Reciprocating Engines

1

한국 항공대 추진 및 연소 실험실

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1

For aircraft

Reciprocating Engines

제 10 장 디젤 엔진

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2

1 SI엔진과 CI엔진 연소특성

• SI엔진 (Spark Ignited Engine) – 스파크 점화 엔진 - 혼합기를 흡기과정 중에 흡입한 후 스파크 플러그에 의해 착화 된 후

화염전파에 의해 연소되는 예혼합 연소 - 부하의 조절을 throttle로 함, 즉 throttle 개도에 의해 혼합기량을 조절

하여 부하조절 - 부분 부하 시 효율이 저하 됨

• CI엔진 (Compress Ignition Engine) - 압축착화엔진 -공기만을 흡기과정 중에 흡입한 후, 압축과정 말기에 연료를 분사하여 연소하는 확산 연소. - 이론 혼합비는 화염면 근처에서 구현 -부하조절은 연료 분사량을 조절, throttle이 없으므로 부분 부하 시에도 효율이 저하되지 않음.

2


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3

Renault M9R Diesel Engine 1 ※ 영상을 더블클릭하면 전체화면이 됩니다.


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4

1 Audi Common rail system

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3


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1 확산화염에서의 층류화염면과 난류화염면의 비교

<층류화염> <난류화염>

액체연료 → 분사 → 분무 → 액체의 미립화 → 증발 → 혼합 → 연소

액적(droplet) 가연성 혼합기

- 연소가 되려면 가연성 혼합기가 있어야 한다.


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2 CI엔진의 연소

<압축착화 엔진의 가상적 압력선도>

T

4


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• AB구간 : 착화지연기간, 착화 지연기간 ; Ignition Lag Period a) 연료분사후 연료입자가 주위로부터 가열되어 기화, 혹은 열분해 하여 증기를 발생하 고, 이 증기가 공기와 혼합하여 액적 주위에 고온의 가연 혼합기를 만드는 데 필요한 시간으로 약 0.3∼3msec 정도이다. b) 착화지연이 짧은 연료는 착화성이 좋고 세탄가(Cetane number)가 높다. 세탄가가 높은 연료가 디젤엔진에 적합한 연료이다. c) 세탄가의 표준연료 : n-cetane[C16H34] 100%, α-metyl napthalene[C10H7(CH3)] 0% 예) 세탄가 55의 연료는 체적으로 55%의 n-cetane과 45%의 α matyl napthalene의 혼합물과 동등한 착화지연 성능을 가진다.

• BC구간 : 급격 압력 상승기간(Rapid, Premixed combustion period) 비제어 연소기간 (Uncontrolled combustion period) 착화지연 기간 동안 증발된 연료공기 혼합기가 착화에 의해 한꺼번에 연소되어

아주 빠른 압력상승이 일어나는 예혼합 연소구간이다. 이 기간내의 압력상승정도(압력 상승률)는 착화지연 시간중에 분사된 연료양에 크게 좌우되는데 착화기간이 길면 크고, 착화기간이 짧으면 작다. 연소실 내에서의 공기의 와류 발생상태, 연료의 휘발성, 혼합상태 등에 의해 좌우된다.


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CD구간 : 확산연소기간 (Diffusion combustion period) 제어연소기간 (Controlled combustion period) => C점을 지나도 연료는 계속 분사되므로 급격압력 상승기간에서 생긴 화염에

의해 계속 연소하지만 이미 피스톤이 하강하므로 압력상승은 완만하다. CD의 압력변화는 연료의 분사량을 가감시켜 조정하므로 연소제어 가능하다. * CI엔진의 출력조정 : fuel injection pump에서의 연료분사량에 의해 출력 조

정한다. CI엔진에서는 fuel을 많이 넣으면 출력이 증가하지만 스모크 제한 때문에 연료 분사량이 제한되며, 연료실 전체 A/F는 약 50, φ는 0.3 정도이고 φ가 0.8 이상이면 smoke 과다, 화염이 일어나는 곳 부근에서는 φ는 1 근방이다.

DE기간 : 후연 연소기간 (Afterburning period)

=> D에서 분사는 끝나지만 연료액적 등의 연소가 E까지 계속된다.

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2 디젤노킹

화염착화기간이 길어 증발된 연료가 모여 한꺼번에 연소가 일어나서 압력이 과도하게 급격히 올라가고, 소음이 나는 현상이다. Diesel knocking은 국부적인 압력상승에 기인하는 것이 아니라 넓은 영역에서 연소가 일어나므로 SI엔진과 같이 큰 압력파를 발생하는 일이 없으며 SI knocking만큼 해롭지 않다. •SI엔진 노킹과 CI엔진 노킹 비교

SI엔진 knocking : 비정상 연소, 연소 말기, 착화지연기간이 짧은 것이 원인

CI엔진 knocking : 정상 연소(확산연소), 연소 초기,

착화지연기간이 긴 것이 원인

착화지연기간 등의 연료 분사율을 조정하면 Diesel knocking을 줄일 수 있다


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2 SI엔진과 CI엔진 노킹 비교

노킹을 저감시키는 요인 SI 엔진 CI 엔진

연료의 착화지연(착화지연) ↑(길게) ↓(짧게)

