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        • KCI등재

          6 L급 압축착화 기관에서 천연가스-디젤 반응성 조정 연소 시 부하에 따른 배기 재순환율이 출력 및 열효율에 미치는 영향 분석

          이선엽(Sunyoup Lee),이석환(Seok-Hwan Lee),김창기(Chang-Gi Kim),이정우(Jeong-Woo Lee) 한국가스학회 2020 한국가스학회지 Vol.24 No.6

          반응성 조정 압축착화 (Reactivity Controlled Compression Ignition, RCCI) 연소는 착화원인 디젤 연료를 압축 행정 중 이른 시점에 미리 분사하여, 공기와 미리 섞여 들어온 천연가스 연료뿐만 아니라 디젤 연료 자체도 미리 연소전에 공기와 혼합하여 착화를 이루는 전체 예혼합 혼소(Dual-fuel combustion) 방식의 일종이다. 따라서 기존의 혼소 방식 중에서도 RCCI 연소는 질소산화물(Nitrogen Oxides, NOx) 및 매연(Smoke)을 획기적으로 줄일 수 있고, 또한 높은 열효율을 유지할 수 있는 장점을 지니고 있다. 특히 연소 중 NOx의 발생은 연소 온도와 국부적인 당량비에 관계된 상황에서 당량비를 낮추기 위해 예혼합율을 높이는 시도뿐만 아니라 , 연소 온도 감소를 위한 배기재순환(Exhuast Gas Recirculation, EGR)을 적용하는 것이 효과적이다. 그러나 배기재순환은 대개의 경우 터보차저의 압축기 전단에서 추출하는 HP-EGR(High Pressure-EGR) 방식을 적용하는 경우가 많으므로, EGR율을 높일 경우 터빈으로 공급되는 배기의 양이 줄어 배기 엔탈피 감소로 인해 과급이 줄어드는 악영향을 초래할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 서로 다른 두 운전조건에서 천연가스-디젤 RCCI 연소를 시행할 때, EGR율 변화에 따른 엔진 시스템의 제동 출력 및 열효율의 변화에 대하여 실험적으로 분석하였다. 실험 조건은 1,200 rpm/29 kW 수준의 조건과 1,800 rpm/90 kW 이하 조건에서 수행하였으며 NOx와 smoke의 배출조건은 Tier-4 final 배기규제를 기준으로 삼았으며 엔진의 내구성을 고려하여 최고 연소압력은 160 bar를 넘지 않게 제어하였다. 그 결과 1,200 rpm/29 kW 조건에서는 EGR율을 4에서 30 %로 높이더라도 출력 및 열효율의 변화는 미미하였으나, 1,800 rpm 조건에서는 EGR율을 4에서 28 %로 증가할 경우 최대 과급 압력이 2.3에서 1.8 bar로, 최고 출력은 90에서 65 kW로, 열효율은 37에서 33 %로 감소함을 알 수 있었다. 따라서 효과적인 EGR공급을 위해서는 현재 압축기 전단에서 추출하는 EGR을 후단에서 추출하는 LP-EGR (Low Pressure EGR) 시스템이 효과적일 수 있음을 시사한다. Reactivity controlled compression ignition (RCCI) combustion is one of dual-fuel combustion systems which can be constructed by early diesel injection during the compression stroke to improve premixing between diesel and air. As a result, RCCI combustion promises low nitrogen oxides (NOx) and smoke emissions comparing to those of general dual-fuel combustion. For this combustion system, to meet the intensified emission regulations without emission after-treatment systems, exhaust gas recirculation (EGR) is necessary to reduce combustion temperature with lean premixed mixture condition. However, since EGR is supplied from the front of turbocharger system, intake pressure and the amount of fresh air supplementation are decreased as increasing EGR rate. For this reason, the effect of various EGR rates on the brake power and thermal efficiency of natural gas/diesel RCCI combustion under two different operating conditions in a 6 L compression ignition engine. Varying EGR rate would influence on the combustion characteristic and boosting condition simultaneously. For the 1,200/29 kW and 1,800 rpm/(lower than) 90 kW conditions, NOx and smoke emissions were controlled lower than the emission regulation of ‘Tier-4 final’ and the maximum in-cylinder pressure was 160 bar for the indurance of engine system. The results showed that under 1,200 rpm/29 kW condition, there were no changes in brake power and thermal efficiency. On the other hand, under 1,800 rpm condition, brake power and thermal efficieny were decreased from 90 to 65 kW and from 37 to 33 % respectively, because of deceasing intake pressure (from 2.3 to 1.8 bar). Therefore, it is better to supply EGR from the rear of compressor, i.e. low pressure EGR (LP-EGR) system, comparing to high pressure EGR (HP-EGR) for the improvement of RCCI power and thermal efficiency.

