Diesel-CNG 혼소엔진에서 혼소율과 발열량 변화에 따른 연소 및 배출가스 특성 연구 :A Study on the Combustion and Emissions Characteristics with Substitution Rate and Heating Value Variations in a Diesel-CNG Dual Fuel Engine

장형준

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자료유형: 학위논문

저자정보: 장형준 (가천대학교, 가천대학교 일반대학원)

지도교수: 윤준규

발행연도: 2017

저작권: 가천대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수6

이 논문의 연구 히스토리 (7)

2017

이론공연비 대형 CNG 엔진의 바이오 가스 연료 적용에 따른 성능 및 배출가스 특성에 관한 연구

장형준 , 이의형 , 이상호 외 3명 한국자동차공학회 추계학술대회 및 전시회 2017.11 학술대회자료

CNG 혼소율 변화에 따른 디젤엔진의 성능 및 연소 특성에 관한 연구

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Diesel-CNG 혼소엔진에서 혼소율과 발열량 변화에 따른 연소 및 배출가스 특성 연구

장형준 기계공 2017.01 학위논문

2016

CNG 발열량 변화가 Diesel-천연가스 혼소엔진 배기 특성에 미치는 영향

장형준 , 윤준규 , 이선엽 외 3명 한국가스학회지 2016.12 학술저널

2015

CNG 혼소율이 Diesel-CNG 혼소엔진 성능에 미치는 영향

장형준 , 김정환 , 이장희 외 2명 대한기계학회 춘추학술대회 2015.11 학술대회자료

CNG 발열량 변화가 Diesel-CNG 혼소엔진 성능에 미치는 영향

장형준 , 김정환 , 우세종 외 2명 한국가스학회 학술대회논문집 2015.11 학술대회자료

Diesel-CNG 혼소엔진에서 CNG 혼소율과 발열량 변화가 연소 특성에 미치는 영향

장형준 , 송우용 , 이성원 외 3명 한국가스학회 학술대회논문집 2015.07 학술대회자료

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최근 국내로 도입되고 있는 액화천연가스(LNG ; Liquefied Natural Gas)는 국제시장에서 천연가스 저열량화 추세에 따라 2001년부터 2011년까지 꾸준한 열량 감소경향을 나타내고 있다. 이 같은 추세에 대응하기 위한 방안으로 우리나라 천연가스 열량기준은 기존의 표준 부피 열량제에서 보다 유연한 열량범위제로 개선되었다. 하지만 이러한 열량범위제에서는 기준 열량보다 낮은 열량의 천연가스가 도입되기 때문에 국내 산업용 가스기기는 물론 가정용 가스기기의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 문제점을 파악하여 이를 최소화할 뿐만 아니라 에너지의 효율적 사용을 위한 대응조치가 선행될 필요가 있다. 특히 열병합 발전용 엔진 중 디젤-천연가스 혼소엔진은 천연가스를 주연료로 사용하므로 혼소율이나 발열량 변화는 엔진 성능에 영향을 미칠 수 있는 중요한 사안이기도 하다. 따라서 본 연구에서는 개선된 열량범위제 내에서 허용될 수 있는 천연가스를 기존의 디젤-천연가스 혼소엔진에 적용할 경우 혼소율과 발열량 변화에 따라 발생하는 연소 및 배기가스 특성에 대하여 고찰하였다.
혼소율은 디젤연료를 대체하는 천연가스의 비율로 정의하며 투입되는 연료의 에너지 총합 대비 천연가스연료로 공급되는 에너지로 계산하여 나타난다. 발열량은 10,400 kcal/Nm³에서 9,400 kcal/Nm³까지 변경하였으며, 기준 열량의 천연가스연료에 질소가스를 희석시키는 방법을 통해 모사하였다. 엔진실험조건은 엔진의 운전조건을 1800 rpm/500 N·m로 설정하였으며, 디젤 연료의 분사량, 분사압력 및 분사시기는 각 변화조건에 맞춰 실험을 진행하였다.
혼소율변화에 따른 실험결과로, 혼소율증가로 변하는 디젤 연료량의 차이로 점화지연기간은 길어지고 점화에너지는 줄어드는 연소특성을 나타내며, 이로 인해 열효율과 출력이 감소하였다. 또한 천연가스 공급량이 상대적으로 늘어나기 때문에 스퀴시(Squish)영역에 포함되는 천연가스 역시 증가해 THC와 CH4의 배출량이 증가하며, 연소 최고온도가 감소하여 NOx 배출량은 감소한다.
천연가스의 발열량변화에 따른 실험결과를 살펴보면, 발열량변화를 모사하기 위해 첨가한 질소가스가 연소과정에서 발생하는 열의 일부를 흡수하여 연소를 방해하여 열효율이 감소하고 출력에도 영향을 미친다. 하지만 동일한 가스연료를 공급하기 때문에 스퀴시영역에 포함되는 THC와 CH4의 배출량 보다는 퀜칭(Quenching) 효과에 의해 형성되는 열경계층의 영향이 더 크게 작용하여 발열량이 감소할수록 배출량이 증가하고, NOx의 경우 공급되는 열량이 줄어들어 연소 최고온도가 감소해 배출량 역시 감소한다.

