디젤/천연가스 이종연료 압축착화엔진에서 피스톤 형상에 따른 연소 특성

Abstract

이종연료 예혼합압축착화(dual-fuel premixed charge compression ignition, DF-PCCI) 기술은 반응성이 다른 두 가지의 연료를 연소실에 공급하는 기술로 연료 희박 조건에서 저온의 연소가 일어나도록 하여 입자상물질과 질소산화물 배출을 크게 저감한다는 장점이 있다. 그러나 불완전연소가 발생하는 희박 연소의 특성으로 인해 일반 디젤 연소(conventional diesel combustion, CDC)에 비해 연소효율이 악화되어 미연탄화수소(unburned hydrocarbon, UHC)와 일산화탄소 (carbon monoxide, CO)의 배출이 증가하는 단점을 지닌다. 본 연구에서는 저반응성 연료로서 천연가스(Natural Gas)를 사용하고 고반응성 연료로서 디젤(Diesel)을 사용하여 디젤/천연가스 이종연료 예혼합압축착화를 구현하였는데 천연가스는 착화저항성의 지표인 옥탄가가 매우 높으므로 연소 효율 감소가 두드러지게 나타나게 된다. 미연탄화수소 및 일산화탄소 배출 원인은 크게 1)혼합기 소기 현상에 의한 발생, 2)틈새 체적에 의한 발생 3)소염에 의한 발생으로 나뉜다. 현재까지 이종연료 예혼합압축착화 연구 분야에서 기존의 일반 디젤 연소용 피스톤을 사용하는 경우가 대다수를 차지해왔다. 그러나 일반 디젤 연소용 피스톤은 유동 강화나 분무 타겟팅 등을 목적으로 고압의 분사기를 통과한 디젤의 분무가 미립화와 기화를 하는 과정을 돕기 위하여 최적화된 형상을 띈다. 따라서 DF-PCCI의 연소에는 적합하지 않은 측면이 있어 새로운 피스톤 형상을 통해 성능을 올리고 나아가 주요 문제점인 낮은 연소 효율 문제를 해결할 수 있는 가능성이 있다. 본 연구에서는 피스톤의 설계 인자에 관하여 분석하여 DF-PCCI의 연소에 큰 영향을 미칠 피스톤 설계인자를 추려내어 이를 반영한 피스톤 형상을 설계하였다. 연소에 지배적인 영향을 미칠 인자로는 스퀴시 영역의 형상과 연소실 벽면적으로 선정하였다. 이를 반영하여 기존의 Stepped lip 형상의 피스톤에서 스퀴시 길이(squish distance)를 줄이고 연소실 벽면적을 줄인 Mexican hat형상의 피스톤과 Mexican hat 형상에서 스퀴시 높이(squish height)를 높여 피스톤 보울 영역을 확장한 extended Mexican hat 형상의 피스톤을 제작하였다. 피스톤 별로 에너지 공급량을 저부하와 중부하 조건에 맞춰 0.9kJ/cycle, 1.5kJ/cycle로 각각 고정하여 실험을 수행하였다. 이종연료 연소의 중요 지표로서 저반응성 연료인 천연가스의 비율을 나타내는 천연가스 대체율(natural gas substitution rate, NGSR)을 변경해 가며 각 NGSR 별로 최고의 열효율을 보이는 디젤 분사 시기를 구해 데이터를 취득하였다. 실험 결과, 변경된 피스톤에서 착화 지연이 증가하고 연소기간이 감소하는 결과를 보였다. 이 두 효과는 스퀴시 형상 변경으로 스퀴시 유동 자체가 약화되었고 이로 인해 연소 시점에서 유동에 의한 연료와 공기의 확산이 약화되고, 혼합기의 균질도가 약화되기 때문인 것으로 분석할 수 있다. 또한 동일 연소상 조건에서 NOx의 배출이 상승하게 되는데 이는 혼합기의 균질도 약화로 국부적으로 농후한 영역이 생성되기 때문으로 분석된다. 이러한 부정적인 효과도 나타났으나 기존에 기대하였던 긍정적인 영향도 도출하였다. 저, 중부하 조건 모두에서 연소효율이 상승하였으며 연소효율의 상승 폭이 중부하에서 더 컸다. 유동의 약화로 인한 소염현상으로 인한 연소 효율을 저해함에도 변경된 피스톤에서 연소 효율이 증가하였다는 것은 스퀴시의 형상 변경 전략이 유효하였다고 분석된다. 또한 열손실 저감에 의한 열효율 향상은 자명하게 나타나 피스톤 형상 변경 전략이 DF-PCCI의 연소에 주요한 개선인자로 작용할 수 있을 것으로 보인다.