CNG 엔진 연료분사 시스템을 위한 압력 조절기의 압력-유량 특성연구. = Characteristics of Pressure and Flow Rate in a Pressure Regulator for CNG Engine Fuel Injection System.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, regulations for automobile exhaust gas have been strengthened, and reducing exhaust gas are urgently needed. Natural gas is the most noteworthy alternative fuel in the transport section. Natural gas has a relatively high calorific value and high octane number when it is used as an automobile fuel. It is also a very economical fuel because of low production cost. Furthermore, since methane is the main component, it emits less carbon dioxide and less sulfur oxides. However, commercially modified CNG vehicles have little effect on CO2 emission reduction. These vehicles have low fuel efficiency and acceleration performance due to the lack of control precision of fuel injection systems. Thus it is required to optimize the engine fuel injection system.
The pressure in the fuel rail must be taken into account in order to control the precise fuel quantity of the gas fuel and to ensure the proper injection in the SI engine. However, the pressure regulator causes a problem that the output pressure is lower than the setting pressure under a certain condition. As a result, the pressure of the fuel rail decreases and the amount of fuel injection decreases.
In this study, