대형 디젤 엔진에서 분사기형상이 HCCI 연소 및 배기 배출물에 미치는 영향

Abstract

디젤 엔진은 고압축비를 통해 높은 열효율을 얻을 수 있으나 이론 공연비 영역에서는 높은 연소 온도로 인한 질소 산화물이, 농후 영역에서는 입자상 물질이 발생하는 문제점이 있다. 이러한 불균질(Heterogeneous) 연소에 따른 문제점을 해결하고자 예혼합 압축착화(HCCI : homogeneous charge compression ignition) 연소 기술이 도입되었다. 예혼합 압축착화 연소 기술은 조기에 연료를 분사해 균질한 예혼합기를 형성하고, 실린더 압축을 통해 착화시킴으로써 연료가 농후하게 분포하는 영역을 만들지 않아 입자상 물질이 발생하지 않고, 연소실 전체에서 다점점화 함으로 인해 연소 온도가 낮게 되어 질소산화물이 발생하지 않는 장점을 갖고 있다. 하지만 예혼합기를 형성하기 위해 이른 분사를 할 경우, 낮은 실린더 압력, 온도 그리고 낮은 수준의 공기 밀도로 인하여 분무 도달 거리가 길어지게 되고 결과적으로 탄화수소(HC : hydrocarbon)와 일산화탄소(CO : carbon monoxide)의 배출이 기존 디젤 엔진 운전에 비해 늘어나게 된다. 본 연구에서는 이러한 조기 연료 분사 시 연료의 벽면 충돌로 인한 HC와 CO의 배출을 줄이기 위해 분사기의 분사각과 분사공의 직경 및 분공수를 변경하였다. 기존의 큰 분사각(146 deg)을 갖는 분사기에 비해 협각(70 deg) 분사기를 사용한 경우 이른 분사에서 연료가 피스톤 보울 안으로 들어가는 양이 많아지므로 연소 효율이 상승하고, HC와 CO의 양이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 또한 같은 유량 기준 더 많은 홀수를 가진 분사기, 즉 분공의 직경이 작은 분사기를 이용하였을 경우 연료 미립화 촉진에 의하여 더 높은 연소 효율과 더욱 낮은 수준의 HC, CO 배출을 달성할 수 있었다. 연소상 제어를 통한 출력 증대를 목적으로 45% 이상의 EGR을 적용한 경우 기존 디젤 분사 시기에서 나타나는 IMEP의 80% 수준까지 출력 확장을 달성하였으며 같은 조건 영역에서 과급을 동시 적용하였을 경우 더 높은 출력 수준으로까지 확장이 가능함을 확인하였다.