디젤 분사기 분공 특성에 따른 배기 특성과 원인 규명

Abstract

세계적으로 환경 문제가 대두되며 배기 배출물 및 온실가스 감축에 대한 요구가 점차 증가하고 있다. 디젤 엔진은 압축착화방식으로 연료를 연소시키기 때문에 상대적으로 연료 농후 영역에서의 연소가 주를 이루게 되고, 이 과정에서 국부적으로 고온의 농후한 영역에서 입자상 물질 (PM)이, 국부적으로 고온의 이론 공연비 영역에서 질소산화물 (NOx)이 다량 발생하는 단점을 갖는다. 디젤 엔진 분사기의 분공 특성은 공기-연료 혼합기 형성에 직접적인 영향을 주므로, 분공 특성 개선을 통해 연소 및 배기 특성을 향상시킬 수 있다. 따라서 본 연구에서는 저부하 운전 조건 (IMEP 5.35bar/1500rpm, IMEP 7.35 bar/1700rpm)에서 디젤 엔진의 배기 배출물을 저감하기 위한 방안들 중 분공 특성 (분공 직경 및 분공수)이 배기 특성에 미치는 영향을 파악하고 그 원인을 규명하여, 배기 규제 만족을 위한 미래 디젤 분사기 선정에 있어 과학적 근거를 제시하고자 한다. 분사기 다공화의 관점에서 분공 직경 감소는 분무 미립화 개선, 분공수 증가는 연료 공급 속도 확보 및 연료 분포 영역 확장을 실현하여 배기 특성을 개선할 수 있다. 그러나 분공 직경 감소에 의해 분무 도달 거리가 짧아져 공기 이용률이 감소할 수 있고, 일정 수준 이상의 분공수 증가에 의해 분무 간 간섭이 발생하여 배기 특성이 악화될 수 있다. 따라서 본 학위 논문은 소형 디젤엔진에서 분공 특성의 영향 확인을 위해 분공 직경 (117$\mu$m, 110$\mu$m)과 분공수 (8공, 10공, 12공)가 서로 다른 분사기 5개를 비교하였다. 엔진 실험 결과, 분공 직경 감소(117$\mu$m→110$\mu$m)에 따라 분무미립화가 개선되어 배기 특성이 향상되는 결과를 보였다. 다음으로 분공수 변화의 영향을 확인한 결과, 분공 직경 117$\mu$m인 분사기의 경우 분공수 증가에 따라 배기 특성이 향상되는 결과를 보인 반면, 분공 직경 110$\mu$m에서는 분공수 증가에 따라 오히려 배기 특성이 악화되는 서로 상반된 결과를 보였다. 이러한 결과의 원인을 분공수 증가에 따른 분무 간 간섭 증가로 예상하였고, 이를 규명하기 위해 정적 연소 챔버 (CVCC) 화염 가시화 실험을 진행하였다. 분공 특성의 영향을 화염 생성 초기 착화 과정의 분무 간 간섭과 벽면 (연소실 내벽)에 의한 화염 중첩으로 나누어 분석하였다. 먼저 화염 생성 초기 착화 과정의 분무 간 간섭을 확인하기 위해 OH radical 발생 위치 측정을 통해 lift-off length를 비교하였다. 실험 결과, 분공 직경이 감소함에 따라 분무 미립화가 개선되어 lift-off length가 감소하였다. 다음으로 분공수 변화의 영향을 확인한 결과, 분공 직경 117$\mu$m와 110$\mu$m에서 모두 분공수 증가에 따라 분사 속도가 감소하여 lift-off length가 감소하고 화염 발생 이전 공기와의 혼합이 감소하는 결과를 보였다. 다음으로 벽면에 의한 휘염 발생량 비교를 통해 화염 중첩을 확인한 결과, 엔진 실험의 배기 결과와 일치하는, 분공 직경에 따라 상반된 결과를 보였다. 따라서 분공수 증가에 따라 분공 당 분사되는 연료량 감소 및 연료 분포 확장의 긍정적인 영향과, 화염 발생 이전 공기 유입량 감소에 따른 분무 미립화 악화 및 분공 간격 감소에 따른 화염 중첩 증가의 부정적 영향이 공존하는 것을 확인하였다. 본 학위 논문에서 저부하 운전 조건의 엔진 실험을 통해 분공 직경과 분공수의 영향에 대해 파악하였고, 화염 가시화 실험을 통해 과학적 근거를 제시하였다.