한국수소및신에너지학회논문집 (2009. 10), 제 20 권제 5 호 Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society(2009. 10), Vol. 20, No. 5, pp. 371~377 Uni-flow 소기방식 2 행정프리피스톤수소기관의스트로크변화에따른역화특성 조관연 *, 조형욱 *, 이종태 ** * 성균관대학교대학원, ** 성균관대학교기계공학부 The Characteristics of Backfire for 2 stroke Free-Piston Hydrogen Fueled Engine with Uni-flow Scavenging KWANYEON CHO*, HYUNGWOOK CHO*, JONGTAE LEE** *Grad. School of Sungkyunkwan Univ., 300 Cheoncheon-dong Jangan-gu Suwon-si Gyeonggi-do 440-746, Korea **School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan Univ., 300 Cheoncheon-dong Jangan-gu Suwon-si Gyeonggi-do 440-746, Korea ABSTRACT Backfire characteristics for hydrogen fueled free piston engine with uni-flow scavenging is investigated with different stroke, exhaust vlave openning timing and fuel-air equivalence ratio by using RICEM (Rapid Intake Compression Expansion Machine) for combustion research of free piston engine. As results, it is found that backfire can be occurred due to slow combustion of unhomogeneous mixture in the piston crevice volume or/and in the cylinder near piston head. And the more stroke of free piston H2 engine with uni-flow scavenging is short the more opening timing of exhaust have to be advanced to control backfire. KEY WORDS : Free-piston engine( 프리피스톤수소기관 ), Hydrogen( 수소 ), Uni-flow( 단류소기 ), Backfire ( 역화 ), Stroke( 스트로크 ), Exhaust vlave timing( 배기밸브타이밍 ) 1. 서론프리피스톤수소기관은직선운동을회전운동으로변환하는크랭크기구가없는데따른기계손실의감소와팽창길이변화에의한유효일의증가로고효율을달성하고무공해수준의배기성능을만족 Corresponding author : jopang@skku.edu [ 접수일 : 2009.8.28 수정일 : 2009.9.21 게재확정일 : 2009.10.23 ] 할수있을것으로평가되고있다 1-3). 통상적으로연구되고있는 2행정 dual type의프리피스톤수소기관의기관성능은소기성능에의해좌우되므로적정소기방식의결정이중요하다 4). 저자들은프리피스톤수소기관에적합한소기방식의결정을위해루프와 uni-flow 소기방식의소기유동을해석한바있다. 그결과프리피스톤수소기관에서는루프소기방식보다 uni-flow 소기방식이소기유동에유리 Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society(2009. 10), Vol. 20, No. 5 371
Uni-flow 소기방식 2 행정프리피스톤수소기관의스트로크변화에따른역화특성 한것을확인하였다 5,6). 2행정프리피스톤수소기관의성패는역화발생여부가중요한인자이므로적정소기방식의결정에는소기효율뿐만아니라역화발생의해석도수반되어야한다. Uni-flow 소기방식을갖는 2행정기관들은통상적으로스트로크 / 보어비율이 2이상으로서기존의루프소기방식보다크다. 이것은팽창말기의실린더내압력이떨어트려블로다운손실의감소를도모하기위한것이다 7,8). Uni-flow 소기방식의프리피스톤수소기관은배기밸브가실린더헤드에설치되어있으나흡기포트가실린더하단부에위치되어있다. 이로인해 crevice volume 내에서느린연소를하는화염이팽창과정중흡기포트와일치하게되면역화가발생할수있다 9). 또한배기밸브열림시기가지연되면실린더내의국부적인느린연소에의해발생한화염이흡기포트내의신기와접하여역화가발생할가능성이있다. 피스톤 crevice volume 및피스톤헤드부주위에서느린연소를하는화염이흡기포트와접하는기간은기관의스트로크에의해좌우된다. 따라서스트로크 / 보어비는 uni-flow 프리피스톤수소기관의역화발생에관여할것이나이에대한결과는아직명확히보고되지않은상황이다. 본연구에서는역화발생없이고효율을달성할수있는프리피스톤수소기관의적정소기방식을결정하기위해 uni-flow 소기방식을갖는프리피스톤수소기관의스트로크변화에대한역화특성을해석하였다. 또한각각의스트로크에대해연료공기당량비와배기밸브열림시기를변화시켰다. 실험에는연소연구용 RICEM(rapid intake compression expansion machine) 장치를사용하였다. 2. 실험장치및방법 2.1 Uni-flow 소기방식프리피스톤수소기관연소연구용 RICEM 장치 Uni-flow 소기방식을갖는프리피스톤수소기관의연소연구용 RICEM장치의실물사진을 Fig. 1에나타낸다. RICEM 장치는크게나누어연소가일어 나는연소실부, 배기가스를배출시키는배기밸브부, 점화장치부, 프리피스톤을구동하고동력을흡수하는피스톤구동및동력흡수부로구성된다. 연소실은반구형형상으로실린더헤드에점화플러그와실린더헤드중앙에지름 34mm 밸브양정 8mm 인 poppet 형의배기밸브를설치하였다. 실린더하단부에는 30 의스월각도를가진 6개흡기포트가위치한다. 흡기포트의높이는스트로크 125mm 에서 21mm, 85mm인경우에는 17mm이다. 실린더헤드및실린더블록부에는실제기관의벽면온도를재현하기위해고온의오일을순환시킬수있는오일재킷을각각설치하였다. 점화장치는잔류전하에의한이상방전으로역화가발생될수있으므로 2차코일을접지시켜잔류에너지가쉽게방출되도록하였다. 배기밸브는솔레노이드밸브및공압실린더로구동되는공압구동방식이다. 프리피스톤구동및동력흡수부는지름이 55mm 이며로드의지름이 25mm인복동식유압실린더로구성된다. Table 1 Fig. 1 Photograph of RICEM. Table 1 Specification of RICEM apparatus Bore Stroke (mm) 80 125 80 85 Scavenging type uniflow uniflow Displacement volume 628 cc 427 cc Compression ratio 13 8.57 Stroke to bore ratio 1.56 1.06 372 한국수소및신에너지학회논문집제 20 권제 5 호 2009 년 10 월
조관연 조형욱 이종태 은프리피스톤연소연구용 RICEM 장치의주요제원을나타낸것이다. 2.2 실험장치 실험장치의전체적인개략도를 Fig. 2에나타낸다. 실험장치는전술한 uni-flow 소기방식을갖는프리피스톤수소기관연소연구용 RICEM장치, 역화발생검출장치, 수소-공기혼합장치, 변위측정부, 데이터취득장치, 기타계측장치등으로구성된다. 연소연구용 RICEM 장치는전술한바와같다. 역화발생검출장치는역화발생여부를파악하는장치로서체적이 17.6cc이고지름16mm의연결통로로흡기챔버에연결되는구조이다. 역화발생검출장치상부에는역화발생시의안전을고려하여 3bar H2-Gas Bomb Air compressor Ignition System Laser displacement converter Oil Oil Tank Pump R Air-H2 Mixture R Intake solenoid Spark plug Exhaust Pressure Transducer Vaccum Pump Oil Oil Tank Pump RICEM Accumulator Linear displacement converter Encorder Fig. 2 Schematic diagram of experimental apparatus. PLC A/D converter Charge Amplifier 의압력에서파열되는지름30mm 의파열막을설치하였다. 역화발생검출장치의실물사진을 Fig. 3에나타낸다. 수소-공기혼합장치는스테인레스재질로되어있으며, 혼합기의균질도향상을위해방폭타입의 brushless 모터팬을장착하였다. 변위측정부는상 하사점및프리피스톤의위치를파악하여점화시기및배기밸브열림 닫힘시기를제어하는부분으로로터리엔코더와인덕턴스타입의리니어변위센서 (Faster.FS5000) 로구성된다. 배기밸브양정및열림시기는레이저센서로측정하였으며, 연소실내압력은 piezo type의압력변환기 (Kistler Co., 6056A1) 를삽입하여측정하였다. 역화발생에의한흡기챔버내의압력측정을위해역화검출장치에압력변환기 (Keller, PA-21SR) 를설치하였다. 각각의압력은 charge amplifier(kistler, 5011) 에의해증폭된후 A/D변환기를거쳐컴퓨터로입력되고해석된다. 2.3 실험방법실험은프리피스톤수소기관의스트로크, 배기열림시기및수소-공기당량비를변화시킨경우에대해역화발생및제반성능을파악하는것이다. 스트로크는 85mm와 125mm인두경우이다. 배기밸브열림시기는역화가발생하지않는지점부터역화가발생하는지점까지지연시켰다. 수소-공기당량비는 φ=0.6에서부터 φ=1.0까지 0.1간격으로변화시켰다. 각각의실험에서실린더벽면온도는 80 로유지하였다. 피스톤구동오일압력은 55bar이며배기밸브구동압력은 8bar로일정하게하였다. 역화발생은팽창말기에일어나는실린더내의급격한압력상승과역화챔버에서나타나는압력상승및파열음으로확인하였다. 3. 결과및고찰 3.1 Uni-Flow 소기방식프리피스톤수소기관의역화발생 Fig. 3 Backfire detection chamber. Fig. 4 는 uni-flow 소기방식을갖는프리피스톤 Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society(2009. 10), Vol. 20, No. 5 373
Uni-flow 소기방식 2 행정프리피스톤수소기관의스트로크변화에따른역화특성 Back fire Fig. 5 Backfire occurrence due to slow combustion of mixture in the piston crevice volume. Fig. 4 Pressure curve in cylinder in the case of backfire occurrence for each stroke. 수소기관에서의역화현상을파악하기위해각각의스트로크에대한실린더내의압력선도를나타낸것이다. 그림에서나타난바와같이실린더내압력은팽창중배기밸브가열림과동시에급격한압력강하가이루어진후팽창말기에역화발생에따른약간의압력상승이나타난다. 이후에는역화에의해다음행정에필요한흡기챔버내의혼합기가미리연소되어비정상연소가이루어지는것을보인다. 이와같은역화발생시의실린더압력양상은스트로크가변화하여도대체로유사한것으로볼수있다. 그러나역화가발생되는시점은다소차이가있으며이것은흡기포트로역류되는화염의점화원이다양하게존재할수있음을의미하는것이다. 3.2 역화발생원인검토 3.2.1 Crevice volume에의한역화 Fig. 5는역화발생원인의하나로지목되어온것으로피스톤링 groove와피스톤링사이의틈세체적인 crevice volume 내의혼합기가실린더내로나와느린연소하는화염에의해발생되는역화를나타 Fig. 6 Pressure curve in intake chamber showing backfire due to mixture in piston crevice volume. 낸것이다. 수소는소염거리가짧은특성을가지고있어 crevice volume으로화염전파가가능하다. 또한수소연료는가연한계가넓기때문에 crevice volume 내에불균질한혼합기에화염이전파된다면팽창말기까지느리게연소를할수있다. 프리피스톤기관은피스톤 slap이거의없으므로배기밸브가열리더라도 crevice volume 내의화염이흡기포트로유입되는신기와만나역화로이어질수있다. 만일 crevice volume 내에서실린더내로나와느린연소를하는혼합기가흡기챔버내의신기와만나역화가발생된다면역화발생시점에 crevice volume 의위치가흡기챔버의위치와일치하게될 374 한국수소및신에너지학회논문집제 20 권제 5 호 2009 년 10 월
조관연 조형욱 이종태 것이다. 이를확인하기위하여역화가발생하는시점의흡기챔버내의압력변화를나타낸것이 Fig. 6 이다. 그림에서나타난것과같이피스톤이팽창하면서흡기챔버내의압력이점차상승하다가역화에의해급격히압력이상승하는것을나타낸다. 이때의역화발생시점은흡기챔버내의압력이지속적으로상승되는시점으로피스톤에의해흡기포트가개방되기전이다. 이지점은피스톤 crevice volume 이접하는시점으로확인되어역화발생원인이 crevice volume내혼합기의느린연소에의한다는것을보여주는결과이다. 3.2.2 실린더내의화염에의한역화 Fig. 7은실린더내의국부적으로느린연소를하는역화를나타낸그림이다. 팽창말기배기과정중미연소된수소연료는가연한계가넓기때문에국부적으로연소가가능하다. 또한실린더내의압력이급격히감소하면피스톤 crevice volume 내에서느린연소를하는화염이피스톤탑랜드를거쳐피스톤헤드주변으로나올수있다. 상기와같은원인들에의해실린더내의피스톤헤드부주변에서느린연소를하는화염이흡기포트내의신기와만나게되면역화가발생될수있다. Fig. 8은실린더내에서느린연소를하는화염에의해역화가발생되는것을보여주는흡기챔버의 압력선도이다. 전술한바와같이흡기포트내의압력은피스톤이팽창하는데따른압축효과에의해상승된다. 그리고피스톤하강에의해흡기포트가개방됨에따라흡기포트내의압력이강하하는것을볼수있다. 그후급격히흡기챔버내의압력이급격히상승하며이것은역화가발생된것을의미한다. 상기와같은결과는피스톤 crevice volume 내에서느린연소를하는화염이직접흡기포트내의혼합기와접하지않더라도피스톤헤드근방의실린더내에발생된모종의점화원에의해유입되는신기와만나역화가발생될수있다는것을확인한것이다. 전술한두원인에의한역화발생은수소기관의냉시동시불규칙적으로발생하는역화의발생원인으로작용할가능성이있다. 3.3 스트로크변화시의역화특성 Fig. 9는스트로크가 85mm 및 125mm인경우각각의수소-공기당량비에대해발생되는역화의발생유형을나타낸것이다. 3.2장에서논한바와같이흡기포트개방전에발생한역화를 crevice volume 내의화염전파에의한역화로, 흡기포트개방후에발생한역화를실린더내의화염에의한역화로판단하였다. 스트로크가 125mm인경우에는역화가 Back fire Fig. 7 Backfire occurrence due to slow combustion of inhomogeneous mixture in the chamber. Fig. 8 Pressure curve in intake chamber showing backfire due to mixture in cylinder. Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society(2009. 10), Vol. 20, No. 5 375
Uni-flow 소기방식 2 행정프리피스톤수소기관의스트로크변화에따른역화특성 Fig. 9 Occurrence case of backfire for flame in crevice volume. Fig. 10 Backfire occurrence with exhaust open time for each equivalence ratio. 당량비 φ=0.6에서 φ=1.0까지모두흡기포트개방전에발생하였다. 반면에스트로크가 85mm인경우에는당량비가감소할수록발생한역화중에 crevice volume내의화염전파에의한역화가감소하는것을볼수있다. 스트로크변화는동일실린더및연소실을사용하여행정길이만변화시켰으므로 Table 1에나타난바와같이스트로크가클수록압축비가증가한다. 따라서스트로크가 125mm인경우모든당량비에서역화가흡기포트개방전에발생하는것은압축비와당량비가증가할수록화염속도가증가하고소염거리가감소하여 crevice volume 내의혼합기가연소될가능성이증가한것으로볼수있다. 또한압축비증가에따라피스톤 crevice volume 내에서느린연소하는화염이실린더내로역류되는가능성이감소하는것도수반된다. 3.4 역화한계배기밸브열림시기 Fig. 10은수소-공기당량비변화에대한역화한계배기밸브열림시기를각각의스트로크에대해비교한것이다. 여기서역화한계배기밸브열림시기는역화가발생하기직전의정상운전이가능한배기밸브열림시기로정의하였다. 그리고배기밸브열림시기는 4행정기관의크랭크각도로표현하였다. 