Transactions of KSAE, Vol. 14, No. 4, pp.149-156 (2006) Copyright C 2006 KSAE 1225-6382/2006/082-19 LPG 예혼합압축착화엔진의배기가스및연소특성 염기태 장진영 배충식 * 한국과학기술원기계공학과 Emissions and Combustion Characteristics of LPG HCCI Engine Kitae Yeom Jinyoung Jang Choongsik Bae * Department of Mechanical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology, Daejeon 305-701, Korea (Received 22 December 2005 / Accepted 17 February 2006) Abstract : This paper investigates the steady state combustion characteristics of LPG homogeneous charge compression ignition (HCCI) engine with variable valve timing (VVT) and di-methyl ether (DME) direct injection, to find out the benefits in exhaust gas emissions. VVT is one of the attractive ways to control HCCI engine. Hot internal residual gas which is controlled by VVT device, makes fuel is evaporated easily, and ignition timing is advanced. Regular gasoline and liquefied petroleum gas (LPG) were used as main fuel and di-methyl ether (DME) was used as ignition promoter in this research. Operating range and exhaust emissions were compared LPG HCCI engine with gasoline HCCI engine. Operating range of LPG HCCI engine was wider than that of gasoline HCCI engine. The start of combustion was affected by the intake valve open (IVO) timing and the TOTAL due to the latent heat of vaporization, not like gasoline HCCI engine. At rich operation conditions, the burn duration of the LPG HCCI engine was longer than that of the gasoline HCCI engine. CAD at 20% and 90% of the mass fraction burned were also more retarded than that of the gasoline HCCI engine. And carbon dioxide (CO2) emission of LPG HCCI engine was lower than that of gasoline HCCI engine. However, carbon oxide (CO) and hydro carbon (HC) emission of LPG HCCI engine were higher than that of gasoline HCCI engine. Key words : HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition: 예혼합압축착화 ), DME (Di-Methyl Ether), VVT (Variable Valve Timing: 가변밸브 ), LPG (Liquefied Petroleum Gas: 액화석유가스 ) Nomenclature 1) : relative air fuel ratio : crank angle degree P : cylinder combustion pressure Q : heat release V : cylinder volume * Corresponding author, E-mail: csbae@kaist.ac.kr 1. 서론지구온난화에대응하기위한기후변화협약의이행에따라예고되고있는이산화탄소 (CO 2: carbon dioxide) 배출가스규제는산업계의에너지공급과소비에많은변화를줄것이다. 이에따라이산화탄소규제에대응하여배출량을감소시키는것이반드시필요하다고할수있다. 따라서효율적인에너지사용과에너지원의저탄소화를통해이산화탄소규제에대응할필요가있다. 예혼합압축착화 (HCCI: homogeneous charge 149