연료의 착화온도 ↑ ↓

흡기 압력과 온도 ↓ ↑

연소실 벽면 온도 ↓ ↑

압 축 비 ↓ ↑

회 전 수 ↑ ↓

실린더 용적(크기) ↓ ↑

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2 CI엔진과 SI엔진의 열 발생률 비교


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2 가솔린 노킹와 디젤 노크의 비교

SI 엔진 CI엔진

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2 자동차연료에 대한 세탄가와 옥탄가의 관계

Octane Number

Cetane Number


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3 디젤 연료 특성

a. 자발착화가 쉽게 일어나게 세탄가가 높아야 한다

b. 디젤연료의 인화점은 55 ℃로서 저장하기에 가솔린이나 등유에 비해 안전

c. 너무 낮은 세탄가의 연료를 운전하면 착화지연이 길어져

디젤노크가 발생하기 쉽다.

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1 압축 착화 엔진 특징

◎ 압축착화엔진의 성공적인 운전조건

- 공기유동과 연료분사의 적절한 제어 ◎ 바람직한 연소시스템 - 높은 출력(bmep) 와 효율, 빠른 연소, 저공해연소 - 출력과 매연의 배출수준은 어느 정도 서로 상충 ◎ CI엔진의 종류 (형태에 따른 분류)

- DI엔진 (Direct Injection engine) : 직접분사식 엔진 (압축비 16:1) - IDI엔진 (InDirection Injection engine) : 간접분사식 엔진 (압축비 22:1)

DI엔진

IDI엔진

예열플러그 (Glow plug)


왕복 기관 1 DI엔진과 IDI엔진 비교

DI 엔진 IDI 엔진

연료분사 Piston bowl이 있는 연소실에

직접 연료분사 부연소실에 연료분사

연소실내 공기유동 약하다 강하다(압축행정시 부연소실에

swirl 생성)

연료분사 압력 1500기압 이상도 가능 300기압내외

연료분사 펌프 in-line type(직렬형) rotary type

distributor type(분배형)

연료 노즐 다공노즐(보통 4~6개)

hole type 단공 pintle 노즐

열효율 IDI보다 높다 DI보다 낮다

압축비 16:1 22:1

냉시동성 IDI보다 좋다

DI보다 나쁘다

(시동보조장치 필요

: Heater or Glow plug)

적용 차종 대형, 저속 소형, 고속

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○ 디젤엔진이 가솔린엔진보다 열효율이 높게되는 이유

1. 압축비가 높다.

- 압축비가 17인 엔진은 압축비가 10인 엔진보다 13% 높지만 실제에는 냉각손실이나 기계저항손실등이 증가하므로 실제에는 약 5%정도 높다

2. 스로틀 손실이 없다

- 부분부하에서는 가솔린엔진에 비해 열효율이 10 ~ 15% 향상한다.

3. 엔진전체의 혼합기가 희박하다

- 연소에 의한 온도상승이 억제되어 냉각손실이 절감하고, 연소가스중에

Co2, H20 의 비율이 감소하므로 고온이 되어도 비열이 증가하지 않고

또 열해리의 영향도 적다. 이론공연비에서 작동하는 가솔린 엔진에 비해 디젤엔진은 약 20%정도의 열효율이 높지만 연소실 내에 국부적인 고온이 되는 손실이 있으므로 실제에는 10 ~ 15%정도 열효율이 높다

4. 압축초기 공기만 존재 : 연료가 존재할 경우보다 비열비가 크다.

<요약> 이상의 3가지를 종합하면 25 ~ 30% 열효율이 높을 것으로 생각된다. 그러나 디젤엔진은 피스톤의 저항이 증가하고, 고압연료분사 펌프등의 기계적 저항손실이 있으므로 가솔린 엔진보다는 실제로 15 ~ 20% 증가하게 된다

1 DI엔진과 IDI엔진 비교

•CI 엔진의 흡입기체(공기)의 비열 ->

SI 엔진의 흡기기체(혼합기)의 비열 ->

4.1

33.1


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○ 디젤엔진과 가솔린엔진 비교

- 동등한 출력성능 을 나타내는 SI엔진과 CI엔진을 비교 할때

실제 디젤엔진의 연비는 가솔린엔진보다 약 30%높다. 그이유는 첫째 열효율 측면에서는 CI엔진이 SI엔진보다 15%정도 높다 둘째 나머지 10 ~ 15%는 과급 Down Sizing 효과 때문에 일어난다. 다운 사이징에 의해 운전영역이 고부하 측에 쉬프트 되므로 10 ~ 15%의 연비 개선 효과를 얻을 수 있다.

