The hydrogen combustion was investigated in a single cylinder compression ignition(CI) engine using second injection strategy of high cetane number fuel, dimethyl-ether(DME). Hydrogen and DME were used as low carbon alternative fuels to reduce green house gases and pollutant. Hydrogen fueled CI combustion control technology was also developed to maintain high thermal efficiency, while reducing noise and NOx and soot emissions. DME was used to enhance the ignition because DME is easy to evaporate and has better compression ignition characteristics compared to conventional diesel fuel. DME almost has zero particulate matter(PM) emission, hence, it doesn`t have nitrogen oxides(NOx)-PM tradeoff_ relation. DME is high cetane number fuel, therefore, it has good auto ignition characteristics. DME injection strategy could act as an ignition promoter of hydrogen CI engine combustion For the optimization of the compression ratio, two compression ratios were compared. The one is 14.8:1, another is 17.3:1. In general, lower compression ratio is better for high cetane number fuel, and higher compression ratio better for high octane number fuel. When DME is used less than hydrogen, higher compression ratio engine performed better. However, when hydrogen is used less than DME, lower compression ratio engine had higher efficiency. When the EGR was used, the in-cylinder pressure and heat release rate was smoothened, but the combustion phase was retarded which lead better IMEP. The exhuast emissions were increased when EGR was used. Two types of ignition sources were compared. Hydrogen was used as a main fuel in the engine combustion. DME or diesel with the same energy amount was injected as the ignition promoter after the injection of hydrogen. To regulate the reaction, the injection timing was varied and optimized. The characteristics of each ignition promoter were compared under the same operating conditions. Hydrogen was injected _rstly in the intake port at -210 crank angle degrees (oCA) after top dead center to simulate homogeneous charge, and the diesel or DME was injected directly into the cylinder via the common-rail injection system during the compression stroke. The injection amount of DME was _xed at 5mg and the diesel injection quantity was _xed at 3.3mg with the same energy value of the injected DME. The fuel quantity of second injection was chosen from the result that does not show luminous combustion near TDC. It corresponds to about 35.5% of fuel in terms of energy content. Fuel consumption, heat release rate, and exhaust emissions were measured to analyze the combustion characteristics of each ignition promoter. DME and diesel quantities are very small, therefore these fuel created very lean conditions. However, diesel created near to stoichiometric conditions locally due to its lower volatility. Therefore when diesel is used as an ignition promoter, locally stoichiometric region could ignite hydrogen better. Since the injected amount of hydrogen is near the ignition limit, the longer spray penetration resulted in better fuel consumption. The NOx and smoke emissions were higher when diesel was used. The hydrogen and DME injection quantities and DME injection timings were varied respectively with a fixed sum of the total heat release value of the fuels. Hydrogen was injected at the intake manifold with an injection pressure of 0.5 MPa. Hydrogen injection timing was _xed to -210 °CA aTDC. This is the latest timing that can be injected during the induction stroke. DME was injected directly into the cylinder through common-rail injection system with an injection pressure of 30 MPa. DME second injection timing and quantity were varied to control the combustion phasing of premixed charge compression ignition engine combustion. DME injection timing and quantity controlled the hydrogen ignition delay when hydrogen was added. When the largest amount of hydrogen is added, some injection timings showed a mis_re. Therefore, increased DME injection quantity was required for a stable combustion. As the hydrogen addition was increased, the CO, CO2, and HC emissions were decreased due to reduced carbon content. Emissions were also a_ected by DME injection timing, when hydrogen was added. NOx emissions were not inuenced by hydrogen/DME ratio. However, NOx emissions were a_ected by the DME injection timing. Advanced DME injection timing showed near zero emissions of NOx, retarded DME second injection timing increased NOx emission in all conditions.