염기태 장진영 배충식 compression ignition) 엔진의문제중에가장중요한것은운전영역이저부하와고부하에서제한되는점이다. 1,2) 운전영역의제한은부분연소, 급속연소, 연소압력의과다상승때문이다. 또다른중요한문제는팽창행정중산화반응의부족으로인해일산화탄소 (CO: carbon oxide) 와탄화수소 (HC: hydrocarbon) 의배출량이과다인것이다. 1,2) 따라서일산화탄소와탄화수소배출량을저감하고운전영역을확장하기위해연소반응을직접적으로제어할필요가있다. Liquefied petroleum gas(lpg) 는저탄소대체연료로써가솔린에비하여탄소를적게함유하고있어이산화탄소배출량을줄이는데큰도움을줄수있다. 이러한 LPG를예혼합압축착화엔진에적용하면가솔린과비교하여더욱많은양의배출가스를저감할수있는가능성이있다. 3) Di-methyl ether(dme) 는디젤을대체하는대체연료로최근주목을받고있다. 대부분의직접분사식엔진들은연료가분사될때벽면적심 (wall wetting) 현상으로인해입자상물질 (PM: particulate matter) 배출량이증가하는단점을가지고있다. 그러나 DME 는이산화탄소배출량이기존디젤보다적고, 빠른기화특성과연료에포함된산소의산화촉진 을통하여검댕이를비롯한입자상물질의배출을현저하게줄일수있는장점이있다. 4) 이러한 DME 를고속직접분사 (HSDI: high speed direct injection) 연료분사장치를이용예혼합압축착화엔진에적용한사례 5) 나다점분사 (MPI: multi point injection) 연료장치를통하여흡기포트에분사하여운전영역을확장한결과도있다. 6) 본연구에서는저탄소대체연료의사용으로배출되는이산화탄소가스의총량을줄임으로써이산화탄소규제에대처하기위하여 LPG와 DME를사용한예혼합압축착화엔진에서가솔린과 LPG 예혼합압축착화엔진의비교를통하여연소특성을파악하고자하였다. 이를위하여동일한공기연료비에대하여가솔린과 LPG의연소특성과배기가스배출물특성을비교분석하였으며, 흡기밸브개폐시기에따른잔류가스율변화가연소와배기가스배출물에미치는영향을분석하였다. 2. 실험장치및실험방법 2.1 실험장치실험장치는 Fig. 1에서나타내었다. 본연구에사용된엔진은 4행정, 단기통, 더블오버헤드캠축 Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus 150 한국자동차공학회논문집제 14 권제 4 호, 2006
LPG 예혼합압축착화엔진의배기가스및연소특성 (DOHC: double over head camshaft) 가변밸브엔진이다. 엔진의제원은 Table 1에나타내었다. 엔진의부하와회전수제어는교류 (AC: alternating current) 다이나모미터 (82 kw, Unico Co.) 를사용하였다. DME 직접분사를위해본연구에서는연소실에슬릿 (slit) 분사구를가진인젝터 (Denso Co.) 를장착하였다. DME는질소를이용하여 50 bar로가압된상태로슬릿인젝터를이용하여액상으로분사된다. 또한연료공급장치의손상을방지하기위해 DME 에윤활향상제 (Infineum, R655) 를 500 ppm 첨가하였다. LPG 연료공급장치는 LPG를질소가스로가압하여액상으로유지하는시스템과인젝터 (Siemens Co.) 및인젝터부근에적체되는액상의연료가엔진의운전열에의해서기화되는현상을방지하기위한연료순환펌프로구성된다. 또한프로판과부탄이 60 : 40으로혼합된 LPG를사용하였다. 흡기밸브의열림과닫힘시기는크랭크각도 40 (CAD: crank angle degree) 까지변화시킬수있으나흡기밸브열림기간 (valve duration) 은고정되어있다. 연소해석을위한데이터수집을위해연소실에압력센서 (Kistler, 6052B) 를장착하였으며, 흡기와배기매니폴드의압력을계측하기위해압력센서 (Kistler, 4045A5) 를장착하였다. 혼합기의온도와배기가스의온도를측정하기위해흡기매니폴드와배기매니폴드에각각 K-type 열전대 (thermocouple) 를장착하였다. 혼합기의공기연료비를측정하기위해광대역람다미터 (Etas, LA4) 를배기매니폴드에장착하였다. 배기가스배출물은배기가스분석기 (Horiba, Mexa 1500d) 를이용하여탄화수소, 질소산화물, 이산화탄소, 일산화탄소를측정하였으며모든데이터는데이터수집장치 (Io Tech, Wavebook 512H) 를이용수집저장하였다. 측정된연소압력데이터로부터열방출율해석 (heat release analysis) 을통하여연소해석을수행하였다. 엔진연소실내의연소압력및체적변화는에너지보존법칙에따라식 (1) 로표현된다. 7) dq γ dv 1 dp = P + V dθ γ 1 dθ γ 1 dθ (1) 연소기간 (burn duration) 은가솔린과 DME의혼합기의질량연소율이 20 % 에서 90 % 에이르는기간으로정의하였다. 7) LPG와 DME의전체공기연료비는식 (2) 로정의하였다. TOTAL = LPG LPG 2.2 실험방법 DME + (2) DME 실험조건은 Table 2와같이공기연료비와흡기밸브열림시기에따른엔진성능, 배기가스배출물특성을파악하였다. 