Down sizing 이란? - 디젤엔진은 스로틀이 없으며 펌핑손실이 적고 압축비가 높고 희박 연소가

되고 과급에 의해 열효율이 향상되므로 동등 토크 가솔린 보다도 연비가 약 15% 정도의 양호한 값을 낸다 - 디젤엔진에서는 가솔린 엔진 보다 낮은 회전수에서 1.5 ~ 2배의 최대 토크가 발생하므로 최종기계비(Final Gear ratio)를 높게 설정 할 수 있다. 다시말하면 보다 낮은 회전수에서 동일한 동일한 힘과 속도로 타이어를 회전 시킬 수 있다. 따라서 디젤차는 약 2/3정도의 Down Sizing이 가능하다


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○ 디젤엔진과 가솔린엔진 비교

동급 성능을 갖는 SI엔진 과 CI엔진

SI 엔진(QR25DE) CI엔진(M9R)

총 배기량 (cc) 2,488 1,995(Down sizing 효과를 나타낸다)

압축비 9.6 15.6

최고출력 (kW(PS) / rpm)

125(170) / 6000 127(173)/3750

최대토크 (Nㆍm(kgf m) /rpm)

230(23.5) / 4400 360(36.7)/2000

연료탱크 (L) 가솔린 65L 경유 65L

연비 (km/L) 11.6 15.2



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◎ CI 엔진과 SI엔진과의 부분부하 성능비교

다음과 같은 이유로 디젤엔진의 부분부하 연료소모율은 SI엔진에 비해 훨씬 덜 상승한다.

1. 스로틀이 없음 : 펌핑에 의한 손실 일의 감소.

2. 희박한 공기연료 혼합비 : 연료량으로 부하가 조절되므로 부하가 작아 질수록 효율증가

3. 연소지속시간이 짧음 : 지속시간이 짧으면 사이클해석에서 정압연소 부분이 작아져 사이클효율 증가.

DI

IDI

SI

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◎ CI엔진의 최소유효행정체적

- 400cc 정도로 이보다 작을 경우 S/V비가 커져 열손실 증가.

◎ CI엔진의 최고 회전수 및 출력향상방안(터보과급) - 연료분사에 의한 공기혼합, 증발, 착화, 연소와 같은 일련의 과정에 의해 연소속도가 느리므로

최고회전수가 같은 배기량의 가솔린에 비해낮다. - 출력향상은 흡입공기의 밀도를 높이는 터보과급에 의해 가장 효과적으로 이뤄지고 이를 통해

연료경제성의 향상 및 단위출력당의 무게를 줄일 수 있다. - 터보과급 CI엔진의 압축비는 실린더내 최고압력을 낮추기 위해 통상 12:1 - 24:1로 둔다.

◎ 디젤엔진의 압축비 결정 - 냉간 시동 요구조건에 의해 결정되므로 연료경제성이나 출력이 최적인 조건에서의 압축비에 비해 높음

◎ 디젤엔진의 적용차량 - 자동차용 디젤엔진 : 단위무게당 출력이 높은 고속엔진, 연료경제성이 떨어짐

- 선박 및 대형 산업용 : 연료경제성이 뛰어난 저속엔진


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1 압축 착화 엔진

◎ 직접분사식(DI)엔진 0 DI엔진의 연소실 - DI엔진의 연소실은 아래그림에서 나타나 있는 바와 같이 여러 가지 형태를 나타내고 있으나 각각 적절히 개발되면 좋은 성능을 나타낼 수 있다. - 연소실을 피스톤에 위치하게 하여 평평한 실린더헤더 이용으로 밸브의 성치 공간 최대 확보. - 연소실 중앙부의 속도가 매우 작고 연소실 체적이 불필요하게 커지는 것을 막기 위해 중심부 돌출형이 있음

직접분사식 연소실의 여러 형태 (a) 반구형 (b) 얕은 보울형 (c) 얕은 토로이드 보울형 (d) 깊은 토로이드 보울형

)2/( hd

)4/( hd

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Combustion Development

• Optimize piston bowl shape to control spray/airflow interaction

• Increase combustion rate

FUEL SPRAY FUEL VAPOR

SOOT CLOUD

FUEL FILM ON WALL SWIRL DIRECTION

SPRAY ON BOWL LIP

REVERSE SQUISH


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1 스월유동

◎ CI엔진에서의 스월유동 : - DI 디젤엔진은 실린더 내 공기유동이 IDI에 비해 약하므로 cylinder head port를 잘 설계하여 흡입공기에 swirl을 가지게 한다. (예, herical port) - 흡입공기의 스월류 스월비 = 스월의 정의, 측정방법은 다를 수 있으며, 스월이 너무 크면 체적효율이 나쁘다.

◎ 스월비 측정: steady flow impulse torque swirl meter가 주로 쓰임

스월속도(rpm)

엔진속도(rpm)

여기서 Cs = WpB0/V0 Wp : paddle wheel angular velocity B0 : Bore V0 : 특성속도 Vo = ]/)([ PcPo 2

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1 스월을 발생시키는 흡기포트의 형상

- 흡기포트 설계 시 체적효율이 너무 낮아지지 않도록 하여 출력저하를 최대한 막을 수 있는 설계를 하여야 한다.


