JP-8과 후분사를 이용한 디젤 예혼합 압축 착화 (PCCI) 연소 특성 개선

Abstract

디젤 엔진은 가솔린 엔진 대비 높은 토크와 높은 압축비, 희박 운전으로 인한 우수한 열효율을 가지고 있다. 하지만 다량의 질소산화물 (NOx, nitric oxides)과 입자상물질 (PM, particulate matter)을 배출한다는 단점이 존재하며, 이러한 배기 가스에 대한 규제가 5년을 주기로 엄격해지고 있기 때문에 디젤 엔진의 배기 저감은 반드시 풀어야 할 과제 중 하나이다. 따라서 현재 디젤 엔진의 배기 저감을 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. PCCI (premixed charge compression ignition) 연소는 NOx와 PM의 동시 저감이 가능한 신연소 기술 중 하나이다. PCCI 연소는 이른 분사 시기와 배기가스 재순환 (EGR, exhaust gas recirculation) 의 동시 적용을 통해 구현이 가능하다. PCCI 연소의 경우 연료와 공기가 연소 시작 전 충분히 혼합되기 때문에 국부적으로 연료의 농도가 농후한 영역을 줄일 수 있으며 기존 연소 대비 연소 온도가 낮기 때문에 NOx와 PM의 생성이 억제되는 것으로 알려져 있다. 하지만 낮은 연소 온도, 진각 되어 있는 연소상으로 인한 연료의 벽면 적심 현상 때문에 기존 연소 대비 불완전연소 생성물인 탄화수소 (HC, hydrocarbon), 일산화탄소 (CO, carbon monoxide) 배출량이 높으며 연료소모율이 높다는 단점이 존재한다. 따라서 본 연구에서는 먼저 PCCI 연소의 단점을 해결하기 위해 1단, 2단 후분사를 적용하고 이에 따른 영향을 살펴보았다. 엔진 속도 1200 rpm, 총 분사량 12 mg/cycle 조건에서 이른 주분사 시기, EGR과 함께 1단 후분사, 2단 후분사의 후분사량, 후분사 시기를 변경하면서 연소 압력, 연료 소모율, 배기 가스를 측정하였다. 1단 후분사를 적용함에 따라 음의 일이 줄고 양의 일이 증가하면서 연료 소모율이 낮아지는 결과를 나타내었다. NOx 배출량의 경우 후분사량이 감소할수록, 후분사 시기가 지각될수록 배출량이 점차 낮아져 단일 분사를 적용한 경우와 동등한 수준의 배출량을 나타내었다. HC, CO 배출량의 경우 1단 후분사를 적용함에 따라 후연소에 의해 저감되는 결과를 나타내었으며, 특히 후분사 시기가 압축 상사점에 가까울수록 낮은 배출량을 나타내었다. 2단 후분사 적용 시 1단 후분사 대비, HC와 CO 배출량이 더 큰 폭으로 저감되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 동일한 양의 연료를 2회에 걸쳐 분사함에 따라 실린더 내 공기 이용률이 증가하면서 더 활발한 후연소가 발생하였기 때문이다. 최종적으로 2단 후분사를 PCCI 연소에 적용함에 따라 단일 분사와 동등한 수준의 NOx 배출량을 유지하면서 PM, HC, CO, 연료 소모율 및 연소 소음의 동시 저감이 가능하였다. 또한 PCCI 연소 특성의 추가 개선을 위해 항공유 JP-8 (jet propellant-8) 을 PCCI 연소 및 기존 연소에 적용하고 디젤 연료와의 연소 특성, 배기 특성을 비교하였다. 먼저 두 연료의 분무 특성을 비교하기 위해 정적 연소 챔버를 활용하여 액상 분무 (Mie 산란법), 기상 분무 (Schlieren)의 침투 길이를 측정하였다. 분무 실험 결과, 디젤 연료 대비 JP-8의 우수한 기화 특성 및 낮은 액상 연료 밀도로 인해 기상 분무 길이는 더 길게, 액상 분무 길이는 더 짧게 나타나는 것을 확인하였다. 또한 디젤 연료 대비 낮은 세탄가로 인해 정적 연소 챔버에서의 연소 실험 시, 주위 온도, 압력 조건, 분사 압력에 상관 없이 항상 긴 착화 지연을 보이는 것을 확인하였다. 엔진 운전의 경우 2가지 운전 부하 조건 (저부하, 중부하) 에서 수행되었다. JP-8을 엔진에 적용함에 따라 낮은 세탄가로 인해 2 ~ 3 CAD (crank angle degree) 더 긴 착화 지연을 나타내었다. 저부하 운전 조건에서는 PCCI 연소와 기존 연소 모두 JP-8 적용 시 국부적으로 더 희박한 혼합기 형성에 의해 더 낮은 NOx, PM 배출량을 보였다. 하지만 중부하 운전 조건에서의 기존 연소의 경우 JP-8 적용 시 이론 공연비에 가까운 혼합기가 더 많이 형성됨에 따라 더 높은 NOx 배출량을 보였다. 결론적으로 PCCI 연소에 JP-8을 적용함에 따라 디젤 연료와 동등한 수준의 연료 소모율, 연소 소음을 유지하면서 NOx와 PM 간의 상반관계 개선이 가능하였다