나타내었 다. 그러나 혼합기가 보다 희박해질수록 예상과는 달리 오히려 연료소비율이 악화되었다.

이에 대한 원인은 Table 4에 정리한 연료분사시기 의 차이로 볼 수 있다. Table 2의 기존의 설계를 기반 으로 한 인젝터의 장착위치 조건과 비교할 때 점화

Fig. 6 Effect of injector protrusion variation on specific fuel consumption

Table 4 Optimum spark and fuel injection timing with various combustion control strategies for 0.4 mm of injector protrusion

Injector protrusion

Injection type

Spark timing (BTDC)

0.4 mm single 73 - 44

ISI 68 39 44

시기의 차이는 5 CAD로 작은 반면 단분사의 연료분 사시기와 ISI 전략의 첫 번째 분사시기가 크게 진각 되었다. 예상과 같이 인젝터의 장착위치 상승과 함 께 점화플러그의 전극 주위에 보다 농후한 혼합기 가 형성되었을 경우 최적 연료분사시기와 점화시기 의 큰 변화 없이 연소안정성 및 연료소비율이 개선 될 것으로 예측하였다. 그러나 인젝터의 장착위치 가 상승하여 분사되는 연료의 일부가 헤드상면과 충돌하여 연료 분무 형상이 기존 설계의 경우와 다 르게 나타나 중공원형분사 형상이 왜곡되었을 것으 로 판단된다.

WOT 조건에서 ISI 전략의 최적 연료분사시기 및 점화시기 조건의 열방출율과 ISI 전략 적용시 최초 연료분사시기를 점진적으로 지각하여 인젝터 돌출 깊이가 1.4 mm인 기존의 설계를 기반으로 한 인젝 터의 장착위치 조건과 유사한 분사시기 조건에서의 열방출율을 비교하여 Fig. 7에 나타내었다.

인젝터 돌출 깊이가 0.4 mm이며 최적 연료분사 시기인 조건의 경우 최대 열방출률을 나타내는 시 기가 인젝터 돌출 깊이 1.4 mm인 경우와 비슷한 시

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연소제어 전략 및 분사기 위치 변경에 따른 직접분사식 초희박 LPG 엔진의 연소특성 연구

Fig. 7 Effect of 1st injection timing variation for ISI strategy on heat release rate

기를 나타내고 있으나 상사점 이후에 급격히 감소 하지 않고 다른 기울기의 형상을 나타내는 반면, 최 초 연료분사시기가 지각될수록 최대 열방출율 값이 크게 감소되고 연소속도가 저하되는 결과를 보였다.

3.3 인젝터 깊이 변화에 따른 배출가스 특성 가스켓을 삽입하여 인젝터의 돌출을 기존 1.4 mm 에서 0.4 mm로 1 mm 상승시키더라도 희박연소 한 계조건에서의 연료소비율 개선효과는 얻을 수 없었 으나, ISI 전략의 적용에 의한 배출가스 저감효과를 살펴보았다. Fig. 8과 Fig. 9는 각각 공기과잉률의 증 가에 따른 탄화수소 및 질소산화물의 배출을 나타 낸 그래프이다. 설계변경 및 연소전략에 관계없이 혼합기가 희박해질수록 탄화수소의 배출량이 증가 하는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 경향은 이전의 연구결과와 유사한 결과이다. 탄화수소의 배출은 인젝터 돌출 깊이 0.4 mm인 경우 상대적으로 이른 시기에 분사된 연료의 헤드상면 충돌에 의한 벽면 적심 현상 및 희박 혼합기 비율 증가에 의해 증가될 것으로 예상되었으나 각 연소제어 전략의 경우에 대해서 감소하였다.

이는 Fig. 7의 열방출률 결과에서 볼 수 있는 것과 같이 최대 열방출률을 나타낸 후 급격하게 감소되 지 않고 점화 이후에 분사된 연료의 연소가 활성화 되기 때문인 것으로 판단된다. 점화 이후의 연료 분 사가 인젝터 돌출 깊이 1.4 mm인 경우와 같이 점화 플러그에 직접 충돌하는 것과 같은 연료분사 형상

Fig. 8 THC emission versus excess air ratio with each design and combustion strategy

Fig. 9 NOx emission versus excess air ratio with each design and combustion strategy

에 비해 충돌에 의해 분무도달 거리가 감소되는 것 이 추가적인 연소와 탄화수소의 저감에 도움을 주 는 것으로 보인다. 상기와 같은 원인과 상대적으로 이른 연료분사 시기에 의한 농후 혼합기 형성으로 인해 인젝터 돌출 깊이 0.4 mm인 경우가 연소전략 에 관계없이 질소산화물의 배출이 증가하였다.

4. 결 론

본 연구에서는 분무유도방식을 적용한 초희박 LPG 직접분사식 엔진 개발의 일환으로 연소제어 전략 및 헤드 설계 변경에 따른 연소 특성을 확인하 여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

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Cheolwoong Park․Yunseo Park․Yonggyu Lee․Seungmook Oh․Taeyoung Kim

1) 중부하 운전조건에서는 분사간 점화착화(ISI) 전 략을 적용하더라도 TDC 이전의 급속한 열방출 에 의해 단분사 조건에 비해 오히려 연료소비율 이 증가하거나 비슷한 수준을 보였다.

2) 열방출률의 제어를 위해 점화시기를 지각시키 더라도, 초기 분사된 연료의 점화가 지각되어 열 방출이 감소되고 점화 후에 분사된 나머지 연료 는 연소에 기여하는 비율이 감소하였다.

3) 인젝터의 장착위치가 상승하여 스파크플러그와 의 상대적인 거리가 변경되면 최적 운전조건에 서의 ISI 전략의 첫 번째 분사시기가 크게 진각되 었고, 연료소비율은 비슷하거나 혼합기가 희박 해질수록 악화되었다.

4) 인젝터의 장착위치가 상승하여 스파크플러그와 의 상대적인 거리가 변경되면, 탄화수소의 배출은 감소하지만 질소산화물의 배출은 증가하였다.

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