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1 Transactions of KSAE, Vol. 19, No. 3, pp (2011) Copyright C 2011 KSAE /2011/ CNG/Diesel Dual-fuel 엔진의 CNG 혼합율에따른엔진성능및배출가스특성에관한연구 최건호 1) 임옥택 *2) 울산대학교대학원기계자동차공학과 1) 울산대학교기계자동차공학부 2) The Engine Performance and Emission Characteristics of CNG/Diesel Dual-fuel Engine by CNG Mixing Ratio Gunho Choi 1) Ocktaeck Lim *2) 1) Graduate School of Mechanical and Automotive Engineering, Ulsan University, Ulsan , Korea 2) Department of Mechanical and Automotive Engineering, Ulsan University, Ulsan , Korea (Received 15 March 2010 / Accepted 8 November 2010) Abstract : A CNG/diesel dual-fuel engine uses CNG as the main fuel and injects a small amount of diesel as an ignition priming. This study proposed the modification of the existing diesel engine into a dual-fuel engine that injects diesel with a high pressure by common rail direct injection (CRDI) and by injecting CNG at the intake port for premixing. And experiment was progressed for understanding about effect of CNG mixing ratio. The CNG/diesel dual-fuel engine showed equally satisfactory coordinate torque and power regardless of CNG mixing ratio. The PM emission was low at any CNG mixing ratio because of very small diesel pilot injection. In case of NOx and HC, high CNG mixing ratio showed low NOx and HC emissions at low speed. At medium & high speed, low CNG mixing ratio showed low NOx and HC emissions. Therefore, it would be optimized by controlling CNG mixing ratio. Key words : CNG( 압축천연가스 ), Diesel( 경유 ), Dual-fuel engine( 혼소엔진 ), Engine performance( 엔진성능 ), Emission( 배출가스 ), CNG mixing ratio(cng 혼합율 ) Nomenclature 1) CNG : Compressed Natural Gas CRDI : Common Rail Direct Injection PM : Particle Matter RPM : Revolution per Minute LFOR : Lean Flame-Out Region 1. 서론최근전세계적으로지구온난화및환경오염그리고, 화석연료고갈의문제가심각하게대두되고 * Corresponding author, otlim@ulsan.ac.kr 있다. 이에따라각국에서는많은온실가스를배출하는자동차에대한배기규제가강화되고있으며청정대체연료에대한연구가활발하게진행되고있다. 천연가스는청정대체연료로써세계여러지역에산재하여안정적수급이가능하므로석유부족에따른대체에너지로서크게각광받고있다. 기존디젤엔진에천연가스를적용하는방법은 Dedicated( 전소 ) 방식과 Dual-fuel 방식이있다. Dedicated 방식은흡기관에가스믹서를장착하여공기와예혼합시킨후스파크점화를통하여착화시키는엔진이다. 예혼합연소에의한 PM의저감이라는장점을가지고있지만, 압축비저하에따른출 38

CNG/Diesel Dual-fuel 엔진의 CNG 혼합율에 따른 엔진성능 및 배출가스 특성에 관한 연구 력 및 열효율감소와 개조비용의 증가라는 단점을 가지고 있다. Dual-fuel 방식은 기존 디젤엔진의 하드웨어를 그 대로 사용하면서, 흡기포트 상류에 가스 인젝터를 장착하여 예혼합기를 형성한다.