정밀한데이터분석을위해크랭크축에 2048 pulse/rev 엔코더 (encoder) 를장착하여데이터를취득하였다. Table 1 Engine specifications Bore (mm) 82 Stroke (mm) 93.5 Compression ratio 13 Displacement (cc) 494 Intake / Exhaust valve opening duration (CAD) 228 / 228 Intake / Exhaust valve lift (mm) 8.5 / 8.4 Intake valve open (BTDC) -11 ~ 29 Valve Intake valve close (ABDC) 59 ~ 19 timing Exhaust valve open (BBDC) 42 (CAD) Exhaust valve close (ATDC) 6 DME injection pressure (bar) 50 DME injector Slit injector Table 2 Experimental conditions Engine speed (rpm) 1000 Intake valve open timing (ATDC) -29, -19, -9, 1, 11 DME injection timing (ATDC) 110 TOTAL 2.12, 2.41, 2.57, 2.77, 2.91 DME 3.7 Intake charge temperature ( C) 30 Coolant / Oil temperature ( C) 80 / 80 3. 실험결과 3.1 배기가스배출물특성 Fig. 2에 LPG 예혼합압축착화엔진에서공기연료비와흡기밸브열림시기에따른이산화탄소배 Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 14, No. 4, 2006 151
Kitae Yeom Jinyoung Jang Choongsik Bae Fig. 2 CO 2 emission of LPG HCCI engine in respect to TOTAL and IVO timing at 1000 rpm Fig. 3 CO 2 emission difference between LPG HCCI and gasoline HCCI in respect to TOTAL and IVO timing 출량을도시하였다. 이산화탄소배출량은흡기밸브열림시기가지각되면소폭감소하며공기연료비와반비례관계가있음을알수있다. 흡기밸브열림시기가지각되는경우자발화시기를앞당겨줄수있는고온의잔류가스량이적어진다. 이에따른점화시기지연으로미연연료량의증가와연소온도감소가나타나고, 이로인해이산화탄소의생성및산화가어려워이산화탄소의발생량이감소한것으로판단된다. 또한, LPG 예혼합압축착화엔진에서의이산화탄소배출량은가솔린스파크점화기관에비하여낮은수준임을알수있다. LPG등의연료는기존의가솔린과디젤에비하여연료에함유된탄소분자의수가적은저탄소연료이다. 이러한연료를사용할경우이산화탄소배출량이저감된다는장점이있다. 이에따라동일공기연료비조건에서 LPG와가솔린예혼합압축착화엔진의이산화탄소배출량차이를 Fig. 3에도시하였다. LPG 예혼합압축착화엔진에서 LPG 의옥탄가가가솔린보다높기때문에흡기밸브열림시기가진각되어고온의잔류가스가증가해도착화시기가가솔린에비하여지각되기때문에이산화탄소저감은주로흡기밸브열림시기가지각되고공기연료비가농후한조건에서크게나타나고있다. Fig. 4에는 LPG 예혼합압축착화엔진에서공기연료비와흡기밸브열림시기에따른일산화탄소 Fig. 4 CO emission of LPG HCCI engine in respect to TOTAL and IVO timing at 1000 rpm 배출량을도시하였다. 일산화탄소발생량은불완전연소 (poor combustion) 의지표로연소가정상적으로이루어지지않은경우에배출량이증가하는경향을가지고있다. 흡기밸브열림시기가지각되게되면일산화탄소배출량이증가는경향을나타내고있다. 이러한현상은앞서설명한바와같이흡기밸브열림시기가지각되게되면착화지연으로인해연소가상사점 (TDC: top dead center) 이후에일어나게되며, 불완전연소로인한팽창행정중배기가스온도저하때문에이산화탄소로의산화가활발히일어나지못하기때문이다. 152 한국자동차공학회논문집제 14 권제 4 호, 2006
Emissions and Combustion Characteristics of LPG HCCI Engine Fig. 5 CO emission difference between LPG HCCI and gasoline HCCI in respect to TOTAL and IVO timing Fig. 6 HC emission of LPG HCCI engine in respect to TOTAL and IVO timing at 1000 rpm Fig. 5에는 LPG와가솔린예혼합압축착화엔진의일산화탄소배출량의차이를도시하였다. 이산화탄소배출량과달리일산화탄소배출량은가솔린에비하여증가하는경향을파악할수있다. 특히흡기밸브열림시기가지각되고공기연료비가희박할때일산화탄소배출량이크게증가함을알수있다. 일산화탄소배출량이증가하는현상은연소온도가낮은희박공기연료비조건과흡기밸브열림시기가지각된조건에서연소가가장약하게일어나팽창행정중산화반응이약하기때문에연소과정중생긴일산화탄소가산화되지못하고그대로 Fig. 7 HC emission difference between LPG HCCI and gasoline HCCI in respect to TOTAL and IVO timing 배출되기때문이다. Fig. 6에는 LPG 예혼합압축착화엔진에서공기연료비와흡기밸브열림시기에따른탄화수소배출량을나타내었다. 