최근 세계적으로 화두가 되고있는 에너지 분야의 키워드는 지속가능성 (sustainability) 이다. 화석 연료는 그 매장량이 한정되어있을 뿐 아니라, 매장 또한 특정 지역에 편중되어 있어 수급 및 지속성에 많은 문제점을 내포하고 있으며 이에 따라 유가 상승의 불안은 가중되고 있다. 또한 탄소계 연료의 사용으로 인환 온실가스 배출 문제의 해결은 여전히 풀기 어려운 과제로 남아 있다. 이에 따라 석유계 연료의 사용을 억제하고 친환경 대체연료를 개발, 이용하는 노력은 세계 각국에서 활발하게 진행되고 있다. 특히 대체연료를 사용한 연소 효율 향상 및 배기 저감 기술은 가장 저렴한 비용으로 접근할 수 있는 청정 에너지 생산 기술로 평가된다.
예혼합 압축착화에서 착화 특성이 다른 두 가지 연료를 사용하여, 운전 영역을 넓히는 연구와, 다단 분사의 적용을 통하여 연소상 및 배기 배출물을 제어하는 연구는 많은 연구자들에 의해 진행되었다. 본 연구에서는 위 두 가지 개념을 적용하여, 착화 특성이 다른 수소와 DME를 이용, 다양한 다단분사 전략을 통하여 예혼합 압축착화 엔진 연소 가능성 및 배기 저감 가능성을 확인하였다. DME의 적합성을 판단하기 위하여, DME와 연소특성이 유사하다고 알려져 있는 diesel과의 비교를 통하여, DME가 디젤을 대체할 수 있는 청정 연료로서의 가능성을 판단하였고, 보다 더 효율적인 실험 진행을 위하여 엔진 압축비를 비교하여 17.3:1의 압축비를 선정, 진행하였다. DME의 분사 전략에 따른 각 연소의 특성을 규명하고, 이에 따라 NOx, HC, CO를 동시에 저감할 수 있는 분사 시기를 선정하였다. 이후 수소와 DME의 연료 비율 조절을 통하여 연소상을 함께 제어할 수 있는 가능성을 제시하였다. 본 연구에서 수행된 연구 결과의 내용을 정리하면 다음과 같다.
1. 압축비에 따른 특성
수소-DME 압축착화 엔진에서, 압축비가 엔진 연소에 미치는 영향을 살펴보고 본 연구의 타당 압축비 선정을 위하여, 이에따른 도시평균유효압력과 배기배출물을 측정하였다. 또한 EGR의 첨가가 수소-DME 압축착화엔진에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 질소 첨가를 통하여 모사 EGR을 실린더 내에 주입하고 실험을 수행하였다. 압축비가 높은 경우의 도시평균유효압력이 압축비가 낮은 경우에 비하여 높게 나타났다. 자발화 온도가 높은 수소가 DME와 함께 사용되었기 때문에, 연소상 진각에 의한 출력감소가 없었으며, 높은 실린더내 온도로 인하여 도시평균유효압력이 상승하였다. 압축비가 높은 경우 일산화탄소와 탄화수소의 배출량이 증가한 것으로 미루어 보아, 수소 뿐 아니라 DME의 연소도 불완전하게 일어났음을 알 수 있다. 압축비가 높은 경우 실린더 내 온도가 더 높아지므로, 연소가 더욱 활발하게 일어나는 것은 자명하다. 고 세탄가 연료인 DME의 비율이 높은 경우 높은 압축비에서 연소상의 진각으로 인한 출력 감소가 두드러졌다. 그러나 DME의 비율이 수소에 비해 적은 경우에는 높은 압축비에서 연소상의 진각으로 인한 출력 감소는 크지 않은 것으로 확인되었다. 본 연구의 목적은 수소를 압축착화 엔진에 적용하는 것이며, 최소한의 탄소계 연료를 착화제로 사용함에 있다. 따라서 본 연구의 엔진 압축비를 연소가 더 안정적이고, 출력이 높은 17.3:1로 압축비를 높이는 것이
타당하다 보인다. 저부하 영역에서는 안정적인 연소를 위하여 EGR을 첨가할 경우 DME의 양을 늘리는 것이 불가피 하다. 이에 DME를 9mg 분사하고, 9mg DME에 적합한 압축비 14.8:1에서 모사 EGR을 주입하여 실험한 결과, 연소상의 지각 효과를 통하여 더 높은 출력을 얻을 수 있었다. 따라서 저부하 영역에서 연소불안정성을 해결하기 위하여 DME의 비율을 늘리고, 연소상 진각으로 인하여 출력이 감소하는 것을 EGR을 통해 보상하는 전략을 사용한다면 중, 고부하 영역에서 DME의 분사량을 최소화하면서 효과적인 운전을 할 수 있을 것이라 판단된다.