2 CNG/Diesel Dual-fuel 엔진의 CNG 혼합율에 따른 엔진성능 및 배출가스 특성에 관한 연구 력 및 열효율감소와 개조비용의 증가라는 단점을 가지고 있다. Dual-fuel 방식은 기존 디젤엔진의 하드웨어를 그 대로 사용하면서, 흡기포트 상류에 가스 인젝터를 장착하여 예혼합기를 형성한다. 압축착화가 불가능 한 천연가스의 착화를 위하여 소량의 디젤 파일럿 분사를 통한 디젤분무화염을 이용한다.1,2) CNG/Diesel Dual-fuel 엔진은 공기와 연료가 예혼 합되어 실린더 내에 흡입되고 디젤 파일럿분사에 의해 압축착화하기 때문에, 오토사이클과 디젤사이 클의 특징을 동시에 가진다. 이러한 Dual-fuel엔진의 Fig. 1 Schematic diagram of experimental equipment 장점은 크게 두 가지로 요약할 수 있다. 1) 디젤 분사에 의해 착화가 시작되기 때문에 착 화시기의 제어가 용이하다. 2) 기존 디젤엔진에 대한 개조비용 및 개조 시간 이 적게 든다.3) Dual-fuel 엔진에 대한 기존의 연구는 대부분 기 계식 또는 EUI 방식의 연료분사장치를 사용하여 디 젤을 공급하고, 가스믹서 또는 가스인젝터를 사용 하여 CNG를 공급하였다. 이를 통해 CNG 혼합율을 높이고 Smoke등을 저감할 수 있었지만 연료의 정밀 한 제어나 출력, 배출가스 등에 대한 최적화는 이루 어지지 않았다. 1,4,5) 최근 디젤차량의 경우 대부분 CRDI 방식의 연료 분사시스템을 사용하고 있으며, 이는 다른 시스템보 다 연료의 분사량, 압력, 시기의 제어가 매우 용이하다. 따라서 본 연구에서는 최근에 적용되고 있는 CRDI를 사용하는 중형 디젤엔진을 대상으로, CRDI 를 이용한 소량의 디젤 파일럿 분사를 착화에 사용 하고, 흡기 매니폴드에 CNG를 분사하여 주 연료로 사용하는 CNG/Diesel Dual-fuel엔진으로 개조하였 다. 그리고 CNG 비율의 변화에 따른 엔진성능 및 배 출가스 특성에 대하여 파악하였다. Fig. 2 Picture of experimental equipment 석계(MEXA-7100) 등으로 구성된다. 측정값은 엔진 회전속도(rpm), 토크 및 출력, 연료소모량, 흡입공기 량, 공연비, 온도(냉각수, 윤활유, 연료, 흡기, 배기 등), 압력(커먼레일, 흡기, 부스트, 배기 등), 배기가 스 농도는 배기가스 분석계를 이용하여 측정하였 고, PM 은 광투과식 스모크미터(OPA-101)를 이용하 여 농도를 측정하였다. 배기가스 농도를 분석하기 위하여 샘플링 프로브를 배기관에 설치하였다. 실험대상엔진은 CRDI 연료분사시스템을 사용하 는 4기통 2.5ℓ급의 직접분사 Diesel 엔진이다. Diesel 모드 및 CNG/Diesel Dual-fuel모드 실험을 2. 실험장치 및 방법 수행하기 위하여 주 연료인 CNG를 흡기 매니폴더 에 분사할 수 있도록 개조하였다. 2.1 실험장치 본 연구에서 사용한 CNG/Diesel Dual-fuel 엔진의 실험장치 개략도를 Fig. 1, 2에 나타내었다. Table 1은 기존 디젤엔진과 개조한 CNG/Diesel Dual-fuel엔진의 제원을 나타낸 것이다. 실험장치는 엔진 다이나모(DYTEK-3000K) 및 컨 본 연구에서는 기존의 Diesel연료 사용시에는 트롤러, Diesel 및 CNG 연료공급장치, 배기가스 분 Diesel을 Diesel 탱크로부터 Common Rail로 공급 하 Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 19, No. 3,

Gunho Choi Ocktaeck Lim Table 1 Specifications of the test engine Engine Basic diesel engine CNG/diesel Dual-fuel engine Type In-line 4 Valve type DOHC 4 Aspiration TCI Displacement volume [cc] 2497

