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연료 조성 및 스파크 플러그 위치 변경으로 인한 가스 엔진의 성능에 관한 연구
김용래(Yongrae Kim) 한국가스학회 2014 한국가스학회지 Vol.18 No.6
연료의 사용으로 인한 이산화탄소의 발생량을 줄일 수 있는 방법으로 바이오가스 또는 매립가스와 같은 신재생 가스 연료를 사용하는 방법이 도움이 될 수 있다. 그러나 다량의 불활성가스가 포함되어 있기 때문에 저발열량 및 연료 조성의 불균일함은 신재생 가스 연료를 발전용 엔진에 적용하는 경우, 엔진 성능에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 이에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 신재생가스연료에 불활성가스가 엔진 연소가 불안정한 정도로 많이 포함된 경우에 수소 연료를 첨가함으로써 연소 안정성을 개선할 수 있음을 확인하고, 엔진의 열효율 및 배기 특성과 같은 성능 변화에 대하여 살펴보았다. 또한 같은 조건에서 엔진 효율 및 배기 성능을 향상시키기 위한 방안으로 길이가 긴 전극을 갖는 스파크 플러그를 적용하여 효과가 있음을 확인하였다. Renewable gas fuels such as biogas and landfill gas have carbon-neutral nature which can reduce carbon dioxide. However, it is necessary to make stable combustion when this fuel is used in power generating SI(spark ignition) gas engines due to its low heating value and non-uniformity. In this study, it was shown that addition of hydrogen can increase combustion stability of gas engine which is running with high inert gas composition. Thermal efficiency and emission characteristics of this engine was also investigated. In addition, a new spark plug with a long electrode was tested and compared with a base spark plug as a way to improve engine efficiency and reduce exhaust emissions.
수소 연료를 적용한 소형 2행정 엔진 성능 특성에 관한 연구
김용래(Yongrae Kim),김선엽(Seonyoeb Kim),오세철(Sechul Oh),박철웅(Cheolwoong Park),최영(Young Choi) 한국가스학회 2020 한국가스학회지 Vol.24 No.6
수소 연료를 적용한 2행정 기반의 소형 SI 엔진의 성능 특성에 관하여 살펴보았다. 이를 위하여 주로 모형 항공기용으로 사용되는 210 cc급 엔진을 비롯하여 소형 동력계 및 수소연료와 엔진 오일 공급을 위한 장치를 포함한 실험을 구성하였다. 우선 가솔린 연료를 공급한 기본 상태의 엔진 출력과 토크를 측정해 보았으며, 최대 6 kW 수준의 출력을 확인하였다. 이후 수소 연료를 공급하면서 성능 시험을 수행하였는데, 수소의 경우에는 공기과잉율 기준 공연비가 낮아질수록 즉, 연료 공기 혼합기가 농후해 질수록 역화 현상이 발생하여 출력에 제한이 생길 뿐만 아니라 엔진 하드웨어에도 치명적인 영향을 줌을 확인하였다. 따라서 공기과잉율을 기준 수치 이상에서 엔진을 운전하며 안정적인 수준의 연소를 통하여 가솔린 성능의 절반 수준인 최대 3 kW 의 출력 성능이 나옴을 최종 확인하였다. In this study the possibility of hydrogen as a fuel in a small-sized two-stroke SI (Spark ignition) engine was investigated. For this purpose, experimental setup including an engine, a dynamometer, equipments for hydrogen and lubricant oil supply was prepared. And then preliminary experiments for the hydrogen-fueled engine combustion were conducted. In the case of hydrogen-fueled engines comparing to gasoline backfire occurs when the excess air ratio is lower than a specific value. This can cause engine power reduction and damage to the engine parts. The engine was controlled to operate at lean conditions to prevent backfire. Through the control of excess air ratio, the maximum engine brake power output of 3 kW was achieved in a 210 cc engine, while it was 6 kW in case of gasoline fuel.
