Combustion Optimization of Diesel and Propane Dual Fueled Engine

Abstract

승용 디젤엔진에 대한 배기규제가 갈수록 심화되고 있다. 유럽 배기 규제의 경우, 이전10 년 대비 PM 은 80% 수준, NOx 는 70%수준으로 낮은 기준을 만족시켜야 한다. 또한, 2011 년부터 입자상 물질에 대해 PN 규제도 시작 되었다. 점차 강화되는 배기규제를 만족하기 위해서 저온 연소 및 예혼합 연소를 바탕으로 하는 융합연소 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본 연구에서는 디젤 프로판 융합 연소개선을 위해 운전 변수 최적화 및 피스톤 보울 형상 변화를 바탕으로 주요 운전 4 지점에서 최적화를 진행하였다. 실험은 크게 세 파트로 구성되어있다. 첫 번 째 파트에서는 디젤 분사 시기, 프로판 분율, EGR 율 변화에 따른 효과를 파악했다. 융합 연소 특성 파악을 위해 NOx, PM, PRRmax, 열효율, IMEP CoV 인자들을 사용하였다. 이를 바탕으로 예혼합 융합연소를 통한 주요 운전영역 4 지점 최적화를 진행하였고, 최적화는 CDC 보울 피스톤과 bathtub 보울 피스톤을 사용하여 각각의 결과를 비교하였다. 해당 영역 최적화를 위해서 배기 후처리 장치 없이 Euro-6 배기 규제 수준을 만족시킬 수 있는 NOx, PM 기준을 정했고, 선행 연구 논문을 바탕으로 PRRmax 기준을 선정했다. 두 번째 파트에서는 CDC 보울 피스톤을 이용한 최적화 결과를 분석하였다. 예혼합 융합 연소를 바탕으로 저부하 영역에서 낮은 NOx, PM, PRRmax 수준을 확보할 수 있었지만, PM 과 PRRnax 의 경우 고부하 영역에서 선정 기준을 초과하는 결과를 얻었다. 이에 디젤 분사압을 낮추고, 스플릿 분사전략을 도입하는 등 디젤 분사 전략 변화를 통해 디젤 연료의 피스톤 충돌을 피하고 연소실 전 영역에 반응성 성층화를 형성함으로써 해당 PM, PRRmax 기준을 만족시킬 수 있었다. 세 번째 파트에서는 동일한 최적화 실험을 Bathtub 형상 피스톤을 이용한 진행하였다. Bathtub 형상 피스톤을 사용 시 전 영역에서 앞선 배기 및 PRRmax 규제를 만족시킬 수 있었고, CDC 형상 피스톤 대비 낮은 PM 및 PRRmax 수준이 나타남을 확인할 수 있었다. 피스톤 형상 효과를 확인하기 위해 모든 운전 변수가 동일한 조건에서 피스톤만 변경한 상태로 실험을 진행하였고, bathtub 형상 피스톤에서 PM 및 PRRmax 저감이 확연하게 나타났다. 이는 디젤 연료를 조기분사할 경우 연료가 라이너 부근에 도달하게 되는데, 피스톤 중심부를 향하는 각이 진 형태보다 완만한 형태의 보울 형상에서 연료가 더 완만하게 분포되어 국부적으로 농후한 영역 생성이 줄어들고, 연료 자발화가 연료 구배에 따른 연속적인 방향으로 진행되어 낮은 PM 및 PRRmax 수준을 확보가 가능했을 것이라 판단된다.