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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 엄인용
- 발행연도
- 2020
- 저작권
- 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수1
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점점 엄격해지는 배출가스 규제를 만족시키기 위하여 친환경 자동차 개발이 화두가 되고 있는 가운데, 많은 완성차 제작사들이 전기자동차 개발에 힘을 쏟고 있다. 하지만 전기자동차는 배터리 효율, 전기 생산 시 발생하는 온실가스 등 해결해야 할 과제들이 산재하여 있다. 이에 반해 천연가스는 경제성과 수급 안정성이 매우 우수한 대체연료로써 관련 시장이 빠르게 확산되고 있다. 천연가스를 사용한 전소엔진 및 혼소엔진에 대한 연구는 기존에도 있었으나 액체연료와 동일한 연료분사 방식을 이용한 내연기관의 개발은 아직 진행된 바가 없다.
본 연구에서는 가스연료를 사용하는 내연기관 시스템에 적용 가능한 분사 시스템을 구축하고 분사유량에 영향을 미치는 인자들을 규명하기 위해 실제 기관과 유사한 형태의 실험 장치를 구성하고 각 조건별 분사유량 및 압력의 변화를 측정하여 그 특성을 분석하였다. 특히 가스연료는 액체연료와는 달리 압축성이므로 기관의 회전속도, 연료 분사 펄스폭 등 지속적으로 변화하는 기관의 상태에 따라 연료 공급 압력이 크게 변할 수 있다. 이에 따라 우선적으로 압력과 분사유량과의 관계를 고찰하였고 이후 압력에 따른 실제 분사량을 이론적 계산 값과 비교 분석하여 그 특성을 고찰하였는데, 결과는 다음과 같다.
가스연료의 압축성 특징으로 레일의 설정압력과 분사 펄스폭 증가에 따라 분사유량은 증가하지만 압력과 펄스폭이 분사 유량과 직선적 관계를 가지지 못한다. 따라서 이 관계를 구체적으로 파악하기 위해 실제 유량과 이론적인 압축성 및 질식 유동상태에서의 유량을 비교하였다. 유량의 비교는 경향의 파악이 중요하므로 무차원화 하여 진행하였다.
무차원 분사 유량의 변화 경향은 분사 펄스폭이 적고 설정 압력이 낮은 경우 질식 유동의 변화 형태와 잘 일치하는 경향이 있지만, 설정 압력이 높아짐에 따라 압축성 유동의 형태로 접근하다가 최종적으로는 압축성 유동보다 높아진다. 동시에 설정 압력이 높은 경우 압력차가 큰 곳에서는 질식 유동의 형태를 보이다가 압력차가 감소함에 따라, 즉 기관의 회전수가 높을수록 압축성 유동에 접근하거나 상회하는 경향이 나타나는데 이것은 압축성과 질식 유동의 천이 및 임계압력비 변화에 의한 것이다.
압축성과 질식 유동의 천이가 발생하는 임계압력비는 간헐적 분사의 영향으로 운전 조건에 따라 변하는데, 이에 따라 분사 펄스폭 당 분사 유량의 변화를 초래하여 정밀 연료 계량에 악영향을 줄 수 있으므로 운전 조건에 따라 천이가 발생하지 않는 레일 압력을 설정할 필요가 있다.
마지막으로 연료레일 내 압력을 일정하게 유지하는 것이 연료의 정밀 계량에 매우 중요하므로 레일에 공급되는 입구압력과 레일압력과의 관계를 고찰하였는데, 연료레일의 압력강하는 설정 레일압력, 분사 펄스폭, 기관 회전속도 등 여러 가지 요인들이 작용하지만 입구압력에 가장 큰 영향을 받으며, 입구압력과 레일압력의 차이가 일정압력 이상이 되면 앞서 언급한 요인들은 압력강하에 영향을 미치지 못한다. 따라서 입구압력을 충분히 확보하고 적절한 밸브를 사용하여 연료 레일의 압력을 운전 조건과 관계없이 일정하게 유지할 수 있다.
본 연구에서는 가스연료를 사용하는 내연기관 시스템에 적용 가능한 분사 시스템을 구축하고 분사유량에 영향을 미치는 인자들을 규명하기 위해 실제 기관과 유사한 형태의 실험 장치를 구성하고 각 조건별 분사유량 및 압력의 변화를 측정하여 그 특성을 분석하였다. 특히 가스연료는 액체연료와는 달리 압축성이므로 기관의 회전속도, 연료 분사 펄스폭 등 지속적으로 변화하는 기관의 상태에 따라 연료 공급 압력이 크게 변할 수 있다. 이에 따라 우선적으로 압력과 분사유량과의 관계를 고찰하였고 이후 압력에 따른 실제 분사량을 이론적 계산 값과 비교 분석하여 그 특성을 고찰하였는데, 결과는 다음과 같다.
가스연료의 압축성 특징으로 레일의 설정압력과 분사 펄스폭 증가에 따라 분사유량은 증가하지만 압력과 펄스폭이 분사 유량과 직선적 관계를 가지지 못한다. 따라서 이 관계를 구체적으로 파악하기 위해 실제 유량과 이론적인 압축성 및 질식 유동상태에서의 유량을 비교하였다. 유량의 비교는 경향의 파악이 중요하므로 무차원화 하여 진행하였다.
무차원 분사 유량의 변화 경향은 분사 펄스폭이 적고 설정 압력이 낮은 경우 질식 유동의 변화 형태와 잘 일치하는 경향이 있지만, 설정 압력이 높아짐에 따라 압축성 유동의 형태로 접근하다가 최종적으로는 압축성 유동보다 높아진다. 동시에 설정 압력이 높은 경우 압력차가 큰 곳에서는 질식 유동의 형태를 보이다가 압력차가 감소함에 따라, 즉 기관의 회전수가 높을수록 압축성 유동에 접근하거나 상회하는 경향이 나타나는데 이것은 압축성과 질식 유동의 천이 및 임계압력비 변화에 의한 것이다.
압축성과 질식 유동의 천이가 발생하는 임계압력비는 간헐적 분사의 영향으로 운전 조건에 따라 변하는데, 이에 따라 분사 펄스폭 당 분사 유량의 변화를 초래하여 정밀 연료 계량에 악영향을 줄 수 있으므로 운전 조건에 따라 천이가 발생하지 않는 레일 압력을 설정할 필요가 있다.
마지막으로 연료레일 내 압력을 일정하게 유지하는 것이 연료의 정밀 계량에 매우 중요하므로 레일에 공급되는 입구압력과 레일압력과의 관계를 고찰하였는데, 연료레일의 압력강하는 설정 레일압력, 분사 펄스폭, 기관 회전속도 등 여러 가지 요인들이 작용하지만 입구압력에 가장 큰 영향을 받으며, 입구압력과 레일압력의 차이가 일정압력 이상이 되면 앞서 언급한 요인들은 압력강하에 영향을 미치지 못한다. 따라서 입구압력을 충분히 확보하고 적절한 밸브를 사용하여 연료 레일의 압력을 운전 조건과 관계없이 일정하게 유지할 수 있다.
목차
I. 서 론 1II. 실험 장치 및 실험 방법 41. 실험 장치 42. 실험 방법 8III. 실험 결과 및 고찰 121. 조건별 분사유량 특성 122. 가스유동 조건에 따른 분사유량 153. 입구압력에 따른 압력강하 특성 28IV. 결 론 50참고문헌 52영문초록(Abstract) 55감사의글
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