디젤-CNG 혼소엔진에서 CNG 발열량 변화가 연소 특성에 미치는 영향
김용래(Yongrae Kim),장형준(Hyeongjun Jang),이장희(Janghee Lee),김창기(Changgi Kim) 한국가스학회 2015 한국가스학회지 Vol.19 No.6
2012년 7월부터 우리나라 천연가스 열량에 대한 기준이 기존의 표준열량제에서 열량범위제로 변경되면서 가정이나 산업체로 공급되는 가스 열량 변화가 가스기기 성능에 미치는 영향을 규명하고자 하는 노력이 이루어지고 있다. 특히 천연가스를 주 연료로 사용하는 열병합 발전용 엔진의 경우 이러한 열량 변화에 의해 엔진 성능 전반에 걸쳐 영향이 있을 것으로 예상된다. 따라서 이번 연구에서는 열량범위제를 고려한 CNG 열량 변화가 디젤-CNG 혼소엔진의 효율 및 연소특성에 미치는 영향에 대해 조사하였다. CNG 모사 연료의 발열량은 10,400kcal/Nm<SUP>3</SUP> 에서 9,400 kcal/Nm<SUP>3</SUP>까지 질소 가스를 CNG에 희석하는 방식으로 변경을 하였다. 우선 디젤연료의 분사 시기와 혼소율을 80%로 고정한 조건에서 가스연료의 발열량 변화가 엔진 효율 및 출력 변화에 미치는 영향을 살펴보았으며, 열방출율 및 연소압력 등의 변화를 측정하였다. 실험 결과로부터 가스 열량이 낮아질수록 엔진 출력과 효율이 모두 감소함을 알 수 있었으며, 점화지연시간과 연소기간은 가스 열량 감소에 관계없이 일정하게 유지되는 반면 최대연소압력은 낮아짐을 볼 수 있었다. In this study, a dual fuel engine fueled with natural gas and diesel was tested to investigate the effects of heating value variation of CNG fuel. CNG substitution rate which is defined as the ratio of CNG and diesel supplied in a heating value basis was fixed at 80%. The higher heating value was varied from 10,400 kcal/Nm<SUP>3</SUP> to 9,400 kcal/Nm<SUP>3</SUP> by mixing nitrogen gas with pure CNG and diesel fuel was injected at a fixed injection timing. The engine test results showed that thermal efficiency and power output were decreased as the heating value of mixed CNG fuel was decreased. And the peak cylinder pressure was also decreased but the ignition delay time and the combustion duration and timing were almost same.
김용래(Yongrae Kim),김선엽(Seonyoeb Kim),최지선(Jisun Choi),박철웅(Chelwoong Park),최영(Young Choi) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 지부 학술대회 논문집 Vol.2021 No.5
In this study the possibility of hydrogen as a fuel in a small-sized two-stroke SI (Spark ignition) engine was investigated. For this purpose, experimental setup including an engine, a dynamometer, equipments for hydrogen and lubricant oil supply was prepared. And then preliminary experiments for the hydrogen-fueled engine combustion were conducted. In the case of hydrogen-fueled engines comparing to gasoline backfire occurs when the excess air ratio is lower than a specific value. This can cause engine power reduction and damage to the engine parts. The engine was controlled to operate at lean conditions to prevent backfire. Through the control of excess air ratio, the maximum engine brake power output of 3 kW was achieved in a 210 cc engine, while it was 6 kW in case of gasoline fuel.
수소 내연기관의 흡기 냉각 방법에 따른 최고 출력 향상에 관한 연구
김용래(Yongrae Kim),박철웅(Cheolwoong Park),오세철(Sechul Oh),최영(Young Choi),이정우(Jeongwoo Lee) 한국가스학회 2021 한국가스학회지 Vol.25 No.5
수소는 동일한 공연비(AF ratio, Air-to-fuel ratio)에서 가솔린에 비해 점화에너지가 현격히 낮기 때문에, 희박한 혼합기 조건에서도 안정적으로 연소할 수 있는 장점을 가지고 있어 연소를 기반으로하는 내연기관에도 적용이 가능하다. 그러나 일부 연소조건에서 역화(Back-fire) 혹은 조기 점화(Pre-ignition)와 같은 이상 연소가 발생하기 쉬운 문제를 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 엔진의 흡기(Intake gas mixture)를 구성하는 신기(Fresh air)와 수소 연료를 각각 냉각하여 공급함으로써, 역화를 최소화하여 최고 출력을 향상하는 연구를 진행하였다. 2.4 L급 전기점화(SI, Spark-ignition)엔진이 사용되었으며 수소는 포트분사 방식(PFI, Port Fuel Injection)으로 공급하였다. 신기의 온도는 터보차저가 장착된 상황에서 인터쿨러(Intercooler)를 이용하여 제어하였으며, 수소의 냉각은 칠러의 냉매와 열교환기를 통하여 직접 냉각 후 공급하였다. 그 결과 신기의 온도를 10~20 ℃가량 냉각시킬 경우 최고출력이 약 6.5~8.6 % 가량 향상되는 것을 확인할 수 있었으며, 수소를 –6 ℃까지 냉각하여 공급할 경우 마찬가지로 약 7.7 % 가량의 최고 출력을 향상할 수 있었다. Since hydrogen has the lower minimum ignition energy than that of gasoline, hydrogen could be also appropriate for the IC engine systems. However, due to the low ignition energy, there might be a ‘back-fire’ and ‘pre-ignition’ problems with hydrogen SI(Spark-ignition) combustion. In this research, cooling effects of intake gas mixture on the improvement of the maximum power output were evaluated in a 2.4 L SI engine. There were two ways to cool intake gas mixtures. The first one was cooling intake fresh air by adjusting inter-cooler system after turbocharger. The other one was cooling hydrogen fuel before supplying by using heat ex-changer. Cooling hydrogen was performed under natural aspired condition. The result showed that cooling fresh air from 40 ℃ to 20~30 ℃ improved the maximum brake power up to 6.5~8.6 % and cooling hydrogen fuel as –6 ℃ enhanced the maximum brake power likewise.