2. 착화제의 종류에 따른 연소 특성
수소 압축착화 엔진에서, 착화제의 종류가 연소에 미치는 영향을 살펴보았으며, DME의 타당성을 판단하기 위해 압축착화엔진에서 주로 사용되고 있는 연료인 diesel을 사용하여 같은 실험을 수행하고 연소 특성 및 배기를 비교, 평가하였다. 수소 압축착화 엔진에서 DME와 diesel을 각각 착화제로 사용하여 비교한 결과, DME와 diesel의 분사 방법에 따른 차이는 미세함을 알 수 있었으나, DME를 사용한 경우 분사전략에 있어서 자유도가 더 컸다. Diesel을 착화제로 사용한 경우가 DME를 착화제로 사용한 경우에 비하여 더 우수한 연소특성을 나타내었고, 이로 인하여 도시평균유효압력 또한 전반적으로 높았다. 배기 배출물을 비교한 결과 이산화탄소 배출의 경우, 저탄소 대체연료인 DME의 탄소함량이 적어 더 낮은 이산화탄소의 배출을 보였으며, 연소온도가 더 낮은 DME 사용의 경우가 더 낮은 질소산화물 배출을 보였다. 일산화탄소는 두 연료 모두 거의 비슷한 정도의 배기 배출을 보였으며, 탄화수소의 경우 DME의 배출이 더 크긴 하나 그 차이가 착화제의 분사시기에 따른 영향에 비하여 미비하였다. 본 실험은 DME의 타당성을 평가하기 위하여 저부하에 한정되어 실시된 실험이다. Diesel을 착화제로 사용한 경우의 연소 특성이 DME를 착화제로 사용한 경우에 비하여 더 우수하긴 했으나, 저부하이기 때문에 수소가 가연한계로 분사된 것에서 기인한 결과라 판단된다. 이는 중부하에서 고부하로 운전영역이 확장된다면 해결할 수 있다. 이에 배기 배출에서는 조금 더 우수한 성능을 보이는 DME는 diesel을 대신하여 사용할 수 있는 착화제로 충분히 효용 가치가 있다 판단된다. 수소 압축착화 엔진 연소에서 DME를 사용한 경우, DME가 대체 연료이며, 다양한 원료로부터 합성 가능하다는 점에서 에너지안보에 좀 더 우위를 가지고 있으나, 디젤을 사용한 경우에 비하여 출력이 떨어지는 단점이 있다. 그러나 이는 본 실험이 저부하 영역에 한정되어 있기 때문에 그 출력 감소가 두드러진다 판단된다. 따라서 고부하 영역에서 수소의 연소효율이 증가한다면, 더 낮은 질소산화물 배출량과 함께 에너지안보 면에서 더 우위를 가질 수 있을 것이다.
