직접분사식 디젤 엔진에서 저온 연소를 통한 Soot 및 $NO_x$ 저감

Abstract

저온디젤연소 시스템은 연소 온도를 Soot과 $NO_x$ 가 생성되는 한계치 이하로 떨어뜨려 유해 배기가스를 제거하는 방법으로, 연소상의 제어법에 따라 크게 두가지로 구분된다. 그 첫째는 연료를 조기 분사해 연소상이 화학반응에 지배되도록 하는 것이며, 다른 하나는 분사 시기에 따라 연소상이 달라지게 하는 것이다. 전자의 경우, 연료와 공기는 완전히 예혼합되므로 착화시 혼합기는 공간적으로 균일하며 당량비 1이하의 희박 상태가 된다. 이와 같이 연소 온도를 떨어뜨리는 방법을 균일예혼합압축착화연소라 통칭하고 있다. 반면 후자의 경우 저온디젤연소라 통칭되며 이는 흡기 희석을 통해 연소 온도를 떨어뜨리는 방법이다. 이 때 분사시기와 착화 사이의 기간은 완전한 예혼합을 이룰 수 없게 할 만큼 짧고, 때문에 일부 혼합기는 당량비 1 이상 농후한 상태로 남아 있게 된다. 따라서 열방출의 대부분이 착화 이후의 연료-공기 혼합과정에 의해 지배된다. 본 연구에서는 균일예혼합압축착화연소를 단기통 가시화 엔진에서 구현하였다. 먼저 다양한 분사각과 노즐 직경을 갖는 분사기를 시험해 분무도달거리를 분석하였는데, 이는 조기 분사시 연소실의 저밀도 조건에 따른 분무벽면충돌현상을 해결하기 위함이었다. 화염 사진과 배기가스 계측을 통해 균일예혼합압축착화연소의 성공적 구현을 위해서는 연료 분사시기가 흡입행정 인근까지 진각되어야 함을 보였다. 추가로, 주 연료를 조기 분사하고 소량의 연료를 상사점 인근에 분사하는 이단분사법의 적용으로 균일예혼합기의 형성 및 착화 촉진이라는 두가지 난제를 동시에 해결함으로써, 엔진 실용화의 가능성을 보였다. 흡기 희석을 통한 저온디젤연소 역시 연구되었는데, 흡기 희석은 열용량이 큰 희석가스에 의해 산화제 농도가 줄어들어 화염 온도가 떨어지고 이를 통해 Soot과 $NO_x$ 가 동시 저감될 수 있는 가능성을 가졌다. 엔진 운전 조건에 따라 단열화염온도가 계산되었으며 같은 조건에서 $NO_x$ 와 Soot 휘도를 계측하였다. CO 배출은 농후한 혼합기로부터 생성됨이 예측되었으며, 이는 곧 스월 유동등을 통한 유동 구조의 변화가 지배적인 인자로 작용하는 것임을 밝혔다. 열방출율 분석을 통해, 흡기 희석에 따라 착화지연시기는 증가하고 산화제 농도는 떨어지는 상충관계에 따라 착화시 당량비는 큰 변화가 없음을 밝혀, 저온디젤연소 시스템에서의 연소 중 연료-공기 혼합 과정의 중요성을 강조하였다. 열효율 분석을 통해 엔진 실용화 관점에서 최적의 분사 시기와 희석율 조건도 제시하였다. 최종적으로 당량비-온도 평면상에서 Soot과 $NO_x$ 생성 영역을 표기하고 이에 저온 연소법의 연소 경로를 개념적으로 제시하였다. 제시된 연소 경로는 디젤 엔진에서 CO와 같은 미연 가스 배출이 적으면서도 Soot과 NOx 배출 동시 저감 될 수 있는 가능성을 보여주었다.