이론공연비 수소-천연가스엔진의 성능 및 노킹특성 평가 분석

이의형(Ui Hyung Yi),이성원(Sung Won Lee),이선엽(Sun Youp Lee),최영(Young Choi),김창기(Chang Gi Kim) 대한기계학회 2015 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.열공학 No.-

GPF 종류에 따른 직접분사식 가솔린 엔진의 입자상 물질 저감특성

이의형(Ui Hyung Yi),박철웅(Cheolwoong Park),이선엽(Sunyoup Lee),임종한(Jong Han Lim) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集B Vol.39 No.4

세계적인 배출가스 규제의 강화와 함께 화석 연료의 매장량 감소와 유가 상승은 새로운 엔진 기술 개발을 촉진시켰다. 가솔린 직접 분사(GDI; Gasoline Direct Injection) 엔진은 연료를 직접 연소실에 공급하고 정밀한 연소제어를 통해 공연비가 희박한 혼합 상태에서도 연소가 가능하게 하였는데, 이러한 방식은 기존 포트 분사 엔진보다 연비와 출력을 모두 향상시킬 수 있다. 하지만 GDI엔진은 디젤 엔진의 경우와 마찬가지로 soot 발생률이 높아짐에 따라 입자상 물질의 배출이 증대되는 문제를 안고 있다. 이러한 문제를 해소하고자 본 연구에서는 가솔린 입자상 물질 필터(GPF; Gasoline Particulate Filter)를 개발하여 입자상 물질의 배출정도를 저감시키고자 하였다. 필터의 설계 효율에 따라 3가지의 Metal foam 필터와 단일 Metal fiber 필터를 실험에 적용하여 PM과 PN의 저감률을 비교하였다. In the recent times, the use of gasoline direct injection (GDI) engines has been regarded as a means of enhancing conformance to emission regulations and improving fuel efficiency. GDI engines have been widely adopted in the recent years for their better engine performance and fuel economy compared to those of conventional MPI gasoline engines. However, they present some disadvantages related to the mass and quantity of particulate matter generated during their use. This study investigated the nanoparticle characteristics of the particulate matter exhausted from a GDI engine vehicle installed with different types of gasoline particulate filters, after subjecting it to ultra-lean burn driving conditions. Three metal foam and metal fiber filters were used for each experimental condition. The number concentrations of particles were analyzed for understanding their behavior, and the reduction characteristics were obtained for each type of filter.

HCNG엔진용 삼원촉매의 정화성능 평가

이의형(Ui Hyung Yi),이성원(Sung Won Lee),박철웅(Cheol Woong Park),이선엽(Sun Youp Lee),최영(Young Choi),김창기(Chang Gi Kim) 한국가스학회 2015 한국가스학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.11

승용차량 삼원촉매 노후화에 따른 배출가스 특성 연구

이의형(Ui Hyung Yi),이성원(Sung Won Lee),김민기(Min Ki Kim),김민재(Min Jae Kim),조규백(Gyu Baek Cho) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.5

고고도 무인기용 수소연료엔진의 냉각수 온도변화에 따른 연소 특성

이의형(Ui-Hyung Yi),장형준(Hyeong-Jun Jang),박철웅(Cheol-Woong Park),김용래(Yong-Rae Kim),최영(Young Choi) 한국가스학회 2018 한국가스학회지 Vol.22 No.2