그림에나타난바와같이역화한계배기밸브열 림시기는수소-공기당량비가증가함에따른실린더내의국부적인화염발생과피스톤 crevice volume 내에서느린연소화염의잔존가능성이증가되는데기인하여당량비증가에따라진각되는것을나타낸다. 또한스트로크가증가할수록역화한계배기밸브열림시기는지각된다. 역화한계배기밸브열림시기의지각은 crevice volume내의화염이배기밸브를통해배출되는기간이길어지는것을의미한다. 당량비 φ=0.6인경우에는공급열량이적은데따른 crevice volume으로의화염전파가능성이적어져흡기포트개방시점에비해배기밸브의열림시기가진각되어도역화가발생되지않는다. 상기와같이역화발생을억제시키기위해서는배기밸브열림시기를진각시켜야하므로이에따른출력및효율의감소가수반된다. 프리피스톤수소기관의실용화를위해서는반드시역화가억제되어야하나 uni-flow 소기방식은역화발생의가능성이상존한다. 따라서역화를억제하는측면에서는실린더하단부에흡기포트가위치하지않는소기방식이적절할것으로예측된다. 4. 결론 Uni-flow 소기방식을갖는 2행정프리피스톤수소기관의스트로크, 배기밸브열림시기및당량비 376 한국수소및신에너지학회논문집제 20 권제 5 호 2009 년 10 월
조관연 조형욱 이종태 를변화시킨경우의역화발생특성을해석한결과다음과같은결론을얻었다. 1) Uni-flow 소기방식은실린더하부에흡기포트가위치하여설계및운전조건에따라역화발생가능성이상존한다. 2) 수소기관에서발생되는역화원인이피스톤 crevice volume내의느린연소에의한역화와피스톤헤드부근방의실린더내에존재하는모종의국부적인화염에의한다는것을 uni-flow 소기연소실내의역화발생현상으로부터명확히확인되었다. 3) Crevice volume 내의혼합기가느린연소하는데따른역화발생가능성은압축비가높고당량비가클수록증가하는것이보여졌다. 4) 역화가억제되는배기밸브열림시기가스트로크의증가에따라지각되어역화회피를위해 uniflow소기방식수소프리피스톤기관에장행정의적용이유리하다는것을알수있었다. 후기본연구는 21세기프론티어연구개발사업의일환으로수행하였습니다. 참고문헌 1) Peter A. J. Achten, A Review of Free Piston Engine Concepts, SAE 941776, 1994. 2) Norman H. Beachley and Frank J. Fronczak, Design of a Free-Piston Engine-Pump, SAE 921740, 1992. 3) P. V. Blarigan, N. Pradiso and S. Goldsborough, Homogeneous Charge Compression Ignition with Free Piston: A New Approach to Ideal Otto Cycle Performance, SAE 980204. 4) 고대권, 최재성, 저속 2행정디젤기관의소기특성에관한연구, 한국박용기관학회지제 19권 3호, 1995, pp. 202-210. 5) 윤재성, 조형욱, 이종태, 이용균, 프리피스톤리니어동력시스템의루프소기성능향상을위한유동해석, 한국수소및신에너지학회논문집제19권제2호, 2008.04, pp. 139-144. 6) 조형욱, 윤재성, 이종태, 임희수, PIV를이용한 Uni-flow소기방식프리피스톤수소기관의실린더내유동가시화, 한국수소및신에너지학회논문집제19권제3호, 2008.06, pp. 182-188. 7) Blair, G. P., The Basic Design of Two-Stroke Engines, SAE, Warendale, PA, 1990. 8) G. P., Blair, Correlation of Theory and Experiment for Scavenging Flow in Two-Stroke Cycle Engine, SAE Paper NO.88125, 1988. 9) 조형욱, 윤재성, 이종태, Uni-flow 소기방식 2행정프리피스톤수소기관의역화발생, 대한기계학회 2008 에너지및동력공학부분춘계학술대회, 2008, pp. 44-49. Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society(2009. 10), Vol. 20, No. 5 377