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1 연료공급량이 일정할 때 스월비에 따른 엔진성능의 변화

0 연료공급량이 일정할 때 스월비에 따른 엔진성능의 변화 ( RICARDO AND HEMPSON,1968)

◎ 연료경제성과 출력이 최적인 스월비는 10.5이나 최고압력과 최고압력상승률이 높아 소음이 심하고 불균일한 운전조건을 나타낸다. 연료경제성에서 약간의 손실을 감수하고 실제운전조건은 이보다 낮은

스월비로 설계

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◎ 스월비를 너무 높히면 벽면으로의 열전달 증대로 배기가스온도가 낮아진다. * Squish유동의 정의 : CI엔진에서 피스톤상승시에 회전운동량 보존법칙에 의해 측면 유동이 Piston bowl 의 중심부로 이동하는 현상 * Squish유동의 영향 : 흡기유동의 회전운동량보존에 의해 스월을 증가 시키며, Squish에 형성된 난류는 연소후반부에 영향을 미친다. ◎ B/S 비 < 1 : 행정이 길어지면 연소실이 보다 컴팩트화 ◎고압 다공의 연료인젝터 사용 : 연료공기혼합 증진 및 연료제트의 침투길이를 동일하도록 하고 또한 스월을 감소하기 위하여 고압다공 인젝터를 사용하기도 한다.


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1 압축 착화 엔진

0 평균피스톤 속도제한 및 엔진크기에 의한 엔진회전수 제한

* 승용디젤엔진은 고속으로 운전해야 하므로 IDI 엔진을 주로 사용한다.

)60/(2N*UL

60/2L*UN

(rpm)/602LN2LN(rps)U

*

p

p

*

*

p

bmep

sfc (kg/MJ)

Mean piston speed (m/s) 직접분사식 엔진의 특성

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Ricardo Comet Type

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1 간접분사식(IDI) 엔진의 종류

구성 : 주연소실과 부연소실로 구성되는 분할연소실 사용 분할연소실 사용 목적 : 연소과정을 빠르게 함므로써 엔진 회전수를 증가시키고 엔진출력 증대 종류 : 1) 예연소실식 2) swirl실식(와류실식) (ex : Ricardo comet type) 3) 공기실(air cell)식


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1 IDI엔진에서 예연소실 및 스월연소실

1) 예연소실식 - 부연소실에서 고속 분출되는 연료 및 공기에 의한 난류를 이하여 연소속도를 증진시키는 방식

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1 예연소실식

- 부연소실에서 분무를 공기와 충분히 혼합시켜 이론 공기량에 가까운 공기로서 완전연소 시킴 - 실린더내의 공기에는 직접분사식과 같은 특별한 와류를 만들 필요 없음

장점) 1) 분출화염구로 난류가 발생하여 공기이용률이 높고 공기 과잉율이 1.2-1.3으로 무연의 완전연소 2) 분무의 좋고 나쁨에 민감하지 않고 분사압력은 100-150 bar로 낮고 특히 관통성과 분포성이 크게 요구되지 않음 3) 연료의 세탄가 요구도 낮고 배기중의 NO, 진동, 소음의 공해가 적다.

◎ 예연소실 내에서의 압력변화

단점) 1) 열손실에 의해 같은 정도의 기관에 비해 15%전후의 연료소비량이 많음 2) 시동 시 압축행정으로 공기가 연락공에서 교축되어 속도가 커지고 온도와 압력이 저하되며 벽면으로의

열손실도 커 착화가 싶지 않으므로 압축비를 높여 시동용 glow plug를 설치해야 한다.


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1 와류연소실식

실린더헤드에 전연소실 체적의 70-80%를 차지하는 구형의 와류실을 설치하여 압축행정 때 부연소실 내에 와류를 발생시켜 공기와 연료의 혼합을 촉진시켜 연소를 촉진시키는 방식임

- 소형고속기관에 적합하며 승용차용 디젤엔진에 널리 쓰인다.

- 에혼합실 방식과 같이 시동 시 glow plug 를 설치해야 하며 분사상태에 덜 민감하며 분사압 이 낮다.

- 연료의 분사방향이 중요하며 대체로 기류방향으로 분사할 때 공기혼합성능을 향상시켜 연소성능이

향상된다.

리카르도 코멧형식

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1 와류실내 분사방향과 성능


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1 공기실식(Air cell)

연료는 주실에 분사되어 착화되며 연소가 진행되면 연료와 공기가 공기실로 들어가며 난류를 형성한다. 팽창행정이 계속되면 연료와 연소생성물이 공기실 밖으로 분출되어 난류가 더욱 강해진다. - 분무가 주실에 직접분사 되기 때문에 시동이 용이하나 연소로 인해 생성되는 난류와 스월이 적기 때문에 운전속도 범위와 성능이 스월 챔버에 비해 더 제한적이므로 거의 쓰여지지 않는다.

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1 IDI엔진의 장, 단점

0 간접분사식 방식 장점 : 1) 착화지연이 짧고 공기 이용률이 높으며 연소가 빠르기 때문에 소형엔진이 고속으로 운전되며

큰 출력 낸다 2) 저급연료의 사용을 가능하게 한다.

0 간접분사방식의 단점: 1) 열손실에 의한 연료경제성의 저하 2) 구조의 복잡성 3) 시동의 어려움으로 압축비를 높여야 하나 시동에 필요한 압축비는 출력이나 연료경제성을

고려한 최적값보다 크다.

