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직접분사식 압축점화 디젤엔진의 연소 및 배기특성에 관한 실험적 연구 원문보기
An Experimental Study on Combustion and Emission Characteristics in Compression Ignition CR Direct Injection Diesel Engine

  • 저자

    김기복

  • 학위수여기관

    경남대학교 산업대학원

  • 학위구분

    국내석사

  • 학과

    기계공학과

  • 지도교수

    김치원

  • 발행년도

    2014

  • 총페이지

    61

  • 키워드

  • 언어

    kor

  • 원문 URL

    http://www.riss.kr/link?id=T13538517&outLink=K  

  • 초록

    압축점화 디젤엔진은 스파크점화 가솔린엔진에 비하여 성능과 효율이 우수하기 때문에 자동차와 선박의 동력원으로 널리 사용되고 있다. 또한 디젤엔진은 높은 출력을 원하는 사용자와 점점 강화되어지고 있는 배출가스 규제로 인하여 현재는 기존의 기계식으로 연료를 분사하던 방식을 탈피하여 전자적으로 연료 분사량 조절과 고압분사가 가능한 커먼레일 직접분사 시스템을 채택하고 있다. 최근 자동차 산업은 고유가 시대를 맞이하여 고성능 저연비 차량에 대한 소비자 욕구 상승 및 소비패턴의 변화에 따라 신모델 개발의 주기는 더욱 짧아지고 있다. 따라서 각 완성차 제작업체들은 소비자 욕구에 부응하고 자동차 시장을 선점하기 위해 자동차의 심장이라 할 수 있는 엔진 개발에 막대한 연구비를 투자하고 있다. 또한 배기량은 작아지고 엔진출력은 더욱 증대 시키는 다운사이징 엔진들을 제작하여 고출력 저연비를 도모하고 있다. 연료분사 방식이 커먼레일 시스템의 경우 연료의 분사시기, 분사량 및 분사압력을 전자적으로 제어할 수 있기 때문에 기존 기계식 디젤엔진에서 문제가 되었던 소음 및 진동 저감뿐만 아니라 분사시기 최적화에 따는 배출가스 저감, 출력상승 및 후처리장치의 활성화 등이 가능하게 되었다. 그러나 커먼레일 시스템 역시 압축점화를 하는 디젤엔진이기 때문에 기존의 디젤엔진이 가지고 있는 배출가스 특성은 비슷하며 질소산화물과 매연이 가솔린 엔진에 비해서 비교적 많이 배출되는 특성이 있다. 이러한 압축점화 디젤엔진의 연소에 미치는 인자로는 연료의 분사시기, 분사율, 연료분무의 무화성, 관통성, 공기과잉율, 실린더내 온도와 압력, 연료의 세탄가 등이 있으며, 이러한 인자들은 매우 유기적인 관계를 가지고 있으므로 이에 대한 성능 특성을 연구할 필요가 있다. 따라서 본 연구와 실험적 해석에서 연료의 분사시기를 변화시켜 연소실 압력 및 압력상승율, 질량 연소율, 등의 엔진 연소특성을 해석하고, 엔진동력계를 통하여 토크 및 제동동력을 측정하여 엔진 동력특성 변화를 분석하였다. 이와 더불어 질소산화물 및 매연 등의 배기배출 가스에 미치는 영향을 실험을 통하여 고찰하였다. 실험적 해석의 결과로 연료분사시기가 진각됨에 따라 최대 압력값이 전 영역에서 상승하고, 그 발생시기도 상사점 쪽으로 이동됨을 확인할 수 있었다. 그리고 열발생률의 발생시기도 상사점 쪽으로 이동됨을 확인 할 수 있었고, 이는 피스톤 변위에 의한 체적변화와 더불어 압력상승을 가져오는 큰 요인이 됨을 알았다. 질량 연소율 또한 분사시기가 진각 될수록 그 기울기가 급경사 됨을 알 수 있었고, 이것은 연소실 내의 연료의 질량이 급속히 연소 하고 있다는 것을 확인할 수 있었다. 첫째, 동력특성을 고찰한 결과 엔진회전수 2,000 rpm 및 30 % 부하조건에서 주 분사시기에서 10º 진각 시킨 지점에서 토크와 제동동력이 약 20 % 상승으로 가장 높게 나타났으며, 분사시기를 15º 진각 시켰을 때 토크와 제동동력은 분사시기 10º 진각일 때 보다 낮게 나타났다. 둘째, 배기특성에 대한 실험 결과는 분사시기를 과도하게 앞당김으로써 피스톤에 의한 공기 압축 부족으로 자발화온도 까지 도달이 미흡한 상태에서 연료가 분사되어 이상연소가 일어난 것으로 예측할 수 있었다. 배기배출물 가스는 연소실 압력이 증가할수록 매연의 배출량은 감소하고, NOx는 증가 하는 전형적이며 상반되는 상호교환의 배출 특성을 나타내었다.


    Recently it has been focused that the automobile engine has developed in a strong upward tendency for the use of the high viscosity and poorer quality fuels in achieving the high performance, fuel economy, and emission reduction. Therefore it is not easy to solve the problems between low specific fuel consumption, and exhaust emission control at motor cars. In this study, it is designed and used the engine test bed which is installed with turbocharger and intercooler. In addition to equipped using CRDI by controlling injection timing with mapping modulator, it has been tested and analyzed the engine performance, combustion characteristics, and emission as operating parameters, and they were engine speeds(rpm), injection timing(bTDC), and engine load(%). As the above experimental study has been analyzed, the conclusions are as the followings; 1. Peak cylinder pressure and the rate of pressure rise were increased, and the location of it was closer toward top dead center according to the increasing of engine speed and load, and with advancing injection timing. 2. The combustion characteristics are effected by fuel injection timing due to be enhanced the mass burned fraction. 3. Using the engine dynamometer for analyzing the engine performance, the engine torque and power have been enhanced according to advancing the fuel injection timing. 4. It is result that nitrogen oxides and particulate matters has the same tendency of formation as an operating conditions(fuel injection timing, engine load and engine speed) of the tested engine. 5. In analyzing of exhaust emission, there has been a trade-off between PM and NOx with increasing of engine speed and load, and with advanced injection timing. The experimental data are shown that the formation of NOx has increased and PM, vice versa.


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