액상 분사식 액화석유가스 엔진의 배기가스재순환 적용 연구

Abstract

배기가스재순환(EGR; Exhaust gas recirculation 이하 EGR)은 희박연소와 마찬가지로 연료소모율과 배출가스 성능을 향상시키기 위하여 희석제를 이용하여 연소를 제어하는 것이다. 그러나 희석률이 너무 크면 연소불안정성이 야기되어 과도한 사이클변동이 발생하게 되고 따라서 엔진출력과 배출가스 성능이 모두 악화된다. 본 연구에서는 다양한 EGR율과 엔진운전조건 및 LPG 조성에 대하여 단기통 액상분사식 액화석유가스(LPG; Liquefied petroleum gas 이하 LPG) 엔진의 출력과 배출가스 성능에 미치는 EGR 효과를 주로 연구하였다. 이러한 결과로부터 단단계 반응율에 기초한 연료연소율을 사용하여 EGR의 세 가지 효과인 희석효과, 열 및 화학적 효과에 대한 열역학적 사이클 해석을 시도하였다. 기존의 EGR 연소의 특성을 살펴보면, 엔진에 EGR율을 증가시키면 질소산화물은 배출이 감소하지만 탄화수소 배출은 증가한다. 한편, EGR 유입에 의한 펌핑손실의 감소는 연료소모율을 낮추고 배출가스 온도도 떨어뜨린다. 이러한 현상은 LPG 연료의 조성에 따라 영향을 받는 것으로 나타났다. 고농도의 희석조건에서 혼합기와 희석제의 적절한 성층화는 연소안정성 향상을 가져온다. 엔진 실린더 내에서 EGR 성층화를 연구하기 위하여 EGR 유로에 고응답 솔레노이드 밸브를 장착하고 밸브 작동시기와 기간을 제어하였다. 기존의 균일한 방식(EGR#4)과 성층화 방식(EGR#1)을 모두 사용하여 엔진에 EGR을 공급하면서 연소압력과 배출가스를 측정하였다. EGR 30%를 공급하였을 때, 성층화된 EGR을 적용한 경우는 균일한 경우에 비하여 최고 열발생율이 10% 더 큰 값을 보였다. 그리고 희박한 혼합기에 EGR을 사용한 경우 성층화된 경우만이 연료소모율이 향상되었다. EGR율에 따라 질소산화물이 감소하였으나, 성층화 EGR의 경우 탄화수소 배출량이 덜 증가하였다. 화염 가시화를 통하여 희석제가 화염전파에 미치는 영향을 조사하였다. 고속디지털카메라를 사용하여 단기통 가시화 엔진에서 피스톤창과 광증폭기를 거쳐 연속 화염화상을 취득하였다. 화염전파 형상을 관찰한 결과 성층화된 EGR의 경우 균일한 것에 비하여 화염속도가 덜 감소하였다. 평면레이저유도형광법을 사용하여 실린더 혼합기의 성층화를 조사하였다. 실린더 내 EGR 분포를 얻기 위하여 아세톤을 EGR에 첨가하였다. 엔진에 공급된 EGR이 성층화과정을 통하여 실린더 하층부에 분포하였고, 이것이 연소기간을 줄이는 원인이 된다.