3 Gunho Choi Ocktaeck Lim Table 1 Specifications of the test engine Engine Basic diesel engine CNG/diesel Dual-fuel engine Type In-line 4 Valve type DOHC 4 Aspiration TCI Displacement volume [cc] 2497 Bore Stroke [mm] Compression ratio 17.6 Max. torque [kg m] Max. power [PS] Fuel supply system 40.1/2000rpm 174/3800rpm CRDI CNG MPI diesel CRDI Fig. 3 Schematic diagram of experimental eauipment 여인젝터에의해실린더내에분사되는기존의시스템을사용하였다. 그리고 CNG/Diesel Dual-fuel 사용시에는기존의 CRDI 연료공급시스템을그대로적용하여소량의 Diesel을착화연료로사용하면서, 별도의 CNG 연료공급시스템을장착하여 CNG를공급할수있도록시스템을설계하였다. 주연료인 CNG 를실린더내에공급하기위하여 CNG 연료탱크, 탱크압력레귤레이터, 솔레노이드방식의긴급차단밸브를설치하였다. 그리고가스인젝터를각실린더별로 1개씩장착하여흡기매니폴드상으로분사하여예혼합하는 MPI방식을사용하였다. CNG 공급압력은 CNG 연료탱크로부터두개의감압용레귤레이터를사용하여분사시 8bar로일정하게유지시켰다. 솔레노이드방식의긴급차단밸브를설치하여비상시또는엔진정지시에 CNG의공급을차단하도록하였다. Fig. 3은엔진제어시스템을도시하고있다. 엔진의제어는기존디젤엔진의 ECU를사용하는동시에 Dual-fuel ECU를추가로설치하여, Diesel모드및 Dual-fuel 모드를모두사용할수있도록하였다. 즉, 순수 Diesel 만사용할경우에는기존디젤엔진의 ECU 를사용하고, CNG/Diesel Dual-fuel 사용시에는 Dual-fuel ECU를통해엔진을제어하였다. Dual-fuel ECU는기존엔진에장착된일부센서 (CKPS, CMPS, APS, Rail Pressure 등 ) 의출력데이터를공유함으로써, Diesel 및 CNG의분사량및분사시기제어가가능하도록하였다. 2.2 실험방법 CNG/Diesel Dual-fuel모드실험에앞서 Diesel 전소모드에서의토크및출력, 연료분사시간, 연료분사시기, 연료소비량등을확인하는실험을선행하여 Diesel 베이스엔진의출력특성및운전특성을확인하였다. 이항목들은 Dual-fuel모드에서 Diesel분사시기, Diesel 분사량등의기초데이터로활용하였다. Dual-fuel모드의 CNG 및 Diesel의분사량그리고분사시기는 Knocking 및 Misfire가일어나지않는운전상태에서최대의출력이나오도록분사량및분사시기를최적화하였다. CNG는분사압력을 8bar, 분사시기를 BTDC 80 로고정하여예혼합을도모하고자하였다. Knocking은엔진에장착되어있는 Knock 센서의신호와이상소음으로판단하였다. 그리고 THC 가 6000ppm 이상배출될경우를 Misfire 로정의하였다. 기존의 Diesel 엔진과 CNG/Diesel Dual-fuel 엔진의기관성능및배출가스특성을비교하기위하여 Diesel 모드와 Dual-fuel 모드실험시, 모두엔진회전속도를 1000 ~ 3500rpm까지 500rpm간격으로설정하여전부하영역에대하여실험을수행하였다. 또한각조건에서 CNG 에의한디젤저감율은 Diesel 모드와 CNG/Diesel Dual-fuel 모드의출력에대비하여식 (1) 에의해계산하였다. 40 한국자동차공학회논문집제 19 권제 3 호, 2011