자연급기식 2.5리터 DI 및 IDI 엔진의 비연료소비율(g/kWh)


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1 CI엔진의 냉시동성

* IDI엔진의 경우 분할연소실 throat에서의 높은 열전달계수로 열손실 심각 - CI엔진의 냉시동성은 SI엔진보다 심각하여 최적압축비보다 높은 압축비사용 - CI엔진 착화조건 ▪ 고온 : 연료를 증발시키고 자발착화온도에 도달하게 하여야 하며 착화지연을 너무 길지 않게 하려면 자발착화온도보다 높아야 한다. ▪ 고압 : 연료 공기의 접촉을 촉진하여 열전달 증가. (IDI 300기압, DI 500기압, Common rail 1500기압) - 시동 시와 같은 저속의 경우 : 최고압력저감- 링, 밸브로의 누출 온도저하 - 열손실 전달시간증가 - 시동성 개선방안

1) 연료공급과잉 : 연료에 의한 실질 압축비 증가, 미연연료 누출방지효과, 연료의 연소가능성 증대 2) 분사시기 지연 : 보다 더 높은 압력,온도 제공 3) Injector에 보조노즐 : 초기연료량증대 (Pintaux nozzle) 4) 보조연료사용( Diethyl ether, 3.8:1에서도 시동) 5) heater사용: 전기, 버너로 흡입공기 가열 * IDI에서는 heater plug (glow plug) 사용 : 공기가열효과보다는 이곳에 연료분사

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1 CI엔진 연료분사시스템의 작동과정

인젝션 펌프의 캠이 플런지를 움직여서 연료를 흡입

및 압축

→

송출 밸브의 하단 연료압력이

송출 밸브 상부 스프링 힘을 이기면 연료는 파이프쪽으로 이동

→ 송출밸브 파이프

→

인젝터r내부의 색체절 내부 니들 하단부

압력이 니들 상단부 스프링 힘을 이기면 니들이 열려서 연료는 노즐 홀을 통해 연소실로 연료

분사

→

연소실에서 증발, 혼합,

연소

<연료펌프의 구조>

<연료분사밸브> <분사노즐>


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1 CI엔진 연료의 분사조건

- 연료가 실린더 내에 양호하게 연소되기 위하여서는 연료입지가 미세하게 무화 되어야 하며 공기와 잘 분포 되어야 한다. 또 공기와 균일하게 분포되기 위하여서는 분사된 연료는 실린더내의 구석구석까지 관통 되어야 한다. 1. 미립화 (atomization) : 무화 미세한 입지가 될수록 공기와의 접촉면적이 커지고 연소시간이 짧아진다. 연료입자의 지름은 보통 체적인 SMD=25μm정도이다. 연료의 입자가 너무 미세하면 실린더 내 구석구석까지 도달되는 관통력이 약해진다. 2. 관통력 (penetration) : 분무 침투길이

연료입자가 실린더 내 구석구석까지 도달할 수 있는 운동량으로서 연료의 직경을 크게 해야 하나 연소시간은 길어진다. 즉 무화와 상반되는 조건이다. 3. 분포 (distribution) 연소실내에서 연료가 균일하게 혼합되는 것을 분포라고 한다.실린더 내 와류 및 연소실형상 이

분포성을 좋게 설계된다.

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1 연료미립화(Fuel Atomization)

◎ 미립화를 잘 시키는 방법 1. 연료노즐 전,후(상하)의 압력차를 크게 한다.(압력식 노즐) 2. air보조 : air assist 노즐 < ex) 가스터빈 로켓 >

◎ 입자의 크기를 나타내는 치수: SMD(Sauter Mean Diameter) 가상적으로 균일한 크기로 이루어진 분무로 체적/표면적 비가 전체 분무의 체적/표면적 비와 같다. - SMD가 작을수록 fine spray이다. - Hiroyasu의 경험식 여기서 ΔP : 압력차 ρa : 공기밀도 Vf : Stroke당, 배기체적 ㎜당 연료량 A : 25.1(Pintle nozzle), 23.9(Hole nozzle)


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1 CI엔진 연료분사장치

◎ 연료분사장치 연료분사시스템의 구성 : 연료분사기(injector), 분사펌프(injection pump), 연결파이프 - lift pump는 인젝터 펌프에 0.75기압 일정한 압력으로 연료공급 - 2차 필터는 연료내의 공기제거 - 분사펌프내의 조속기(governor)역할 : 엔진의 회전수 제어, 공회전수의 조절, 무부하 운전이 될 때 회전수 조절

Injector

<압축착화엔진의 연료분사장치>

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1 CI엔진의 분사시기 및 연료량제어

- 엔진회전수가 증가하면, 물리적인 착화지연 시간은 거의 일정하기 때문에 분사시기를 앞당긴다. - 부하가 증가하면서 착화지연이 줄어 들면 분사시기가 늦어진다. - 최대연료량은 회전수에 따라 변하며 그 한계는 매연이 발생하는 매연한계에 의하여 결정된다.

회전수와 부하에 따른 분사진각 연료공급 맵


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1 CI엔진 연료분사계통 1) 독립식 분사계통( jerk pump or individual pump system) - 각 연소실마다 독립적으로 분사기와 펌프가 있는 방식으로 이 계통에 사용되는 분사펌프는 구조가 간단한 직렬형과 노즐과 펌프가 일체로 되어있는 unit injector 두 가지 방식으로 나눌 수 있다.

