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표제지

초록

Abstract

목차

제1장 연구 배경 11

1.1. 전기점화엔진의 연료 직접분사 기술 11

1.2. 가솔린 직분사 엔진의 미세입자 배출 13

1.2.1. 가솔린 직접분사 엔진의 Soot 형성 과정 15

1.3. 가솔린 직접 분사 엔진의 제어 인자 및 그 영향 19

1.3.1. 연료 압력 19

1.3.2. 다단 분사 20

1.3.3. 분사 시기 20

1.4. 터보 과급 직분사 엔진과 미세입자 배출 23

1.4.1. 터보 과급 직분사 엔진 기술의 필요성 23

1.4.2. 터보 과급 직분사 엔진의 미세 입자 배출 24

제2장 연구 목적 및 연구 방법 26

2.1. 연구 목적 26

2.2. 연구 방법 27

2.2.1. 대상 엔진 및 대상 인젝터 27

2.2.2. 연료 분무 가시화 - 미에 산란법 30

2.2.3. 연소 및 배기 미세입자 계측과 화염 가시화 기법 30

2.3. 시험 조건 37

2.3.1. 연료 분무 가시화 시험 조건 37

2.3.2. 엔진 연소 및 배기 미세입자 계측, 연소가시화 시험 조건 38

제3장 연구 결과 40

3.1. 대상 엔진의 분무 및 연소 시험 결과 40

3.1.1. 기준 6공 인젝터 및 5공 인젝터 분무 가시화 결과 40

3.1.2. 대상 엔진의 연소 시험 결과 및 미세입자 배출 결과 45

3.2. 대상 인젝터 개선안과 분무 및 연소 시험 결과 56

3.2.1. 대상 인젝터 개선안 및 분무 가시화 결과 56

3.2.2. 선정된 개선 인젝터의 엔진 연소 시험 및 미세입자 계측 결과 58

3.3. 연료 분무와 미세입자 생성 영향 고찰 69

3.3.1. 감압비등과 연료 분무 69

3.3.2. 인젝터 개선 방법과 분무 형상 변경 71

3.3.3. 엔진 부하 별 미세입자 생성 특성과 미세입자 배출 비교 75

제4장 결론 77

4.1. 인젝터 개선 결과와 직접분사식 터보과급 엔진의 미세입자 배출 저감 방안 77

4.2. 향후 연구 제안 78

참고문헌 79

약력 85

표목차

표 2.1. 대상 엔진 제원: 현대자동차 1.4L KappaT-GDI 엔진 28

표 2.2. 기초 시험용 대상 인젝터 2종 -6공 인젝터 및 5공 인젝터 29

표 2.3. 연료 분무 가시화 시험을 위한 분사 지표 37

표 2.4. 연료 분무 가시화 시험을 위한 고속 카메라 촬영 지표 37

표 2.5. 엔진 시험 조건 - 엔진 속도 및 엔진 부하 38

표 2.6. 엔진 구동 조건의 연료 분사계 구동 조건 38

표 2.7. 화염가시화 시험을 위한 고속카메라 촬영 지표 38

그림목차

그림 1.1. 가솔린엔진의 연료분사 기술 별 입자상 물질 배출 규제와 배출량 14

그림 1.2. 주요 내연기관의 기술 종류에 따른 입자상 물질 배출량 비교 14

그림 1.3. 가솔린 직접분사 엔진의 탄화수소 유입 경로 14

그림 1.4. 가솔린 직접분사 엔진의 연료 분사 방식 및 간섭 발생 가능성 : 좌측-측면 장착식, 우측-중앙 장착식 18

그림 1.5. 탄화수소의 연소과정에서의 Soot 입자 생성 과정 18

그림 1.6. Population Balance 모델로 추정한 가솔린 엔진 내 연소가스의 온도-공연비 궤적 18

그림 1.7. 가솔린 직접 분사 엔진의 연료 분사 시작 시점(SOI)에 따른 입자 개수 및 스모크 발생 경향 22

그림 1.8. 터보 과급 전기 점화 엔진을 이용한 다운사이징 및 다운스피딩 적용 시 부하 이동과 효율 변화 22

그림 2.1. 대상 엔진의 WLTP 사이클 PN 배출량 27