4 The Engine Performance and Emission Characteristics of CNG/Diesel Dual-fuel Engine by CNG Mixing Ratio 3. 실험결과및고찰 3.1 엔진성능특성 Fig. 4와 Fig. 5는 Diesel 모드와 CNG/Diesel Dual-fuel모드의토크및출력을나타낸것이다. Dual-fuel 모드에서의성능은기존 Diesel 엔진의성능을충족하도록하여동등한수준을만족하도록 Diesel 및 CNG의분사량과분사시기를조절하였다. 그결과, Diesel모드실험시최대토크 289 N m/ 2500rpm, 최대출력 128PS/3500rpm으로나타났으며, CNG/Diesel Dual-fuel모드실험시최대토크 295 N m/2500rpm, 최대출력 132 PS/3500rpm 으로나타났다. 또한 CNG 혼합율이높을수록토크및출력이조금더높게나타났다. 따라서 Dual-fuel 시스템을적용한본엔진은기존 Diesel 엔진대비, 편차 5% 이내의출력특성을가지도록하였으며, 디젤엔진과동등한수준의엔진성능을만족시킬수있도록하였다. Fig. 6은 Diesel 모드에대비한 Dual-fuel 모드의 Diesel 저감율을나타낸것이다. Diesel 저감율은선 Fig. 6 Comprison of diesel reduction with different CNG 행된 Diesel 모드실험의 Diesel 소비량결과와 CNG/Diesel Dual-fuel 실험에서의 Diesel 소비량을출력에대비하여계산하였다. 그결과, Dual-fuel 모드의전엔진운전영역에대하여최대 90% 의 Diesel 저감율을확보할수있었다. 하지만 CNG 혼합율에따른 Diesel 저감율은크게영향을받지않는것으로나타났다. Fig. 4 Comparison of torque with different CNG Fig. 5 Comparison of power with different CNG 3.2 배출가스특성 Fig. 7은 Diesel 모드와 Dual-fuel 모드의 NOx 배출가스특성을나타낸것이다. Diesel 모드실험시 NOx 배출농도는전운전영역에대하여 600ppm 이하로나타났다. Dual-fuel 모드실험시 CNG 혼합율이 90% 인경우저속영역에서 CNG 예혼합기로인해체적효율이감소하여 NOx가적게배출되지만, 고속영역으로갈수록실린더내의온도가상승하여 NOx 배출량이증가된것으로판단된다. 그러나저속영역에서 CNG 혼합율이낮을경우증가된디젤분사량과균질한 CNG 예혼합기의연소로인해많은양의 NOx가배출되었으며, 고속영역으로갈수록 CNG와공기의혼합시간이감소하여 NOx가적게배출된것으로판단된다. Fig. 8은 Diesel 모드와 Dual-fuel 모드의 THC 배출가스특성을나타낸것이다. Diesel 모드실험시 Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 19, No. 3,

5 최건호 임옥택 Fig. 7 Comparison of NOx emission with different CNG Fig. 9 Comparison of CO 2 emission with different CNG Fig. 8 Comparison of THC emission with different CNG Fig. 10 Comparison of PM emission with different CNG THC 배출농도는전운전영역에서 500ppm 이하로나타났다. Dual-fuel 모드실험시 Diesel 모드에비해많은양의 THC가배출된것으로나타났다. 이는 CNG 예혼합기로인해실린더내부영역이희박하게형성되는데, CNG의화염전파속도가느리기때문에 LFOR(Lean Flame-Out Region) 이형성되어이와같은결과가나타난것으로판단된다. 6) 그리고저속에서중속으로엔진회전속도가증가함에따라 CNG와공기의혼합시간이감소하여 THC가증가하지만 3000rpm이상이되면연소온도가증가하여 THC가감소하는경향을나타내었다. 또한 CNG 혼합율이증가함에따라 THC도증가하는데이는 LFOR의증가에기인한현상으로판단된다. Fig. 9는 Diesel 모드와 Dual-fuel 모드의 CO 2 배출가스특성을나타낸것이다. 두모드에서 rpm에따른배출농도변화는거의없었으며, Diesel 모드 실험시 CO 2 배출농도가더높게나타났다. 이는 Diesel보다 CNG의탄소함량이적기때문으로판단된다. 전운전영역에대하여 Diesel 모드에비해 Dual-fuel 모드에서약 30% 의 CO 2 가저감되었다. Fig. 10은 Diesel 모드와 Dual-fuel 모드의 PM 배출가스특성을나타낸것이다. Dual-fuel 모드의 PM 배출농도가 Diesel 모드에비해현저히낮게나타났다. 이는 Dual-fuel 모드에서 Diesel을착화제로만사용하기때문에분사량이감소하고, CNG 예혼합기의연소때문에연소실내에국부적인고온 / 농후영역이형성되지않았기때문으로생각한다. 전운전영역에서 Dual-fuel 모드는 Diesel 모드에비해약 93% 의 PM 농도가저감되었다. 4. 결론기존의디젤엔진을 CNG 예혼합이가능한 Dual- 42 한국자동차공학회논문집제 19 권제 3 호, 2011