흡기밸브열림시기가지각되면연소가상대적으로늦게일어나면서이에따라탄화수소배출량이증가하는경향을보이고있다. 이러한현상은연소과정이상사점이후에발생하여소염현상이증가하고낮은연소온도로인하여팽창행정중에탄화수소가산화되지못하고배출되기때문이다. 또한 LPG와가솔린예혼합압축착화엔진에서의탄화수소배출량차이를 Fig. 7에도시하였다. LPG는앞서설명한바와같이옥탄가가높기때문에연소가가솔린에비하여늦게시작되며이에따라상사점이후연소가시작되며흡기밸브열림시기가지각되면서공기연료비가희박하면연소가지각되는현상이더욱두드러지게나타나게된다. 이에따라연소과정중연소되는연료의총량이감소하게되며또한팽창행정중의탄화수소산화반응이활발하게발생하지못하여탄화수소배출량이전반적으로가솔린에비하여증가하게된다. 특히흡기밸브열림시기가 1 CAD after top dead center (ATDC) 이후로지각됨에따라흡기밸브열림시기가 1 CAD ATDC인경우 LPG 예혼합압축착화엔진의탄화수소배출량이급격하게증가하게되며이에따라탄화수소배출량차이가공기연료비와관계없이가솔린에비하여급격하게증가함을파악 Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 14, No. 4, 2006 153
염기태 장진영 배충식 할수있다. 그러나 11 CAD ATDC의경우탄화수소배출량의차이가감소하게되는특성을보이고있으며이에대한원인은가솔린의경우 LPG보다옥탄가가낮아연소되는연료의총량이급격하게감소하는조건이 LPG에비하여흡기밸브개폐시기가지각되어 11 CAD ATDC의조건에서탄화수소배출량이급격히증가하기때문이다. 모든실험조건에서질소산화물배출량은 50 ppm 이하로매우낮은수준이었다. 3.2 연소특성결과 Fig. 8은흡기밸브열림시기와공기연료비에따른연소압력과열방출율을도시하였다. 연소최대압력과압력상승률은공기연료비가농후하면혼합기에공급되는연료의발열량이증가하면서연소가활발하게일어나기때문에증가하는경향을보이고 있다. 그러나연소시작시점은 LPG의증발잠열의영향으로인하여지각되고있다. 흡기포트에분사된 LPG는연소실에공기와함께공급되면서증발하게되며이때혼합기의온도를강하시키게된다. 예혼합압축착화연소는혼합기의압축행정말기온도분포와압력, 혼합기분포에큰영향을받는다. 이로인하여낮아진혼합기의온도가연소시작을지연시키게된다. 따라서 LPG 예혼합압축착화엔진에서는 LPG 분사량과연소시작시점은반비례의관계를갖게된다. 예혼합압축착화연소는연소시작전의냉염 (cool flame) 이나타나게되는데냉염은가솔린과공기의혼합기가연소할수있도록혼합기에열을전달하여 LPG의연소가시작될수있도록한다. Fig. 9에는흡기밸브열림시기가 -29 CAD ATDC와 TOTAL =2.12에서냉염의열방출을나타내었다. 열방출은공기연료비가농후하면지각 (a) Effect of TOTAL at a fixed IVO timing (-29 CAD ATDC) (a) Effect of TOTAL at a fixed IVO timing (-29 CAD ATDC) (b) Effect of IVO timing at a fixed TOTAL (2.12) Fig. 8 Cylinder combustion pressure and heat release rate of LPG HCCI engine at 1000 rpm (b) Effect of IVO timing at a fixed TOTAL (2.12) Fig. 9 Heat release rate of cool flame of LPG HCCI engine at 1000 rpm 154 한국자동차공학회논문집제 14 권제 4 호, 2006
LPG 예혼합압축착화엔진의배기가스및연소특성 되며, 흡기밸브열림시기가지각되어도열방출이지각되는경향을나타내고있다. 흡기밸브열림시기가일정한경우공기연료비가농후하여열방출이지각되는이유는앞서설명한바와같이 LPG의증발잠열때문이다. 공기연료비가 2.12로일정할때흡기밸브열림시기가지각됨에따라열방출이지각되는이유는체적효율과내부잔류가스율감소로판단된다. 본연구에사용된엔진의체적효율은 -29 CAD인경우 80% 이고점차감소하여 -19 CAD는 79.5%, -9 CAD는 77.2% 이지만 1 CAD와 11 CAD의경우는각각 70.8% 와 66.2% 로급격하게감소하는경향을보이고있다. 흡기밸브열림시기가지각된실험조건의경우감소된체적효율로인하여압축행정말기에혼합기의온도와압력이흡기밸브열림시기가진각된실험조건에비하여낮기때문에연소시작시점이지각되는것으로판단된다. Fig. 10에는도시평균유효압력을나타내었다. 공기연료비가 2.91인경우도시평균유효압력의최대치는흡기밸브열림시기 -9 CAD ATDC에서나타났지만공기연료비가 2.12인경우에는도시평균유효압력의최대치는흡기밸브열림시기 1 CAD ATDC에서나타났다. 따라서흡기밸브열림시기에따라도시평균유효압력이감소하는이유는동일공기연료비에서최대도시평균유효압력의왼쪽부분즉흡기밸브열림시기가진각된경우는이른연소로인한음의일 (negative work) 의증가이며오른쪽부분인흡기밸브열림시기가지각된경우는미연연료가증가하기때문으로판단된다. 이러한미연연료의증가는 Fig. 6에나타낸탄화수소배출량에서도확인할수있다. Fig. 11에는공기연료비와흡기밸브열림시기에따른연소기간을나타내었다. 