그림 2.2. 미에 산란법을 이용한 연료 분무 가시화 장비 개략도 29

그림 2.3. AVL-CPC와 DMS-500의 미세입자 계수율 비교 32

그림 2.4. 가솔린 직분사 엔진에서의 미세입자의 크기 분포 예시 32

그림 2.5. 대상 엔진 연소 및 배기 계측과 보어스코프를 이용한 화염 가시화 시험 개략도 34

그림 2.6. 엔진 및 고속 카메라 제어를 위한 신호 동기화 34

그림 2.7. 보어스코프 어댑터가 설치된 연소실 내 시야각 (좌측) 및 결과 이미지 선화(Line Art; 우측) 35

그림 2.8. 휘염 발생원에 따른 개별 사이클 이미지 예시 35

그림 2.9. 화염 전파 이미지의 청염 데이터 처리 방법 및 예시 36

그림 2.10. 휘염 발생에 대한 통계적 처리 방법 및 예시 36

그림 2.11. 대상 엔진의 차량 내 WLTP 사이클 주요 운전점 분포 및 시험 조건 선정 39

그림 3.1. 6공 인젝터와 5공 인젝터의 연료압에 따른 미에 산란법 시험 결과 이미지 분사신호기간 1msec, 분위기 압력 1 atm, 분위기 온도 298 K 42

그림 3.2. 6공 인젝터와 5공 인젝터의 연료압에 따른 액체 분무 도달거리 비교 43

그림 3.3. 6공 인젝터와 5공 인젝터의 연료압에 따른 액체 분무각 비교 43

그림 3.4. 6공 인젝터와 5공 인젝터의 연료압에 따른 상단 분무각 비교 43

그림 3.5. 분사신호 시작 이후(after SOI) 800μsec 시점의 단면 미에 산란법 가시화 결과 비교 44

그림 3.6. 인젝터 노즐 별 연소실 내 간섭 가능성 44

그림 3.7. 1500, 2000 RPM, 자연 흡기 운전 영역에서의 6공/ 5공 인젝터 PN 계측 시험 결과 46

그림 3.8. 1500, 2000, 2500 RPM, 터보 과급 운전 영역에서의 6공/ 5공 인젝터 PN 계측 시험 결과 46

그림 3.9. 6공 인젝터 적용 시, 전 영역 연료 압력 증대 전후 최소 PN 배출 농도 비교 48

그림 3.10. 5공 인젝터 적용 시, 전 영역 연료 압력 증대 전후 최소 PN 배출 농도 비교 48

그림 3.11. 대상 엔진의 속도-부하 조건에 따른 흡기 밸브 열림 시기 변화 48

그림 3.12. 2000 RPM-100Nm, 분사시기 300 CAD bTDC 적용 시, 인젝터 간 휘염 관측 결과 비교 50

그림 3.13. 2000 RPM-100Nm, 분사시기 340 CAD bTDC 적용 시, 인젝터 간 휘염 관측 결과 비교 50

그림 3.14. 2000 RPM-150Nm, 분사시기 300 CAD bTDC 적용 시, 인젝터 간 휘염 관측 결과 비교 51

그림 3.15. 2000 RPM-150Nm, 분사시기 340 CAD bTDC 적용 시, 인젝터 간 휘염 관측 결과 비교 51

그림 3.16. 2000 RPM-100 Nm 운전영역에서 6공 인젝터 적용 시, 분사 시기에 따른 연소 열방출율 53

그림 3.17. 2000 RPM-100 Nm 운전영역에서 5공 인젝터 적용 시, 분사 시기에 따른 연소 열방출율 53

그림 3.18. 2000 RPM-150 Nm 운전영역에서 6공 인젝터 적용 시, 분사 시기에 따른 연소 열방출율 55

그림 3.19. 2000 RPM-150Nm 운전영역에서 5공 인젝터 적용 시, 분사 시기에 따른 연소 열 방출율 55

그림 3.20. 5공 인젝터의 노즐 배열 개략도 57

그림 3.21. 5공 인젝터 개선 방안 - 분무 줄기 방향 변경 및 유량 변경 57

그림 3.22. 분위기 압력 1bar, 분위기 온도 298K에서 1msec 분사 시, 기존 5공 인젝터와 두 개선 인젝터의 분무 형상 비교 (취득시점: aSOI 1,000 usec) 57