        • KCI등재

          스파크플러그 변화에 따른 가스 엔진 성능 변화

          이선엽(Sunyoup Lee) 한국가스학회 2013 한국가스학회지 Vol.17 No.6

          바이오가스, 매립가스와 같은 신재생 가스 연료는 Biomass, 유기성 폐기물 등으로부터 얻을 수 있기 때문에 대기 중의 이산화탄소를 증가시키지 않고 재순환시키는 탄소중립적인 특성이 있어 지구온난화에 대응할 수 있는 장점이 있다. 따라서 다량의 불활성가스로 인한 저발열량, 원료 및 공정에 따른 연료조성 변화 등의 단점에도 불구하고 이를 엔진에 적용하여 에너지를 생산하고자 하는 노력이 계속되어왔다. 이중에서도 연료조성의 변화는 엔진 성능에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 이에 대한 연구가 필요한 실정이다. 따라서 이번 연구에서는 신재생가스연료에 포함된 불활성가스의 양을 변화시켜 연료 조성 변화를 모사하고 이를 엔진의 연료로 사용함으로써 연료 조성의 변화가 엔진 성능 및 배기배출 특성에 주는 영향을 파악하였다. 또한 엔진 효율 및 배기 성능을 향상시키기 위한 방안에 하나로 보다 긴 전극을 갖는 스파크 플러그를 적용하였으며 그 결과를 기존의 Base 스파크 플러그 시험 결과와 비교하였다. Renewable gas fuels such as biogas and landfill gas are obtained from the biodegradable organic wastes so that they inherently have carbon-neutral nature which can respond global warming. Therefore, attentions are paid to use this renewable gases as a main fuel for internal combustion engines. However, the composition of the fuel varies by its origin or conversion process, it is necessary to make stable combustion and accomplish high efficiency when used in power generating spark ignition (SI) engines. In this study, efforts have been made to investigate the effect of the composition of renewable gas fuel on the engine performance and exhaust emissions. 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 harmful emissions.

        • 바이오가스용 60㎾급 디젤 혼소엔진 개발

          이선엽(Sunyoup Lee),박철웅(Chulwoong Park),김창기(Changgi Kim),원상연(Sangyeon Won),이장희(Jang Hee Lee) 한국자동차공학회 2009 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2009 No.11

          최근 에너지 이용에 있어 화두가 되고 있는 지속가능한 발전을 위해 전 세계적으로 온실가스 저감에 관한 연구가 다양한 분야에서 활발히 이루어지고 있다. 그 중에서도 폐기물이나 Biomass로부터 생성되는 바이오가스를 왕복동 내연기관과 같은 대표적인 분산형 시스템에 바로 적용하여 전기에너지를 생산하는 것은 저탄소사회 실현을 위한 최선의 방법 중 하나라 할 수 있다. 이를 위해 이번 연구에서는 바이오가스를 이용한 발전용고효율 전소엔진을 개발하기 위한 전 단계로서 60㎾급 디젤 혼소엔진을 개발하였다. 저발열량의 바이오가스를 모사하기 위해 메탄(CH₄)에 N₂를 희석하여 연료로 사용하였으며 디젤 연료 분사를 제어하기 위한 인젝터 드라이버 장치 및 ECU를 적용하였다. 실험결과로 바이오가스 혼소율, 디젤 연료분사방법, 출력 등에 따른 엔진출력, 효율, 그리고 연소 성능 등을 제시하였다.