최근 무인기에 대한 관심과 수요가 높아지고 있는 가운데, 가동범위가 넓고 전략적으로 활용이 많은 고고도 장기체공 무인기의 동력원개발이 연구 목표로 검토되었다. 기존 왕복동 엔진에 수소 연료를 적용하는 기술은 현행으로써 적용성이 용이하고 경제적이다. 수소는 중량당 에너지 밀도가 높아서 한 번 충전으로 장시간 운항을 지속할 수 있고 환경적인 측면에서도 무공해 연료라는 긍정적인 부분이 존재하기 때문에 적합하다고 평가된다. 하지만 현재 수소연료를 왕복동 엔진에 적용한 개발사례가 적은 편이라 향후 기술적으로 많은 연구가 필요한 것으로 판단된다. 항공기는 운항고도에 따라 공기밀도 저감으로 인한 냉각성능 저하 또는 복사열 감소에 의한 주변온도 강하로 과냉각이 될 수 있는 요인들이 존재한다. 따라서 본 실험은 냉각수온을 변화시켜서 이러한 주변온도 변화가 수소연료 엔진에 미치는 연소특성에 대해 살펴보았다. 역화에 의한 안정적인 운전 영역의 제한은 냉각수 온도변화에 의한 영향보다 공기과잉률에 의한 영향이 지배적으로 나타났으며, 냉각수 온도가 증가할 경우 충진효율이 감소하여 토크가 감소하고 냉각수 온도가 감소할 경우 열손실이 증가하여 열효율이 감소하였다. Using hydrogen fuel is expected to be suitable as a reciprocating internal combustion engine with heightened interest in HALE(High Altitude Long Endurance) UAV(Unmanned Aerial Vehicle). Hydrogen is hightest energy density per mass so it can continue to charge for long periods of time and have positive part of the environmental effects. However, it is estimated that there is less research on hydrogen fuel engine currently applied, and many studies need to be done. Depending on the operation, there are factors that result in supercooling due to reduced radiation or reduce cooling performance due to low air density. Therefore, the experiment was to change the temperature of the cooling water and investigate the effect on engine combustions. The limitation of the stable operation range due to backfire is dominated by the excess air ratio rather than the effect of the cooling water temperature change. When the cooling water temperature increases, the volumetric efficiency decreases and the torque decreases. As the cooling water temperature decreases, the heat loss was increased and consequently the thermal efficiency was decreased.

수소-천연가스 혼합연료 엔진의 삼원촉매 전환효율 특성 연구

박철웅(Cheol-Woong Park),이의형(Ui-Hyung Yi),김창기(Chang-Gi Kim),이장희(Janghee Lee) 한국가스학회 2016 한국가스학회지 Vol.20 No.6

천연가스를 이용한 기존 엔진들은 효율이 우수한 희박연소를 구현하였지만 배기가스의 정화성능이 점차 강화되는 배기규제에 대응하기 위해, 이론공연비 연소 방식으로 관심이 옮겨지고 있다. 이론공연비 연소 방식은 유해 배출가스의 정화효율이 높은 삼원촉매를 사용할 수 있는 장점이 있지만, 높은 연소열 발생에 따른 열내구성 문제와 연비가 해결과제로 남아 있다. 천연가스에 수소를 혼합한 수소-천연가스 혼합연료(HCNG))는 수소의 빠른 연소속도에 의한 영향으로 연소속도가 증가하고, 희박한계가 증가하여 배기가스재순환(Exhaust gas recirculation; EGR) 률의 공급을 증가할 수 있다. EGR률 상승은 연소온도를 낮추게 되어 엔진 열 내구성에 긍정적인 영향을 줄 수 있고, 압축비를 더욱 증가 시킬 수 있어서 효율적인 연소조건을 형성하도록 도움을 줄 수 있다. 본 연구에서는 기존 대형 가스엔진을 이용하여 개발한 이론공연비 연소 방식의 HCNG 엔진의 배출가스 저감을 최소화하기 위해, 삼원촉매를 개발 및 적용하여 배기가스 특성을 평가하고 분석하고자 하였다. 현재 상용화된 시내버스용 삼원촉매와 HCNG용으로 개발 중인 시제 삼원촉매를 각각 설치하여 정상상태 운전조건 및 과도운전조건에서 실험을 진행하고 모드실험 결과를 비교하였다. The conventional natural gas engine realized lean combustion for the improved efficiency. However, in order to cope with exhaust gas regulations enforced gradually, the interest has shifted at the stoichiometric mixture combustion system. The stoichiometric mixture combustion method has the advantage of a three-way catalyst utilization whose purification efficiency is high, but the problem of thermal durability and the fuel economy remains as a challenge. Hydrogen-natural gas blend fuel (HCNG) can increase the rate of exhaust gas recirculation (EGR) because the hydrogen increases burning speed and lean flammability limit. The increase in the EGR rate can have a positive impact on heat resistance of the engine due to the decreased combustion temperature, and further can increase the compression ratio for efficient combustion. In this study, to minimize the exhaust emission developed HCNG engine with stoichiometric combustion method, developed three-way catalyst was applied to evaluate the conversion characteristics. The tests were carried out during the steady state and transient operating conditions, and the results were compared for both the conventional and proto-three-way catalyst of HCNG engine for city buses.