그림 3.23. 기존 5공 인젝터와 개선 5공 인젝터의 속도-부하 조건 별 미세입자 배출 결과 비교 59

그림 3.24. 개선 5공 인젝터의 자연흡기 저부하 영역의 미세입자 배출 농도 계측 결과 59

그림 3.25. 개선 5공 인젝터의 자연흡기 중부하 영역의 미세입자 배출 농도 계측 결과 59

그림 3.26. 개선 5공 인젝터의 과급 중부하 영역의 미세입자 배출 농도 계측 결과 61

그림 3.27. 개선 5공 인젝터의 과급 고부하(2000RPM-20Nm) 영역의 미세입자 배출 농도 계측 결과 61

그림 3.28. 2000 RPM-100NM, 개선 5공 인젝터 적용 시, 분사 시기에 따른 휘염 계측 결과 63

그림 3.29. 2000 RPM-150Nm, 개선 5공 인젝터 적용 시, 분사 시기에 따른 휘염 계측 결과 64

그림 3.30. 개선 5공 인젝터 적용 시, 2000 RPM 100Nm 자연 흡기 중부하 영역에서의 분사시기에 따른 열방출율 비교 66

그림 3.31. 개선 5공 인젝터 적용 시, 2000 RPM 150Nm 자연 흡기 중부하 영역에서의 분사시기에 따른 열방출율 비교 66

그림 3.32. 개선 5공 인젝터 적용 시, 2000 RPM, 100Nm, 150Nm,200Nm의 화염 전파 경계면 비교 68

그림 3.33. 대상 엔진의 연료 분사 조건과 가솔린 증기압 및 감압비등 영역 비교 70

그림 3.34. 감압비등 영역과 분무 형상의 붕괴의 상관 관계 70

그림 3.35. 다공형 인젝터의 노즐 형상에 따른 분무 줄기 간 간섭 현상 70

그림 3.36. 5공 인젝터 종류에 따른 분무 상단 윤곽 변경 - 플레어 감압비등 영역(2000rpm 50Nm) 73

그림 3.37. 5공 개선 1안 인젝터의 분무 발달에 따른 분무 형상 - 플레어 감압비등 영역(2000rpm 50Nm) 73

그림 3.38. 6공 인젝터와 5공 인젝터의 감압비등 영역 미세입자 배출 스펙트럼 비교 - 2000RPM 50Nm 73

그림 3.39. 인젝터 노즐 변경에 따른 연소 온도 계산 결과 비교와 Soot 생성 과정 추정 74

그림 3.40. 2000RPM 자연흡기 영역(100Nm)과 과급 영역(150Nm)의 연소 온도 비교 76

그림 3.41. 자연흡기 영역과 과급 영역의 분사시기에 따른 미세입자 크기 분포 76

그림 3.42. 부하 별 미세입자 배출량 및 모드 별 비중 비교: 2000RPM-100/150/200Nm 76

초록보기

 최근 미세먼지 배출에 대한 규제와 논의가 강화되면서, 전기점화 엔진에 적용되는 직접 분사 기술의 적용이 입자상 물질 배출의 주범으로 지목되고 있다. 기존의 포트 분사 방식의 연료 공급 방식과 달리, 직접 분사 엔진은 액체 연료를 연소실 내에 직접적으로 분사하여 농후한 혼합기를 형성하고, 그 결과 입자상 물질의 생성을 촉진하는 문제점을 안고 있다. 이에 따라, 세계적으로 직접분사 엔진의 혼합기 형성 과정을 개선하거나, 연소 과정을 개선하여 입자상 물질의 배출량을 저감하고자 하는 노력이 지속되고 있다. 본 논문에서는 직접분사식 전기점화 엔진 중에서도 다운사이징을 통해 연비 저감을 추구하는 터보과급 전기점화 엔진의 입자상 물질 배출에 대한 내용을 다룬다. 이를 위해, 직접화염 가시화와, 배기가스로 배출되는 입자상 물질의 분석, 연료 분무의 특성 파악을 통해 운전 특성을 파악하고, 인젝터 노즐 및 구동 인자의 최적화를 통한 입자상 물질의 저감을 목적으로 한다. 기존의 6공 인젝터와 새롭게 제안된 5공 인젝터를 통해 화염 가시화 및 배출되는 미세입자를 분석한 결과, 5공 인젝터가 상대적으로 분무 강성이 높고 입자상 물질 배출 저감에 유리한 것을 확인하였다. 이를 토대로 5공 인젝터 노즐을 개선한 결과, 적심으로 인한 입자상 물질의 생성을 줄이고, 배출량을 최소화 할 수 있었다. 최적화된 인젝터를 통해 화염 가시화 및 연소 계측을 수행한 결과, 적심이 발생하지 않는 연소에서의 미세입자의 배출은 연소 온도, 기간, 유동에 의해 영향을 받으며, 특히 과급영역에서는 유동과의 상호 작용으로 인한 혼합기의 성층화가 큰 영향을 미쳤다. 한편, 적심으로 인한 연소의 불안정이 발생할 경우, 초기 화염 전파속도의 하락 및 자기착화, 후산화과정 등을 통한 열방출율의 변화를 확인할 수 있다. 이러한 결과를 토대로 터보과급 전기점화 엔진의 직접 분사 기술을 최적화한다면, 정속-정부하에서 배출되는 미세입자의 90% 이상을 저감할 수 있는 가능성이 존재한다.

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