DME - LPG 예혼합 압축 착화 엔진에서 LPG의 조성에 따른 연소특성

Abstract

본 논문에서는 디메틸에테르(DME)-액화석유가스(LPG) 혼소 예혼합압축착화(HCCI) 엔진에서 LPG의 조성이 연소에 끼치는 영향에 대해 연구하였다. LPG의 주 성분인 프로판과 부탄은 옥탄가, 자발화온도, 잠열과 같은 물성치가 다르기 때문에 LPG의 프로판/부탄 조성은 HCCI 엔진의 연소를 제어하는 하나의 변수가 될 수 있다 DME는 실린더 내부에 직접 분사되었으며 분사시기는 압축행정 초반인 160 크랭크각(CAD)에서 상사점(TDC) 근처인 350 CAD까지 변화되었다. LPG는 공기와의 충분한 예혼합을 위하여 흡기 포트에서 15cm 떨어진 곳에서 흡기 행정 초반인 20 CAD에 분사되었다. 실험 결과 LPG에서 프로판 비율이 높아 질수록 엔진의 출력을 나타내는 지표인 도시평균유효압력(IMEP; Indicated Mean Effective Pressure)가 증가하였다. 이는 프로판의 뛰어난 자발화 억제 성능으로 인하여 DME의 점화시기가 지각됨에 따라 연소과정에서 팽창일이 증가하였기 때문이다. 그러나 프로판 비율이 증가할수록 연소효율은 감소하는데 이는 프로판이 DME의 저온연소반응을 억제함으로써 전체 산화반응의 열방출량을 감소시키기 때문이다. 배기배출물의 경우 프로판 비율이 증가함에 따라 일산화탄소(CO)의 배출은 감소하고 질소산화물(NOx)의 배출은 증가하였다. LPG의 프로판 비율이 높아질수록 점화시기가 지각됨에 따라 압력상승률이 증가하는데 이로 인해 실린더 내부의 압력과 온도가 상승하게 된다. 연소 온도가 상승함에 따라 CO는 이산화탄소로(CO2) 산화되어 그 배출량이 감소하고 NOx의 경우 생성반응이 활성화됨에 따라 그 배출량이 증가하게된다. 그러나 연소온도의 상승에도 불구하고 LPG의 프로판 비율이 높아질수록 탄화수소(HC) 배출은 오히려 증가하는데 이는 연쇄사슬 종결반응 때문인 것으로 생각된다. LPG가 DME의 저온산화반응에서 생성되는 라디컬들을 소모함으로써 DME의 점화시기를 지각시키는데, 이 과정에서 발생한 중간 생성물 들중 일부는 완전히 산화되지 못한 채 HC의 형태로 배출되게 된다. 프로판의 자발화 억제 성능이 부탄보다 뛰어나기 때문에 동일한 량의 LPG를 분사하였을 경우 프로판 비율이 높아질수록 라디컬의 소모 정도도 커지고 따라서 탄화수소의 배출량도 증가하게 된다. 모든 실험결과를 종합하여 볼 때, 순수 프로판이 DME-LPG 혼소 HCCI 엔진에 가장 적합한 연료 조성으로 생각된다. 이는 순수 프로판을 사용한 경우, CO의 배출량이 최소가 되고 DME-LPG 혼소의 주 목적인 HCCI 연소의 운전영역 확장 정도가 가장 컸기 때문이다. 그러나 NOx와 HC 배출 특성이 우수하지 못하다는 단점이 존재한다