이종연료 예혼합압축착화 엔진에서 혼합기 성층을 통한 저부하 운전영역 확장

Abstract

이종연료 예혼합압축착화(dual-fuel premixed charge compression ignition, DF-PCCI) 연소는 유망한 신연소기술 중 하나로, 넓은 엔진 운전영역에 있어서 낮은 수준의 질소산화물 및 입자상물질 배출을 보인다. DF-PCCI 연소에서 고옥탄가 연료인 천연가스를 적용하였을 때, 천연가스의 낮은 반응성으로 인해 고부하 운전영역으로의 확장이 가능하다는 이점을 지니고 있으나, 연료 분사량이 적은 저부하 운전영역에서 천연가스의 낮은 반응성은 단점으로 작용하게 된다. 본 연구에서는 DF-PCCI 연소에서 저반응성 연료로 천연가스를 적용할 경우 발생하는 저부하 운전영역에서의 문제점 및 그 원인을 도출하고, 연료-공기 혼합기 형성 측면에서 전략을 수립하여 해당 문제점을 해결함으로써 천연가스-디젤 DF-PCCI 연소에서 저부하 운전영역으로의 확장을 목표로 하였다. 넓은 범위의 디젤 분사시기 및 천연가스 대체율 적용하여 DF-PCCI 연소를 구현하였을 때, 늦은 디젤 분사에서 디젤 분사시기 지각에 따라 연소상(CA50)이 지각된 반면, 이른 디젤 분사에서는 디젤 분사시기 진각에 따라 연소상이 지각되었다. 늦은 디젤 분사 및 이른 디젤 분사에서 각각 높은 열효율을 보이는 디젤 분사시기 및 천연가스 대체율 구간이 존재하였다. 늦은 디젤 분사에서는 분사된 연료의 확산연소로 인해 높은 질소산화물 배출을 보이는 반면, 이른 디젤 분사에서는 디젤 분사시기 진각 및 천연가스 대체율 증가에 따라 낮은 질소산화물 배출을 보였다. 높은 열효율, 연소상 제어 용이, 낮은 질소산화물 및 입자상물질 배출을 보이는 이른 디젤 분사 영역을 바탕으로, 열효율 및 배기배출 특성에 밀접한 영향을 미친 연소상(CA50)을 새로운 실험 매개변수로 선정하여 높은 열효율을 유지하면서 낮은 배기배출 특성을 보이는 최적 운전점을 도출하였다. 최적 운전점 도출 기준으로 첫째는 EURO VI 배기규제보다 낮은 수준의 질소산화물 및 입자상물질 배출, 둘째는 높은 열효율로 설정하였다. DF-PCCI 연소 저부하 운전영역에서 질소산화물 및 입자상물질 배출을 줄이기 위해서 디젤 분사시기를 진각하고, 천연가스 대체율을 증가시켰다. 진각된 디젤 분사 및 높은 천연가스 대체율 증가를 통해, 자발점화가 시작되는 연료-공기 혼합기의 반응성 및 당량비가 감소하였다. 이로 인해 질소산화물 및 입자상물질 배출을 저감 가능하였으나, 낮은 연소 온도는 미연 탄화수소 및 일산화탄소 배출을 증가시켰다. 실험이 진행된 모든 저부하 운전영역에서 EURO VI 배기규제보다 낮은 수치의 질소산화물 및 입자상물질 배출을 기록하였으나, 엔진 운전부하가 감소할수록 열효율이 감소하고, 미연 탄화수소 및 일산화탄소 배출이 증가하는 문제점을 보였다. 이를 통해 낮은 열효율과 미연 탄화수소 및 일산화탄소 배출을 저부하 운전영역 확장의 제한요소로 정의하였다. 낮은 열효율과 높은 미연 탄화수소 및 일산화탄소 배출을 극복하기 위해, 연료-공기 혼합기의 낮은 반응성 및 당량비를 증가시키는 혼합기 성층 전략을 적용하였다. 혼합기 성층 전략의 구현은 상대적으로 지각된 디젤 분사시기 및 낮은 천연가스 대체율을 통해 구현하였고, 이로 인한 질소산화물 배출 증가 및 연소상 진각에 따른 음의 일 증가는 배기가스재순환을 추가로 적용하여 해결하였다. Base 및 혼합기 성층 전략에서 모두 연료-공기 혼합기 형성을 통해 EURO VI 배기규제보다 낮은 수준의 질소산화물 및 입자상물질 배출을 보였다. 혼합기 성층 전략을 적용한 경우, 실험을 진행한 모든 운전부하에서 Base 대비 열효율이 향상되었는데, 운전부하가 낮을수록 열효율 상승폭이 더 높았다(0.30 MPa net IMEP에서 Base 대비 약 6.5%의 열효율 향상). 열효율이 향상된 주요 요인은 연소효율 향상, 최고 열방출율 증가 및 연소 기간 감소이다. 미연 탄화수소 및 일산화탄소 배출 또한 모든 저부하 운전영역에서 혼합기 성층 전략을 통해 감소하였다. 미연 탄화수소 및 일산화탄소 배출 저감 효과 또한 운전부하가 감소할수록 더 높았다(0.30 MPa net IMEP에서 Base 대비 미연 탄화수소 배출이 약 43%, 일산화탄소 배출이 약 50% 저감)