6 CNG/Diesel Dual-fuel 엔진의 CNG 혼합율에따른엔진성능및배출가스특성에관한연구 fuel 엔진으로개조하고, Diesel 및 CNG/Diesel Dualfuel 모드에서 CNG 혼합율에따른엔진성능및배출가스특성에대하여실험한결과다음과같은결과를얻었다. 1) CNG/Diesel Dual-fuel 엔진의 CNG 공급량을조절하여기존 Diesel 엔진과동등한수준의토크및출력성능을만족시킬수있었다. 이와동시에 Dual-fuel 모드의전엔진운전영역에대하여 Diesel 모드대비평균 90% 이상의 Diesel 절감율을확보할수있었다. 2) Dual-fuel 엔진의 PM 배출농도는 Diesel 분사량의감소와균질한 CNG 예혼합기때문에연소실내에국부적인고온 / 농후영역이형성되지않음으로써, Diesel 전소모드보다현저히낮은배출농도를나타내었다. 3) Dual-fuel 엔진의 NOx 배출농도는 CNG 혼합율과엔진회전속도에따라많은변화가나타나기때문에, 각조건에따른 EGR 비율을적용하여 NOx를저감시킬수있을것으로판단된다. 후기이논문은 2011년울산대학교연구비에의하여연구되었습니다. 지원에감사드립니다. References 1) J. H. Lee, Y. D. Pyo, O. S. Kwon, Y. G. Lee, P. C. Na, J. I. Ryu and Y. J. Lee, Performance and Emission Characteristics of a Diesel Pilot Compression Ignition CNG Engine, KSAE 06-S0300, ) S. S. Yoon, S. J. Heo and Y. H. Roh, Characteristics of Dual Fuel System for Diesel Engine and Vehicle Driving, KSAE 08-S0076, ) J. Shen, J. Qin and M. Yao, Turbocharged Diesel/CNG Dual-fuel Engines with Intercooler: Combustion, Emissions and Performance, SAE , ) J. McKinley Addy, A. Bining, P. Norton, E. Peterson, K. Campbell and O. Bevillaqua, Demonstration of Caterpillar C10 Dual Fuel Natural Gas Engines in Commuter Buses, SAE , ) W. P. Johnson, N. J. Beck, O. Lovkov, V. K. Koshkin, I. S. Piatov and A. van der Lee, All Electronic Dual Fuel Injection System for the Belarus D-144 Diesel Engine, SAE , ) W. A. Majewski and M. K. Khair, Diesel Emissions and Their Control, SAE, pp , Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 19, No. 3,

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ePapyrus PDF Document Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society(2013. 4), Vol. 24, No. 2, pp. 136~141 DOI: http://dx.doi.org/10.7316/khnes.2013.24.2.136 흡기관 분사식 수소 SI기관의 희박과급 적용에 관한 연구 이광주 1 ㆍ이종구 1 ㆍ이종태 2 1 성균관대학교