연소기간은냉염을고려하지않기위해질량연소분율 (mass fraction burned) 20% 에서 90% 에이르는기간으로나타내었다. 연소기간은공기연료비가농후하고흡기밸브열림시기가진각된왼쪽아래부분이가장짧은것을확인할수있다. 이러한현상은높은체적효율로인한높은연소압력과온도에의해이른시기에착화가되며, 연료공급량이많기때문에연소가급격하게일어나기때문으로판단된다. 하지만공기연료비가 2.12이며흡기밸브열림시기가 11 CAD Fig. 10 IMEP of LPG HCCI engine in respect to TOTAL and IVO timing at 1000 rpm Fig. 11 Burn duration of LPG HCCI engine in respect to TOTAL and IVO timing at 1000 rpm ATDC인경우내부잔류가스율이낮고체적효율이낮으며연료의증발잠열로인하여연소가지연되어팽창행정중에많은양의연료가연소되기때문에연소기간이매우길어짐을알수있다. 이에따라 Fig. 12 와 13 에각각질량연소분율 20% 와 90% 에이르는 CAD를도시하였다. 질량연소분율 20% 와 90% 의 CAD는앞서설명한바와같이 LPG의증발잠열, 체적효율과잔류가스율의영향으로인하여공기연료비가농후하면지각되며흡기밸브열림시기가지각되어도지각되는경향이있다. Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 14, No. 4, 2006 155
Kitae Yeom Jinyoung Jang Choongsik Bae 과열방출시점이지각되었으며, 이에따른팽창행정중산화반응부족으로인하여일산화탄소와탄화수소배출량은증가하였다. 3) LPG 예혼합압축착화엔진은내부잔류가스와체적효율감소로인하여흡기밸브열림시기가지각되면연소가지각된다. 후 기 본연구는과학재단의우수연구센터 (ERC) 의지원아래연소기술연구센터의과제로써수행되었으며, 이에관계기관에감사의뜻을표합니다. Fig. 12 CAD at 20% mass fraction burned of LPG HCCI engine in respect to TOTAL and IVO timing at 1000 rpm Fig. 13 CAD at 90% mass fraction burned of LPG HCCI engine in respect to TOTAL and IVO timing at 1000 rpm 4. 결론 DME 직접분사연료장치가장착된 LPG 예혼합압축착화엔진실험을수행하여다음과같은결론을얻었다. 1) LPG 예혼합압축착화엔진에서이산화탄소배출량은가솔린예혼합압축착화엔진과비교하여저감되었다. 2) LPG를연료로사용하는예혼합압축착화엔진은 LPG의특성상가솔린과비교하여착화시점 References 1) K. Hiraya, K. Hasegawa, T. Urushihara, A. Iiyama and T. Itoh, A Study on Gasoline Fueled Compression Ignition Engine ~ A Trial of Operating Region Expansion~, SAE 2002-01-0416, 2002. 2) F. Zhao, T. Asmus, D. Assanis, J. Dec, J. Eng and P. Najt, Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) Engines : Key Research and Development Issues, SAE, 2003. 3) K. Yeom, Y. Woo, J. Jang, Y. Park and C. Bae, Performance and Emission Characteristics of Liquid-Phase LPG Injection Engine with Different EGR Rate, Transactions of KSAE, Vol.11, No.5, pp.7-14, 2003. 4) J. Yu and C. Bae, Dimethyl Ether(DME) Spray Characteristics in a Common-rail Fuel Injection System, Journal of Automotive Engineering IMechE, Vol.217, No.D12, pp.1135-1144, 2003. 5) S. Kajitani, C. Chen, M. Oguma, M. Alam and K. Rhee, Direct Injection Diesel Engine Operated with Propane - DME Blended Fuel, SAE 982536, 1998. 6) Z. Chen, M. Konno, M. Oguma and T. Yanai, Experimental Study of CI Natural-Gas/DME Homogeneous Charge Engine, SAE 2000-01- 0329, 2000. 7) J. B. Heywood, Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw Hill, New York, 1988. 156 한국자동차공학회논문집제 14 권제 4 호, 2006