A new approach to generate electricity with a device of high efficiency and low emissions is being performed. A small-bore 2-stroke linear engine has been designed to generate electricity linked with a linear alternator for portable use. It has an advantage that the compression ratio can be varied depending on the operating condition, so it can keep operating on high efficiency region with low exhaust emission. The current engine used in this study uses Dimethyl Ether (DME) premixed mixture as the fuel and combustion is initialized through spark ignition. During the operation, the amount of fuel consumed per stroke is influenced by the equivalence ratio of the mixture and the mixture intake pressure, where these 2 parameters are defined as fueling conditions. By varying the ignition timing, the best efficiency point can be found under a given fueling conditions, and the corresponding piston velocity can also be obtained. For a given fueling condition, thermal efficiency means the amount of work converted from the fuel, and the piston velocity means the amount of work that can be done per unit time. The final engine output is greatly determined by both factors; therefore the objective of this study is to investigate the effect of fueling conditions to engine’s efficiency and operation speed.
It was found that increasing the intake pressure was preferable rather than increasing the equivalence ratio with respect to higher efficiency and faster frequency. However, change of strategy can be expected when the delivered fuel amount becomes large due to the increase intake pressure, because the loss of the short circuited fuel through the exhaust port become significantly high and offsets the high efficiency characteristics of the linear engine.
발전용도로 소형 리니어 엔진에 대한 연구를 진행하였다. 리니어 엔진의 종류는 3가지가 있는데, 그 중 듀얼 피스톤 타입(Dual piston type)이 최근에 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 듀얼 피스톤 타입의 구조는 연소실이 양쪽으로 배치되어 있고 그에 따라 피스톤도 양쪽으로 배치되어 있고 2개의 피스톤은 중간에 있는 고정 로드로 연결되어 있다. 이러한 타입의 엔진이 주목 받고 있는 이유는 리니어 엔진의 부하 조건에 따라 변화하는 압축비로 인하여 높은 효율을 얻을 수 있다는 장점 때문이다. 최근 엄격화 된 배기규제와 화석 에너지의 고갈에 따라 엔진의 효율 향상에 많은 연구가 진행이 되고 있는데, 리니어 엔진의 이러한 특성이 적합하다는 여러 연구 결과가 있다. 피스톤의 움직임은 크랭크 축과 같은 물리적인 기구를 통해 움직이는 것이 아닌, 연소 및 기타 물리적인 힘의 상호작용 하에 제어 되기 때문에 운전 조건에 따라 높은 압축비를 구현할 수 있으며 이는 열효율의 상승을 가져오며 배기가스도 저감할 수 있다. 하지만 엔진 제어가 어렵다는 치명적 단점이 있다. 주변 조건의 미세한 변화로 인한 연소 변동성이 피스톤의 속도와 다음 사이클의 압축행정의 스트로크 등 요소에 직접적인 영향을 주며, 기존 엔진과 같이 크랭크 축을 통한 에너지 저장을 통하여 이러한 변동성을 보상할 수 있는 기구학적인 구조가 아니기 때문에, 피스톤 움직임의 제어상 상당한 어려움이 발생하게 된다. 제어 측면에서 많은 연구가 진행 되고 있다.
본 연구에서는 엔진의 연소 관점에서 엔진의 효율 방면으로 구체적인 연구를 진행하였다. 실험에 사용된 엔진의 연소 방식은 Dimethyl ether (DME) 예혼합기를 사용한 스파크 점화 방식이다. 스파크 점화 방식을 사용하는 이유는 초기 냉시동 시 압축 온도가 연료의 착화온도 보다 낮을 경우를 대비하여 스파크 점화를 하여 점화에 보조 역할을 하게 된다. 피스톤의 보어는 20 mm이며, 피스톤의 최대 행정은 19 mm이며, 흡, 배기포트가 닫히면서 발생하는 압축 행정은 13.5 mm이다. 이론적으로 높은 압축비 구현이 가능하지만, 실린더 헤드에 있는 스파크 플러그를 보호하기 위해 피스톤의 상사점에 일정 clearance volume이 존재하며, 이때 최대의 압축비는 18.9:1 이다.