2) 분배식 분사계통(distributor system) : 이 계통은 1개의 분사펌프와 각분사기에 연료를 분배하는 분배기로 구성되어 있다. 3) 축압식 분사계통(common rail or accumulator system) : 이 계통은 1개의 연료분사펌프를 사용하여 축압실에 연료를 축적 분배기를 통하여 분사기에 연료 공급 * 소형,중형기관은 독립식이나 분배식, 대형기관은 독립식이나 축압식이 선호된다.

4 실린더기관의 예

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1 연료인젝터

- 노즐의 형상에 따른 분류 ① 단공 노즐(single hole nozzle) : 연료입자의 지름이 크므로 관통력이 크다. 예연소실 디젤기관에 많이 쓰인다. ② 다공 노즐(multi-hole nozzle) : 직접분사식 디젤엔진에 많이 쓰이며 공기와 연료가 잘 혼합되나 노즐 지름이 0.2-0.3mm정도이므로 잘 막힌다. ③ 핀틀 노즐(pintle nozzle) : 단공 노즐을 1-3mm만들고 이곳에 니들 밸브 설치. 니들밸브는 끝이 원통형으로 되어 있어 분사초기에 너무 많은 연료량 분사. 저속기관에 연료확산이 우수. ④ 교축 노즐(throttle nozzle) : 핀틀 노즐과 비슷하나 니들 밸브의 끝이 원추형으로 되어 있어 분사초기 연료량을 작게 분사하여 디젤노크 방지. 현재 가장 많이 쓰이는 형태


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1 CI 각 노즐의 분사형태

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1 분사펌프(Injetion Pump)

주요부품: plunger, barrel, delivery valve, spill port, control rack

◎ 직렬식 Bosch형 분사펌프


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1 직렬식 Bosch연료분사펌프 연료송출량 조절

전분사 부분분사 무분사

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1 Electric Unit Injetion (EUI)

Roger Krieger, GM R&D Center

Electronic Unit Injector (EUI)

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1 직렬형 연료 분사펌프의 구조

< 연료 분사펌프의 구조 >


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1 분배형 펌프

1개 플런져의 왕복운동과 회전운동에 의해 연료를 각 실린더에 배분하므로 소형으로 가볍고 가격도 독립형의 60%정도이다. 소형 및 중형엔진에 사용된다.

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1 축압식 연료분사펌프(Accumulator Commonrail Fuel Ingection)

3) 축압식 연료분사펌프 1개의 축압실에서 고압의 연료가 일정한 압력으로 유지되다가 공통된 연료도관에서 각 분사기로 연료가 분배되어 분사된다.


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Commonrail Direct Injection Engine (커먼레일 엔진) 1 커먼레일 엔진의 장점 1) 연료의 압력을 제어하여 직접 분사하기 때문에 고압(1500기압 이상)을 유지할 수 있어 연소 효율을 높일 수 있다. 초 고압 분사를 하므로 미세연료입자가 만들어지는 것이 가능하다. 또한 단시간에 분 사를 종료 할 수 있다. 2) 엔진의 회전수와는 관계 없이 ECU에 의해 분사압력, 분사량, 분사율, 분사시기를 독립적으로 제어할 수 있다. 한 사이클에서 수회(3 ~ 5회)의 분사가 가능하 므로 아주 짧은 시간에 양호한 혼합기 형성 이 가능하 다. 즉 커먼레일 시스템에서는 파이럿 분사, 예 분사, 주 분사, 후 분사, 포스트 분사 등이 가능하다. - 파이런 분사를 하므로써 디젤엔진 특유의 카랑카랑한 소리를 줄일 수 있다. 특히 시동시에 혼합기 형성도 극적으로 개선되어 시동석 확보를 위해 압축비를 높여야 할 필요가 있는 경우에도 압축비를 조금 낮출 수 있다.

커먼레일 엔진 : 운전상태에 알맞은 연료를 ECU(전자콘트롤 유닛)에 의해 제어되어 직접 연료를 연소실에 직접 분사하는 방식

파이럿 분사

예분사

주분사

후분사

포스트 분사

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Commonrail Direct Injection Engine (커먼레일 엔진) 1 3) 엔진이 회전수에 의해 연료분사 제어를 하는 것과 달리 엔진과 연료분사를 독립적으로 하기 때 문에 설계가 용이하고, 부품수가 줄어 경량화가 가능하다. 4) 연소효율이 높아 출력이 올라가고, 유해물질의 배출량이 줄일 수 있다. 5) 승차감에서는 기존의 기계적인 연결에서 생기는 진동과 소음이 커먼레일 방식에서는 발생하지 않아 가솔린 엔진보다 조금 더 높다.