        • KCI등재

          디젤 저온연소 운전 영역에서 흡기압이 엔진 성능에 주는 영향

          이선엽(Sunyoup Lee),장재훈(Jae Hoon Chang),이용규(Yonggyu Lee),오승묵(Seungmook Oh),김용래(Yongrae Kim),김득상(Duksang Kim) 한국자동차공학회 2012 한국 자동차공학회논문집 Vol.20 No.1

          One of the effective ways to reduce both NOx and PM at the same time in a diesel CI engine is to operate the engine in low temperature combustion (LTC) regimes. In general, two strategies are used to realize the LTC operation-dilution controlled LTC and late injection LTC - and in this study, the former approach was used. In the dilution controlled regime, LTC is achieved by supplying a large amount of EGR to the cylinder. The significant EGR gas increases the heat capacity of in-cylinder charge mixture while decreasing oxygen concentration of the charge, activating low temperature oxidation reaction and lowering PM and NOx emissions. However, use of high EGR levels also deteriorates combustion efficiency and engine power output. Therefore, it is widely considered to use increased intake pressure as a way to resolve this issue. In this study, the effects of intake pressure variations on performance and emission characteristics of a single cylinder diesel engine operated in LTC regimes were examined. LTC operation was achieved in less than 8% O₂ concentration and thus a simultaneous reduction of both PM and NOx emission was confirmed. As intake pressure increased, combustion efficiency was improved so that THC and CO emissions were decreased. A shift of the peak Soot location was also observed to lower O₂ concentration while NOx levels were kept nearly zero. In addition, an elevation of intake pressure enhanced engine power output as well as indicated thermal efficiency in LTC regimes. All these results suggested that LTC operation range can be extended and emissions can be further reduced by adjusting intake pressure.

        • KCI등재

          바이오가스 내의 불활성 가스 성분 변화가 SI 엔진 성능에 주는 영향

          이선엽(Sunyoup Lee),박승현(Seunghyun Park),박철웅(Cheolwoong Park),김창기(Changgi Kim),이장희(Janghee Lee),우세종(Sejong Woo) 한국가스학회 2012 한국가스학회지 Vol.16 No.5

          바이오가스는 Biomass, 유기성 폐기물 등의 혐기소화 공정을 통해 얻을 수 있는 대표적인 신재새연료로 저발열량에도 불구하고 탄소중립적인 특성이 있기 때문에 이를 엔진에 적용하여 에너지를 생산하고자 하는 노력이 계속되어왔다. 바이오가스는 원료의 종류 및 혐기소화 공정 조건에 따라 그 연료 조성이 달라질 수 있는데, 이러한 조성 변화는 엔진 성능에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 이에 대한 연구가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 바이오가스 연료 내 불활성가스의 종류 및 비율을 변화시켜 모사하고 이를 이용하여 바이오가스 내 불활성가스 종류의 변화가 엔진 성능 및 배기 특성에 주는 영향을 파악하였다. 실험 결과로 각 불활성가스 종류 및 함량에 따른 최적 점화시기를 결정하였으며, 불활성 가스 조성 변화가 엔진 출력, 효율, 배기 성능에 미치는 영향을 제시하였다. Biogas can be obtained from biogenic materials through an anaerobic digestion process. Since biogas has low calorific value and its composition significantly varies, appropriate combustion strategies need to be established to obtain stable combustion in engine applications. In this study, efforts have been made to investigate the effects of inert gas composition variations on engine performance and emissions. Results show that the MBT spark timing was advanced and NOx was reduced as the inert gas in the biogas rose. Moreover, NOx emission drop in CO₂ diluted biogas was more significant than that of N₂ due to higher heat capacity of CO₂ while THC emissions showed the opposite tendency. Thermal efficiency was increased in N₂ case with elevation of N₂ due to the decreased heat loss and PMEP. However, there is no difference in CO₂ case because of deteriorated flame propagation speed.

        • KCI등재후보

          수소 혼합 천연가스 연료 엔진의 아이들 연비에 관한 연구

          이선엽(Sunyoup Lee),김영민(Youngmin Kim),이장희(Janghee Lee) 한국에너지학회 2010 에너지공학 Vol.19 No.3

          천연가스-수소 혼합가스를 엔진 연료로 사용하는 방법은 배기가스 저감뿐만 아니라 다가올 수소에너지 시대를 대비하여 수소 인프라를 구축하는 데도 의의가 있다. 또한 수소 혼합 천연가스 연료 엔진은 천연가스엔진 보다 더 높은 열효율 확보할 수 있어 에너지의 효율적 사용에 있어서도 매우 우수한 연료이다. 본 연구에서는 시내버스가 가장 많이 운전되는 조건인 아이들 조건을 대상으로 수소 혼합 천연가스 연료가 연료소모량과 배기가스 저감에 미치는 영향을 파악하였다. 실험 결과 수소 혼합 천연가스 연료는 천연가스에 비해 아이들 조건에서 연료소비율이 20%이상 저감되었으며 유해 배출가스인 THC, NOx를 근원적으로 저감시킴을 확인할 수 있었다. Using a hydrogen blended compressed natural gas (HCNG) as a fuel for IC engines has a significant meaning in terms of achieving a reduction of automotive exhaust emissions as well as preparing for an upcoming hydrogen economy by constructing hydrogen infrastructure. In addition, a HCNG engine has higher thermal efficiency than a CNG engine, which is another advantage that makes HCNG fuel considered as a future alternative for natural gas. Therefore, in this study, idling operation of a 11 litre HCNG bus engine was investigated in terms of fuel consumption rate and emissions characteristics. The results show that fuel consumption rate was decreased more than 20% by use of HCNG and all the emissions were significantly reduced in idling condition.