Recently, according to being low calories on natural gas in international market, the calories of the LNG(Liquefied Natural Gas) that is imported from the various countries were decreased from 2001 to 2011. So a standard of natural gas’s calories in Korea was improved to range system from volume system. Consequently, in this system, a lot of industrial and domestic machines using the natural gas were effected on performance and efficiency, because of being supplied the low calories natural gas. Especially, the natural gas was a major fuel in a dual fuel engine on cogeneration system, so the effect of CNG substitution rate and CNG lower heating value variations on performance in the engine was important. In this study, purpose was performance, combustion and emission characteristics according to effects of substitution rate and heating value variations of CNG fuel in a dual-fuel engine fueled by diesel and natural gas.
Substitution rate was defined that the ratio of natural gas energy and total energy was calculated. And the lower heating value was changed from 10,400 kcal/Nm³ to 9,400 kcal/Nm³. For heating value variations of CNG fuel, nitrogen gas was blended with pure CNG fuel. Besides, the conditions of tested engine were fixed 1800 rpm/ 500Nm and injection timing and pressure were matched with substitution rate and higher heating value.
First, in case of the changing substitution rate test, according to substitution rate, a mount of diesel fuel was different. So, diesel fuel effected to combustion characteristics such as ignition delay. Ignition delay became too long because of reducing the energy for ignition. As a result, thermal efficiency and torque was decreased. Additionally, as the supply of the natural gas was relatively increased according to the higher substitution rate, a mount of natural gas involved in squish area was increased, so THC and CH4 emissions were increased. But, NOx emissions were decreased because maximum temperature in cylinder was decreased.
Finally, when lower heating value variations were tested, nitrogen gas for changing the heating value absorbed a part of thermal energy in the combustion duration and disturbed the combustion. So it effected the thermal efficiency and power like decreasing them. However, in case of THC and CH4 emissions, as total gas fuel was same, it was not the effects of squish area and the quenching effects were increased. So THC and CH4 emissions were increased according to lowering the heating value and NOx emissions were decreased because of the same cause with case of substitution rate like decreasing the maximum temperature in cylinder.

#Diesel #CNG #Combustion #Emissions #Substitution rate #Heating value variations #Dual fuel engine

제1장 서론 1
1.1 연구배경 1
1.2 연구동향 3
1.3 연구의 필요성 6
1.4 연구목적 8
제2장 이론적 배경 9
2.1 열병합발전 9
2.1.1 열병합발전의 정의 9
2.1.2 열병합발전의 특성 9
2.2 천연가스 연료 10
2.2.1 천연가스의 정의 10
2.2.2 천연가스의 특성 12
2.2.3 천연가스를 이용한 혼소엔진의 특성 12
2.3 배기배출물의 발생원리 13
2.3.1 탄화수소(HC) 13
2.3.2 질소산화물(NOx) 14
2.3.3 일산화탄소(CO) 18
제3장 실험장치 및 방법 20
3.1 실험장치 20
3.1.1 실험엔진 20
3.1.2 실험장치 23
3.1.3 혼소엔진 제어시스템 30
3.1.4 실험조건 32
3.2 실험방법 35
3.2.1 기준열량 천연가스를 이용한 혼소엔진 성능실험 35
3.2.2 천연가스의 발열량변화에 따른 혼소엔진 성능변화실험 35
제4장 결과 및 고찰 37
4.1 혼소율변화에 따른 연소 및 배출가스 특성 37
4.1.1 혼소율변화에 따른 엔진성능 37
4.1.2 혼소율변화에 따른 연소특성 41
4.1.3 혼소율변화에 따른 배출가스특성 45
4.2 천연가스의 발열량변화에 따른 연소 및 배출가스 특성 51
4.2.1 천연가스의 발열량변화에 따른 엔진성능 51
4.2.2 천연가스의 발열량변화에 따른 연소특성 56
4.2.3 천연가스의 발열량 변화에 따른 배출가스특성 59
제5장 결론 64
References 67
Abstract 72

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