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축압식 연료분사펌프(Accumulator Commonrail Fuel Ingection)

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1 펌프와 인젝터의 연결(Delivery pipe)

송출 파이프 내에서 팽창파이든 압축파이든 압력파가 발생하여 파이프 내를 음속으로 전파한다. 그러므로 분사펌프와 분사기의 연결은 만족스러운 성능을 위하여 매우 중요하다. 이렇게 발생된 압력파는 분사기에 2차분사나 분사 후 흘러내림과 같은 문제를 발생하므로 delivery pipe 의 길이를 늘이거나 연료량조절로 피할 수 있다. - 2차분사의 영향 : 연료 소비율증가, 매연의 배출, 노즐에 탄화물의 생성 - 연료의 흘러내림: 인젝터가 닫히는 시간에 압력파가 발생하여 완전히 닫히지 않아 분사압력이 낮게 되어 2차분사와 같은 문제를 야기한다.


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1 매연(soot, black smoke)

- 고분자 탄화수소가 열분해하여 생긴 탄소입자가 성장하여 생성된다. - 가장 많이 생성되는 시기는 예혼합에 의해 생성된 뜨거운 생성물이 연료분무를 둘러싸서

연료분무가 주위 공기와 차단되는 확산연소 시작부분이다. - 매연의 발생: 연료가 농후한 지역이 고온일수록, 전체공연비가 낮을수록 증가한다. - 매연의 산화 :고온공기와의 혼합 때문에 대부분 확산연소 시작부분에서 생성된 매연은 산화하고 5~10%만 대기로 나온다. 연소 후 생성된 매연은 산화되지 않고 밖으로 배출된다. - 확산연소기간을 짧게 하면 매연 이 생성될 수 있는 시간은 줄고 산화될 시간은 늘어나기 때문에 매연의 배출을 감소시킬 수 있다.

* 확산연소기간을 짧게 하는 방안 : 1) 스월 증가 2) 보다 빠른분사( 고압분사 ) 3) 분무의 미립화( 고압분사) - 엔진부하의 영향 : 부하가 늘어나면 더 많은 연료가 분사되고 다음과 같은 이유로 매연 생성증가 a. 확산연소지속시간의 증가 b. 연소온도의 상승 c. 확산연소가 끝난 후 매연이 산화될 수 있는 시간부족 - 분사시기의 영향 : 분사시기를 앞당기면 팽창 행정 동안의 온도가 높아 매연이 산화할 수 있는 기간이

길어진다. 그러나 연소소음은 증가한다. - 분사율 증대의 영향(고압분사) - 매연생성에 미치는 고압분사의 영향 고압분사 → 미립화 향상 → 확산연소기간 감소 → 매연(smoke) 감소

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3 CI 엔진 배기 가스

주 배출물 : Soot, NOx

- SI엔진보다 더 적은 가스상의 오염물질을 배출하지만 더 많은 입자상

오염 물질 (Particulate matters : PM) 을 배출

- NOx의 배출은 스파크착화엔진의 약 반정도 이다.

NOx의 배출을 줄이기 위하여 가장 보편적인 방법은 분사시기를 지연시키는 것

으로서 이는 비제어 연소시간을 단축시켜 지연시간을 단축시키는 역할을 하게 된다. 그러나 연료소비율과 PM은 Trade-off 역할을 한다. - NOx와 Soot의 배출은 항상 상반되는 특성을 지니게 된다. 즉 분사시기를 지연시키면 NOx는 줄어드나 Soot발생은 늘어난다.

-당량비가 항상 1이하에서 작동되기 때문에 당량비에 의존성이 높은 CO의 발생 량은 적음


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1 NOx

- NOx 의 생성을 지배하는 인자: 연소온도와 체류시간, 산소의 국부적 농도 - NOx는 확산 반응기간 동안 반응영역의 희박한 쪽에서 생성 - 분사시기의 영향 : 지연시키면 전체온도가 낮아져 연소지속시간의 증대에도 불구하고 온도에 보다 민감한 Nox생성반응의 특징상 배출량이 감소. - 분사율 증대의 영향 : 연료 분사율을 증대 시킴으로서 확산연소단계의 기간을 줄이므로 NOx의 배출을

감소시킨다. - EGR의 영향: 불활성 가스에 의해 연소온도 낮아져 NOx배출 감소

◎ 분사시기의 영향( Smoke와 NOx는 서로 상충되는 배출 특성) - CI엔진의 분사시기를 advance하면 NOx 증가, Smoke 감소하고 분사시기를 retard하면 NOx 감소,

Smoke 증가한다. ◎ 부분 부하 시 soot의 배출은 무시할만하나 NOx는 여전히 생성

고압분무와 동시에 분사를 지연시키면 Smoke와 NOx 를 동시에 줄일 수 있다.

PM NOx

고분사압력 대폭개선 악영향

분사시기 지연 악영향 대폭개선

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1 NOx와 Soot의 생성 영역

압축착화엔진 연소시, 등가비에 따른

연소온도와 NOx와 Soot 생성 영역

등가비 변화에 따른

압축착화엔진의 연소온도변화, Nox와 매연 생성 영역


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1 NOx와 Soot의 생성 영역

- 균일 예혼합 압축 연소 영역

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1 DI엔진과 IDI엔진과의 유해배출물 비교

- IDI엔진은 압축비가 DI엔진에 비해 높기 때문에 연소온도가 높으므로 NOx의 배출이 많다.


