커먼레일 디젤엔진의 발전기용 최적설계에 관한 연구 :A Study on the Design of Common Rail Diesel Engine for Generator Application

김승철

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김승철 (홍익대학교, 弘益大學校大學院)

지도교수: 김청균

발행연도: 2020

저작권: 홍익대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수17

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2020

커먼레일 디젤엔진의 발전기용 최적설계에 관한 연구

김승철 機械工學科 2020.01 학위논문

2016

커먼레일 디젤엔진 발전기의 연소상태 개선에 따른 연비절감을 위한 수치해석

김승철 , 김청균 한국가스학회지 2016.08 학술저널

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본 연구에서는 국내 최초로 차량용 커먼레일 디젤엔진이 발전기용으로 적용되도록 엔진 성능 인자에 대한 수치적 해석 및 실험을 수행하여 엔진의 성능 영향 인자에 대한 재조정으로 최적 설계가 이루어지는 데이터를 제시하고자 한다.
본 연구에 사용된 커먼레일 디젤엔진은 기존 디젤 차량에 사용되었던 엔진을 재제조한 것으로, 발전기용으로 재활용하기 위해서는 디젤 차량용의 운전조건에 적합하도록 세팅되었던 성능 영향 인자를 바꿔 주어야 한다. 즉, 엔진 발전기는 회전속도가 일정한 상태로 운전되어야 전력을 생산할 수 있기 때문에, 기존의 차량용 디젤엔진을 발전기용으로 사용하기 위해서는 정속주행에 최적인 엔진 성능 인자에 대한 재조정이 필요하다.
이를 위해, 커먼레일 디젤엔진의 성능을 발전기용으로 사용하기에 적합하도록 수치해석과 실험을 실시한 후, 그 결과 값을 상호 비교하여 그 타당성을 검증하고, 여기서 확보된 데이터를 발전기용의 운전제어 조건으로 제시하였다.
발전기용 엔진제어 세팅 값은 성능에 많은 영향을 미칠 것으로 예상되는 연료 분사 계통, 흡배기계통, 연소실 형상을 변수로 설정하였다.
먼저, 연료 분사 계통에서는 전 운전 및 전 부하용으로 세팅된 차량용 커먼레일 디젤엔진 제어 조건을 발전기 운전조건인 정속주행에 최적화되도록 연료 분사 시기를 재조정하고, 연료소비율이 향상되는 세팅 값을 얻고자 하였다.
또한, 흡배기계통의 성능개선을 위해서는 차량 운전조건에 맞도록 정해진 밸브의 개폐 시기를 발전기용의 정속 운전조건에 적합하도록 밸브 타이밍을 변화시켜 흡·배기 유동해석을 통한 운전 효율 향상이 높아지도록 하였다.
마지막으로 연소실 형상 변화를 통한 성능향상은 피스톤 형상 5가지를 설정한 후, 각 타입별 연소실 내부에서의 연소 특성을 파악하여 발전기용으로 작동함에 대한 엔진의 연비향상과 배출가스 저감에 가장 유리한 형상을 찾고, 이에 대한 최적 설계가 도출되도록 연구를 수행하였다.
상기와 같이 발전기용으로 재활용되는 재제조 커먼레일 디젤엔진의 성능향상과 배출가스 저감에 필요한 설계 인자를 찾아내고, 수치해석과 실험을 통해 발전기용으로의 최적 설계가 이루어지도록 연구를 수행하였다.

In this study, It was proposed the data of the optimal design by re-adjusting the engine performance factors by performing numerical analysis and experiment on engine performance factors for the first time in Korea.
The common rail diesel engine used in this study was a remanufacturing engine used in existing diesel vehicles. To recycle the generator, it was necessary to change the performance influencing factors set for the operating conditions of the diesel vehicle. That was, since the engine generator could produce power only when the rotational speed of engine was constant, it was necessary to readjust the engine performance factor that was optimal for constant engine speed in order to use the existing vehicle diesel engine for the generator.
To this end, numerical analysis and performance experiments were carried out so that the performance of the common rail diesel engine was suitable for use as a generator, and the results were compared with each other to verify the validity, and the data obtained here was presented as the operation control condition for the generator.
The engine control setting values for the generators were set to variables such as fuel injection system, intake and exhaust system, and combustion chamber shape which were expected to have a great effect on performance.
First, in the fuel injection system, the specific fuel consumption rate was improved by adjusting the fuel injection timing so that the vehicle common rail diesel engine control condition set for full operation and full load is optimized for constant speed driving, which was a generator operation condition.
In addition, in order to improve the performance of the intake and exhaust system, the valve timing was changed so that the opening and closing timing of the valve which was determined to be suitable for the vehicle driving condition was adapted to the constant speed driving condition for the generator, thereby improving the driving efficiency adapting the numerical analysis in a intake and exhaust flow.
Finally, the performance improvement adapting the change of the combustion chamber shape was set to five types of piston shape, and after examining the combustion characteristics inside the combustion chamber for each type, it was the most advantageous shape for improving the fuel efficiency of the engine and reducing the emission for the generator. The research was conducted to find the optimal design.
As mentioned above, the design factors needed to improve the performance of the remanufacturing common rail diesel engine recycled for the generator and to reduce the emission were found, and the study was carried out to achieve the optimum design for the generator through numerical analysis and experiments.

제 1 장 서 론
1.1 연구배경 1
1.2 연구목적 5
1.3 연구동향 9
1.4 연구내용 10
제 2 장 이론적 모델
2.1 연료분사계통 모델 11
2.1.1 고압공급펌프 15
2.1.2 축압실과 노즐부 17
2.1.3 파이프 19
2.2 GT-POWER 모델 20
2.2.1 연소모델 20
2.2.2 배기모델 24
2.2.3 흡·배기계 유동 모델 30
2.2.4 열전달 모델 32
2.3 열정산 모델 33
2.3.1 열발생률 모델 33
2.3.2 실린더 가스의 압력값에 대한 미분과 필터링 33
제 3 장 수치해석
3.1 연료분사계통 35
3.1.1 해석절차 및 방법 35
3.1.2 해석결과 및 분석 38
3.2 GT-POWER 46
3.2.1 해석절차 및 방법 46
3.2.2 해석결과 및 분석 53
3.3 해석 검증 59
3.3.1 실린더 압력 비교 검증 59
3.3.2 열발생률 비교 검증 60
제 4 장 실험 및 설계분석
4.1 실험장치 64
4.1.1 엔진 및 동력계 66
4.1.2 엔진 전자제어장치 및 작동 센서 70
4.1.3 스로틀 밸브 개폐장치 72
4.1.4 배출가스 분석장치 72
4.2 실험방법 75
4.3 실험결과 78
4.4 연료분사시기 분석 83
4.4.1 분석 목표 83
4.4.2 분석 방법 83
4.4.3 분석 결과 86
4.5 흡·배기 밸브 타이밍 분석 92
4.5.1 분석 목표 92
4.5.2 분석 방법 92
4.5.3 분석 결과 95
4.6 피스톤 형상 분석 101
4.6.1 분석 목표 101
4.6.2 분석 방법 101
4.6.3 분석 결과 103
제 5 장 결 론
5.1 수치해석 107
5.2 실험 108
5.3 해석검증 108
5.4 발전기 적용 최적설계 109
5.4.1 연료분사시기 변경 109
5.4.2 흡·배기 밸브 타이밍 변경 109
5.4.3 피스톤 형상 변경 110
참고문헌 111

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