엔진이 안정적으로 작동 시, 한 행정당 주입되는 연료의 양은 혼합기의 당량비와 혼합기의 공급 압력에 의해 공동적으로 결정된다. 따라서 주어진 연료량 조건에서 점화시기를 변화하여 최적의 연료전환효율 특성을 나타내는 점화시기와 그에 해당하는 조건하의 피스톤의 속도를 측정할 수 있다. 연료전환효율은 주어진 연료량 조건에서 생성 가능한 일의 양을 의미하며, 피스톤의 속도는 단위시간 내에 생성 가능한 일의 양을 의미한다. 엔진의 최종 출력은 위의 2개의 요소로 공동적으로 결정되기 때문에, 본 연구의 목적은 연료량 조건을 결정하는 혼합기 공급 압력 조건과 당량비 조건이 엔진의 연료전환효율과 엔진 작동 속도에 어떠한 영향을 파악하는데 있다. 현재 사용한 엔진은 무 부하, 즉 공회전 상태에서 실험을 수행하였으며, 향후 엔진의 실제 상황 적용 시, 고 출력 고 부하가 요구되는 상황에서 어떠한 방법으로 연료량 공급 전략을 제시하는 것에 중요한 기초자료로 제공 될 수 있다고 생각한다.
실험 조건으로 희박 혼합기를 사용하였고, 당량비 0.8, 0.9, 1.0으로 설정하였다. 혼합기의 공급 압력은 0.175 MPa, 0.2 MPa와 0.25 MPa로 설정하였으며, 점화시기는 운전 가능한 최적의 조건으로 설정하였다. 연료의 비교 실험을 위하여 DME와 프로판 (Propane)을 사용하였다.
실험 수행 결과, 향후 고출력을 연료량 증가 시, 2행정 엔진의 고유 소기과정 특성에 의하면 혼합기의 당량비를 증가하는 방법이 혼합기 공급 압력을 증가하는 것보다 합리적인 것으로 나타내었다. 2행정 엔진의 소기과정에서 흡배기 포트가 동시에 열리기 때문에 흡기로 들어온 신 혼합기가 일부 배기포트로 바로 빠져나가 연료 손실이 발생하게 된다. 이는 공급 압력이 높을수록 실린더 내부에 갇힌 연료량도 상승하지만, 동시에 배기 포트로 바로 빠져나가는 신기의 양도 증가함으로 당량비 상승을 통한 연료량 증가가 합리적인 것임을 알 수 있다.
엔진의 연료전환효율 측면에서 고려하였을 경우, 혼합기의 공급 압력 증가가 혼합기의 당량비 증가보다 연료량 증가에 더욱 합리적인 것으로 나타났다. 실험 조건별로 수행한 결과를 토대로 연료전환효율 분포를 작성하여 위와 같은 특성을 파악하였다. 기타 선행 연구에 의하면 사이클에 참여한 열량값이 증가할수록, 피스톤의 속도와 행정이 동시에 상승하다는 것을 알 수 있었는데, 실제 실험 결과 열량값의 변화에 따라 속도와 행정의 변화가 크지 않음을 알 수 있었다. 그러므로 본 실험에서 사이클의 압축비가 연료전환효율에 대한 영향이 크지 않음을 관찰할 수 있었다.
결과를 비교하여 종합적으로 판단하였을 경우, 연료 공급 조건에서 연료량 증가를 위해 혼합기의 공급 압력을 증가하는 것이 당량비 증가보다 합리적인 것으로 생각된다. 이는 연료전환효율 측면과 엔진 작동 속도에도 좋은 영향을 가져온다. 하지만 고부하 조건에서 과도한 압력 상승은 연료의 쇼트 서키팅(short circuiting)현상으로 인해 배기포트로 빠져나가는 손실이 급격하게 증가하게 된다. 이러한 영역에서는 연료 공급 조건 전략상의 변화가 예상된다.
