연료 분사 시스템 최적화에 따른 커먼레일식 DME 엔진 성능 특성 연구

Abstract

최근 기후변화와 지구온난화가 전 세계적으로 이슈이다. 이 문제를 해결하기 다양한 분야에서 노력을 가하고 있다. 수송 분야에서도 탄소 중립을 위해 전기 자동차화, 수소 자동차화, 기존 화석연료 대신 E-Fuel의 사용 등의 방안들을 제시했다. 그 중 E-Fuel은 물을 전기 분해하여 얻은 수소와 대기 중에 있는 이산화탄소를 통해 만드는 연료를 의미한다. 대표적으로 e-메탄올, e-DME(Dimethyl Ether), e-가솔린, e-디젤, 등이 있다. DME는 세탄가가 높아 디젤을 대체할 수 있는 연료로 관심을 받아왔다. 함산소연료로 연소 시 디젤 엔진의 문제점인 PM이 발생하지 않으며, 다른 연료에 비해 NOx 배출량이 적으며, EGR을 통해 더욱 저감 되는 장점이 있다. LPG와 물성이 비슷하여 상온에서 5 bar 이상의 압력을 가하면 액체 상태를 유지 할 수 있으며 이미 구축되어있는 LPG(Liquified Petroleum Gas)의 인프라를 사용할 수 있어 취급, 운송, 저장 등이 편리하다. DME 연료에 관련된 연구들이 많이 수행 되었지만, 아직 커먼레일식 DME 엔진은 상용화되지 않았으며, 커먼레일식 DME 엔진은 성능 향상 및 최적화 단계로 판단이 된다. 본 연구에서는 커먼레일식 DME 엔진의 성능 향상 및 최적화에 큰 영향을 미치는 연료 공급 시스템 중 고압연료펌프와 인젝터의 최적화 연구를 수행함으로 커먼레일식 DME 엔진의 성능 향상 및 최적화를 수행하고자 하였다. 실험에는 커먼레일식 연료분사 시스템이 적용된 4기통 3.9L, 16.5:1의 디젤 엔진을 사용하였고, DME의 특성을 고려하여 국내업체를 통하여 제작한 고압연료펌프와 인젝터를 사용하여 실험을 수행했다. 그리고 Bosch tube법 분사율계를 사용하여 실험 조건에 따른 분사율을 확인했다. 실험 조건은 고압연료펌프가 상사점에 도달하기 전 연료가 분사되는 전분사, 고압연료펌프가 상사점에 도달했을 때 연료가 분사되는 동분사, 고압연료펌프가 상사점에 도달 후 연료가 분사되는 후분사 조건으로 명명하였다. 고압연료펌프의 분사 압력 및 연료 분사량 측정실험을 통해 인라인 방식 고압연료펌프를 사용함에 따라 플런저의 연료 토출의 영향을 받아 커먼레일의 압력에 요동이 발생한다. 이 영향으로 플런저 타이밍 조건을 변화시켰을 때 분사 압력이 달라지며, 분사량이 달라짐을 확인했다. 세 조건을 비교한 결과, 동분사 조건보다 후분사 조건과 전분사 조건이 분사 압력이 높게 나타났으며, 분사량을 고려할 시 고압연료펌프의 플런저가 상사점을 지나고 있을 때 연료가 분사되는 후분사 조건이 가장 좋은 조건으로 판단되었다. 분사 압력에 따라 연료 분사율이 달라지지만, 플런저의 영향 때문에 분사량의 차이가 발생하며 엔진 성능에 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단된다. 고압연료펌프의 플런저 압축 시기와 인젝터 연료 분사시기에 따른 엔진 성능 및 배출가스 특성 비교 실험 결과는 동분사 조건이 디젤엔진과 가장 유사한 출력을 보였다. 하지만 BSFC(Brake specific fuel consumption) 측면에서 보았을 시, 고압연료펌프의 플런저가 상사점을 지난 후 연료가 분사되는 후분사 조건이 커먼레일식 DME 엔진에 적합한 것으로 판단된다. 고압연료펌프의 종류에 따른 엔진 성능 비교 실험 결과는 CPV-PUMP의 특징으로는 저속구간에서 더 많은 유량을 확보하였으며, 댐핑에 의한 2차 분사를 막기 위해 제작되었다. 하지만 출력과 BSFC와 배출가스를 비교한 결과, CPV-PUMP는 STD-PUMP대비 유량이 작아 출력, 커먼레일 압력이 낮게 나타났다. 또 같은 출력을 내일 때 더 많은 연료가 사용되는 것을 확인하였다. 종합적으로 STD-PUMP가 커먼레일식 DME 엔진에 적합한 조건으로 판단된다. 마지막으로 인젝터의 설계 파라미터에 따른 엔진 성능 실험 결과를 살펴보면 직경 0.4 mm의 4개의 홀을 가진 INJ 3 노즐이 디젤 엔진의 출력의 약 98%를 만족했다. 하지만 배출가스 측면에서 고려하였을 때 다른 두 조건에 비해 3배 이상의 배출가스가 배출되는 것을 확인하여 부적합한 조건으로 판단했다. 출력, 배출가스, BSFC 측면들에서 고려하면 직경 0.25 mm의 홀 6개인 INJ 2가 가장 적합한 조건이었으며, 송유 홀 직경이 1.9 mm와 2.5 mm인 두 조건을 살펴본 결과 1.9 mm일 때가 더 적합한 조건으로 판단된다. 결과들을 종합하였을 시, 고압연료펌프의 플런저의 타이밍 조건은 고압연료펌프의 플런저가 상사점을 지난 후 연료가 분사되는 후분사 조건과 펌프 종류는 충분한 유량이 확보되어 BSFC가 CPV-PUMP보다 좋은 STD-PUMP를 사용하며, 인젝터 노즐은 직경 0.25 mm의 홀 6개와 송유 홀 직경이 1.9 mm를 가지는 INJ 2를 사용하였을 때 커먼레일식 DME 엔진이 최적화된 상태일 것으로 판단된다.