압축비 변경에 따른 이론공연비 HCNG 엔진의 연소특성 연구

이성원(Sung Won Lee),이의형(Ui Hyung Yi),이선엽(Sun Youp Lee),최영(Young Choi),김창기(Chang Gi Kim) 대한기계학회 2015 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.열공학 No.-

운전조건 변화가 HCNG 엔진용 삼원촉매 전환효율에 미치는 영향

김창기(Chang-Gi Kim),이성원(Sung-Won Lee),이의형(Ui-Hyung Yi),박철웅(Cheol-Woong Park),이선엽(Sun-Youp Lee),최영(Young Choi),이장희(Jang-Hee Lee) 한국가스학회 2015 한국가스학회지 Vol.19 No.6

이론공연비방식 엔진은 삼원촉매를 이용하여 유해배기가스를 매우 효과적으로 저감시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 삼원촉매는 높은 정화효율을 보이는 공연비범위가 좁기 때문에 엔진에서의 공연비 제어가 매우 중요하다. 본 연구에서는 삼원촉매 성능을 평가하기 위하여 다양한 운전영역에서 삼원촉매의 전환효율을 비교 분석하였다. 최적의 전환효율을 보이는 당량비를 확인하기 위하여 당량비 제어값 변화에 의한 전환효율을 살펴보았다. 실험결과 당량비 제어를 통하여 각 운전조건에서 NMHC, CH4, CO 및 NOx의 전환효율이 95%이상 나타내는 최적 운전조건을 찾을 수 있었다. 동등한 배기가스 온도 조건에서는 출력이 증가할수록 최적당량비가 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. Stoichiometric combustion engine with Three-way catalyst had an advantage that can reduce the harmful emissions effectively. Fuel equivalence ratio controlled from engine is very important because Fuel equivalence ratio with high conversion efficiency was narrow. This study analyzed the conversion efficiency under whole range of operating area for to evaluate the performance of three-way catalyst. In order to identify the Optimum conversion efficiency, the conversion efficiency due to change the control value of fuel equivalence ratio was investigated. The result show that conversion efficiency of emissions(more than 95%) has discovered by means of fuel equivalence ratio control at each test condition. As engine power increases, optimal fuel equivalence ratio tended to increase linearly under operating conditions of similar exhaust gas temperature.

초희박 직접분사식 가솔린 엔진용 삼원촉매의 운전조건에 따른 배기저감 특성

박철웅(Cheol Woong Park),이선엽(Sun Youp Lee),이의형(Ui Hyung Yi),이장희(Jang Hee Lee) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集B Vol.39 No.9

세계적으로 유가 상승에 따른 내연기관의 에너지 변환 효율을 높이고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 가솔린엔진에서 높은 열효율을 실현하기 위해서는 희박연소에 의한 비열비의 증가 및 단열화염온도의 저감에 의한 열효율 향상이 필수적이다. 직접분사식 가솔린 엔진은 연료를 직접 연소실에 공급하고 정밀한 연소제어를 통해 희박 연소가 가능하게 하지만 희박연소 한계의 확대와 안정된 희박연소제어가 요구된다. 희박연소 엔진에 대한 삼원촉매의 배출가스 저감특성은 높은 공기과잉률 및 낮은 배기가스 온도로 인해 매우 제한적이다. 이에 효과적인 삼원촉매의 개발을 위해 승용 차량용 엔진의 주요 연비시험 운전조건인 2000 rpm BMEP 2bar 조건에서 공기과잉률의 변화에 따른 배출가스 반응 및 생성 특성을 비교하였다. 희박연소 조건에서 NO₂가 생성되었으며, NO₂의 비율은 공기과잉률이 증가할수록 증가하고 N₂O는 감소하였다. Recently, because of the increased oil prices globally, there have been studies investigating the improvement of fuel-conversion efficiency in internal combustion engines. The improvements realized in thermal efficiency using lean combustion are essential because they enable us to realize higher thermal efficiency in gasoline engines because lean combustion leads to an increase in the heat-capacity ratio and a reduction of the combustion temperature. Gasoline direct injection (GDI) engines enable lean combustion by injecting fuel directly into the cylinder and controlling the combustion parameters precisely. However, the extension of the flammability limit and the stabilization of lean combustion are required for the commercialization of GDI engines. The reduction characteristics of three-way catalysts (TWC) for lean combustion engines are somewhat limited owing to the high excess air ratio and low exhaust gas temperature. Therefore, in the present study, we assess the reaction of exhaust gases and their production in terms of the development of efficient TWCs for lean-burn GDI engines at 2000 rpm / BMEP 2 bar operating conditions, which are frequently used when evaluating the fuel consumption in passenger vehicles. At the lean-combustion operating point, NO₂ was produced during combustion and the ratio of NO₂ increased, while that of N₂O decreased as the excess air ratio increased.