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1 Hydrocarbon(HC)

- 적절히 제어되는 디젤엔진에서 HC는 다음 두 곳에서 발생한다 1. 반응영역둘레부근으로 혼합기가 너무 희박한 지역으로 착화지연이 길어 질수록 더 많이 배출하나

어떤 값 이하에서는 짧아져도 더 이상 HC가 감소하지 않는다. 2. 이러한 경우 대부분의 HC는 노즐색(nozzle sac)이나 노즐구멍에 갇힌 부분에서 생성

- IDI보다 DI 엔진에서 더 많은 HC가 배출되며 특히 착화지연기간이 상당히 긴 저부하 영역에서 특히

많이 배출 - HC를 감소시키기 위하여 분사시기를 빠르게 하면 NOx 및 소음이 증가한다. * PM은 smoke와 응축된 탄화수소로 구성되어 있으므로 soot와 HC를 줄이면 PM은 감소

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1 분사율과 시기가 변화할 때의 소음, 매연, Nox 및 비연료 소비율


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1 NOx와 PM 저감의 기본대책

(1) 디젤기관의 연소실 설계개선에 의한 배출가스 저감

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(2) 연료분사계 개선에 의한 배출가스 저감


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(2) 연료분사시스템 개선에 의한 배출가스 저감

분사율 제어 연소 분사압력 영향

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(3) 전자제어(EUI)


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(4) 분무개선

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1 디젤엔진의 PM 저감을 위한 후처리 장치

- 기본적으로 엔진내의 soot 및 HC를 줄이는 것이 이 입자상 물질을 줄이는 직접적인 방법이며

추가적으로 다음과 같은 방법이 검토되고 있다. - 전기가열 Trap : 배기 매니폴드에 촉매 설치하여 입자상 물질 산화, 단 촉매가 light-off temperature

이상 올려야 하나 디젤엔진의 경우 배기가스온도가 낮기 때문에 전기적으로 trap을 가열. 여기서 촉매는 산화 촉매로서 NOx에는 영향을 주지 않으며 촉매장착 전 디젤연료에 함유된 유황성분을 제가하여야 한다.

◎ T/C엔진의 경우 착화지연이 짧아 NOx를 제외하곤 N/A에 비해 배출물이 적게 배출된다.

전기히터식 매연여과장치


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1 Nox와 PM 저감의 기본대책

(5) 과급에 의한 배출가스 저감

x

x

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1 디젤엔진의 유해 배출물과 소음

1) Particulate Material (PM 입자상 물질) : soot ( black smoke ) 응축된 HC

( 입자상 물질 : 327K로 희석된 배기가스 중 필터로 걸러지는 물을 제외한 모든 물질 ) 2) NOx

3) CO : 디젤엔진은 연소실내 전체 공연비가 희박함으로 별문제가 되지 않음 4) Noise : 연소초기의 급격한 연소에 의한 높은 압력상승률


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1 연소소음을 줄이는 두 가지 방법

1) 착화(착화)지연기간을 줄이는 방법

a. 열전달율과 화학 반응률이 높아지도록 하는 고온 b. 열전달율이 증가하는 고압 c. 더 쉽게 자발 착화하는 연료 (고 세탄가) 2) 착화지연기간 동안에 만들어지는 혼합기의 양을 줄임 - 초기의 분사율을 낮추거나 pilot분사.

<Pilot 분사>

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HCCI Engine

예혼합 압축착화 엔진 (homogeneous charge compression ignition engine)

: SI 엔진과 같이 균일한 혼합기를 흡입하여 CI엔진과 같이 압축착화하는 원리로 운전

HCCI 엔진의 장점

○ 균질 초 희박 연소가 가능하여 배기가스 배출물(NOx ,soot) 의 양을 획기적으로 감소

○ 착화과정이 혼합기의 화학적 특성과 온도에 의하여 좌우되므로, 혼합기가 압축행정 말기에

압축착화가 이루어 질수 있도록 혼합기의 화학적, 물리적 특성을 제어 함으로 동일한 엔진을

이용하여 다양한 종류의 연료를 연소하여 동력을 발생시킬수 있다.

HCCI 엔진의 문제점

○ 저부하와 고부하에서 연소가 제한

저부하의 경우 – 팽창행정 중 산화반응의 부족으로 인한 일산화탄소와 탄화수소 과다 배출

고부하의 경우 – 급속연소, 연소압력의 과다 상승으로 인한 엔진 손상 및 소음

○ 디젤 기화 곤란 : 연료분사시 실린더 내 온도가 디젤의 기화 온도 보다 낮게 되어 발생되어 연소효

율을 크게 떨어뜨림

○ 분무 벽면 충돌 : 실린더 내 공기 밀도가 낮아 분무 도달 거리가 길어지고, 이 때문에 연료가 차

가운 실린더 벽면 혹은 피스톤 상단부에 충돌하게되어 연소효율을 크게 떨어뜨림

○ 조기 착화 문제 : CI엔진의 고압축비는 열효율을 올려주므로 인해 출력이 높고 연비면에서 이

로우나 조기착화를 가져와 최적의 엔진출력을 얻을수 없다.

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HCCI Engine 1

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