DME 차량용 엔진의 독립식 분사 고압펌프 성능 향상에 관한 연구

Abstract

본 연구는 현재 자동차에 사용되는 연료 펌프가 DME (Dimethyl ether)를 연료로 사용하였을 경우 디젤 엔진이 요구하는 성능을 충족할 수 있는지 확인하기 위해 수행되었다. 또한 조건 변경에 따라서 펌프의 성능을 비교하여 DME 연료에 적합한 펌프의 조건과 사양을 찾는 것과, AMEsim 프로그램을 사용하여 최적의 펌프 파라미터와 조건을 찾는 건을 목표로 한다. DME는 화학식 CH3OCH3을 갖는 유기 화합물이며 C2H6O로 단순화될 수 있다. DME는 디젤 엔진에서 사용이 가능한 연료이며 디젤 엔진의 경우 40-53 인 가솔린 연료에 비해 55의 높은 세탄가를 가지는 장점을 가지고 있다. DME는 LPG의 인프라를 그대로 사용할 수 있으며 디젤 엔진에 약간의 변경 후 적용이 가능하다. 짧은 탄소 사슬 화합물의 단순성으로 인해 연소 중에 미립자 물질(PM)의 배출량이 매우 적고, SOx 등 배출가스가 존재하지 않기 때문에 유럽, 미국 및 일본에서의 엄격한 배출 규제를 충족할 수 있다. 해당 연구에서는 연료 펌프가 체적 유량계를 사용하여 인젝터에 필요한 유량을 배출할 수 있는지 확인하고 펌프가 커먼 레일 드라이버가 설정한 압력을 충족할 수 있는지 확인하는 것에 중점을 두었다. 본 연구에는 Independent Injection Type(독립 분사식) 기계식 펌프가 사용되었으며 사전 연구된 Wobble Plate Type(사판각 조절식) 펌프와 결과를 비교하여 어떤 종류의 펌프가 DME 연료 펌프로 적합한지 확인하였다. 실험 조건은 300rpm에서 부터 1,000rpm까지 100 rpm 단위로 증가시키며 실험을 진행하였으며 400 ~ 500bar의 커먼 레일 압력으로 실험되었다. 또한 12 - 20 bar의 입구 압력을 가지며 시스템은 7bar의 내부 압력 조건에서 실험이 진행되었다. 실험 결과, Independent Injection Type 펌프의 경우 차량에서 요구하는 이상적인 유량인 200LPH를 만족시키지 못한 83LPH의 유량 성능을 보였으며, 내구성에 대해서도 추가 개선이 필요한 것으로 확인되었다. 또한 펌프의 압력이 증가하면 압력 손실이 같이 증가하여 유량 및 효율이 감소하는 것이 나타났기 때문에 인젝터 성능 향상을 위해서 고압 분사 시 동일한 유량을 낼 수 있는 시스템 구축이 필요한 것으로 보인다. 내구성 측면에서 펌프를 장기간 사용하면 연료의 시스템 순환 시 펌프의 열로 인해 DME 연료가 기화되어 성능의 문제가 발생할 수 있으며, 따라서 내부 냉각 시스템 구축이 필수적인 것으로 확인되었다. 시뮬레이션의 결과는 펌프의 내부 용적에 따라 유량의 차이가 크게 나타났으며 커먼레일의 오리피스 크기와 볼 체크 밸브의 스프링 상수 및 체크 밸브 토출부의 단면적에 따라 내부 압력의 변화가 심하게 변화하였다.