        • 디젤 저온연소 운전 영역에서 흡기압이 엔진 성능에 주는 영향

          이선엽(Sunyoup Lee),장재훈(Jae Hoon Chang),이용규(Yonggyu Lee),오승묵(Seungmook Oh) 한국자동차공학회 2010 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2010 No.11

          디젤 저온연소 기술은 엔진 연소실 내부의 화학반응이 질소산화물(NOx) 및 입자상물질(PM)의 발생이 동시에 억제되는 저온연소 영역에서 이루어지도록 하는 신개념의 연소 기술이다. 이 때 저온 연소는 대용량의 EGR을 공급하여 연소실 내 가스의 비열을 높이고 연소실 내 산소 농도를 조절하는 방법과 적당량의 EGR을 공급하는 대신 디젤 연료를 TDC근처에서 분사하는 late-injection 방법으로 달성할 수 있는데, 이번 연구에서는 대용량의 EGR을 공급함으로써 저온 산화반응을 활성화하는 방법을 사용하였다. 그리고 이를 통해 저온연소 운전영역에서 흡기압력의 변화가 엔진의 출력 및 배기성능에 주는 영향을 디젤 단기통 엔진을 이용하여 조사하였다. 단기 통엔진의 실험 결과를 살펴보면 저온연소 운전은 산소농도8% 이하에서 성공적으로 구현되었으며 그 결과 질소 산화물과 입자상물질이 동시에 저감됨을 확인하였다. 하지만 저온연소 운전은 일반 디젤 연소에 비해 엔진 효율이 감소하고 출력이 낮아짐을 볼 수 있었으며 연소 온도 저하로 인해 THC 및 CO 배출 역시 증가함을 알 수 있었다. 저온 연소 영역에서 흡기압력의 영향을 보면 흡기 압력이 높아짐에 따라 더 낮은 산소농도 조건에서 Smoke의 발생이 최대가 될 뿐만 아니라 연소효율이 역시 향상되어 THC 및 CO의 배출이 감소함을 알 수 있었으며, 질소산화물의 경우 저온연소 영역에서는 흡기압력에 관계없이 거의 발생하지 않음을 확인 할 수 있었다. 또한 흡기 압이 높아질수록 엔진 출력 및 효율이 향상됨을 볼 수 있었으며 이로부터 흡기 압력 제어를 통한 저온연소 운전 영역 확대 및 배기 성능 향상 가능성을 확인하였다.

        • KCI등재

          대형 천연가스/디젤 혼소 엔진에서 압축비 및 피스톤 보울 형상에 따른 디젤 분사시기 별 연소 및 배기 특성 비교 분석

          이정우(Jeongwoo Lee),이선엽(Sunyoup Lee),김창기(Changgi Kim),이석환(Seokhwan Lee),최영(Young Choi),최원빈(Wonbin Choi) 한국자동차공학회 2019 한국 자동차공학회논문집 Vol.27 No.5

          The governing combustion regimes were slightly different between the neat diesel and dual-fuel combustion conditions. Neat diesel combustion was based on the auto-ignition of heterogeneous mixture of air and diesel fuel, whereas dual-fuel combustion mainly consisted of pre-mixed combustion and some local flame propagation. Therefore, the condition of the combustion chamber should be modified so as to adjust to the dual-fuel combustion instead of the neat diesel combustion. For this reason, dual-fuel combustion characteristics were investigated in this research under two different pistons(compression ratio and bowl shape together) as varying diesel injection timings. Under 1,200 rpm and low load condition, the diesel injection timing varied from TDC to advance limit(CoV of gIMEP < 5 %), which differed as natural gas fractions(60 % and 80 %).

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