3. DME 분사전략에 따른 특성
본 연구에서는 수소 압축착화 엔진 구현에 있어서 가장 문제가 되는 자발화 특성을 보완하기 위하여 DME를 착화제로 선정하였다. DME는 기존 디젤연료에 비해 기화와 혼합이 용이하고 압축착화 특성이 우수하여 수소의 착화에 직접적인 영향을 주었다. DME의 다양한 분사 전략을 통하여 좀 더 효과적으로 수소 엔진을 구동하여 높은 출력과 낮은 배기를 얻고자 하였다. 또한 고옥탄 연료와 고세탄 연료의 동시 사용을 통하여, 두 연료의 연소시 생기는 화학적 메커니즘을 구명하고자 하였다. 이를 위하여 각각의 연료의 분사 시기 및 분사량을 제어 변수로 하여 엔진 운전에 미치는 영향을 살펴 보았다. DME의 경우 입자상 물질의 배출이 거의 없는 것으로 알려져 있으며 또한 자발화 특성이 크기 때문에 옥탄가가 높은 수소연소를 스파크 점화 없이 효과적으로
제어할 수 있었다. 수소의 분사 시기 변화에 따른 도시평균유효압력의 변화 추이를 관찰하였으며, 최적의 수소 포트 분사시기는 가장 늦은 흡입 행정 말기 임을 알 수 있었다. 수소와 DME의 혼합 정도에 따른 연소 영향을 살펴보기 위하여 DME의 분사시기를 -80 ℃A aTDC 에서 -5 ℃A aTDC 까지 변화시켰으며, 착화제 분사 시기에 따른 수소 압축착화 엔진의 영향을 보면, 착화제의 예혼합기가 형성되는 이른 분사시기에는 희박한 예혼합기로 인하여 착화제의 저온 산화반응열이 낮아 수소의 연소또한 활발하지 않았음을 알 수 있다. 연소실 내 압충 행정 말기 착화제가 분사하는 경우에는, 고온 고압 상태가 형성되어 있으므로, DME의 저온 산화반응과 함께 고온 산화반응이 일어나며, 이로 인하여 수소의 산화또한 급격히 일어나게 됨을 알 수 있다. 이로 인하여 -30 ℃A aTDC 이후의 연소는 CO, HC의 배출이 줄었으며, 상사점 근처로 연소상이 미뤄져, 도시평균유효압력이 증가함을 보였다. DME의 분사량을 5mg, 7mg, 9mg 변화시켜 분사량 변화에 따른 수소의 엔진 연소특성을 보면, DME의 분사 시기가 빠른 경우 DME와 수소의 비율에 따른 영향이 매우 큼을 알 수 있으나, 이후 DME의 분사시기가 상사점 근처로 지각되면 DME의 분사량에 따른 경향이 줄어들었다. 착화제의 분사 시기를 DME의 연소가 잘 일어나 탄화수소와 일산화탄소의 배출이 거의 없으나, 연소온도가 높지 않아 질소산화물의 배출이 낮은 시기인 -30 ℃A aTDC 로 고정하여 각 DME와 수소의 비율 변화에 따른 배기, 출력 등의 결과를 비교한 결과 수소를 적게 쓰는 전략이 종합적인 면에서 타당성이 있음을 검증하였다.
본 연구를 통하여 DME 분사 전략을 통한 수소 압축착화 엔진 연소의 가능성을 파악하였으며, 이에 따른 연소 및 배기 특성에 대한 분석을 이루었다. 현재 사용되고 있는 연료인 diesel을 착화연료로 사용한 경우에 DME보다 높은 열효율을 가짐을 알 수 있었으나, DME 또한 diesel을 대신할 수 있는 청정 대체연료로서의 가능성을 보여주었다.
연구의 한계점 및 향후 연구 제안
본 연구에서는 압축착화엔진에서 착화특성이 서로 다른 두 가지 연료를 사용하여 연소상 및 배기배출물을 제어하는 연구를 진행하였다. 그러나 본 연구에서는 수소와 DME라는 아직 상용화 되지 않은 두 연료를 사용하여 운전 영역 확장에 제한이 있었다. 특히 수소의 경우 안정적인 유량 확보를 위하여 운전 속도와 수소의 분사량이 제한되었다. 또한 수소의 누설 가능성에 여부가 중요한 이슈라 할 수 있다. 본 연구에서 수소의 누설 가능성은 2% 이내로 추정된다. 현재까지는 선진 연구로 연소상 제어 방법이나 배기 저감에 초점을 두었으나 상용화를 위해서는 연료의 누설 문제는 큰 이슈가 될 수 있겠다. 또한 현재까지 압축착화 엔진 적용에 있어서 연소 안정성 면에서 불리한 것이 사실이다. 이를 보완하기 위하여 착화제인 DME 분사 전략을 통하여 가능성을 확인 하였으나 본 연구의 당위성 확보를 위하여 스파크 점화에 의한 연구가 함께 수행되고 열효율 및 질소 산화물 배기 등의 종합적인 평가가 이뤄져야 할 것이다.
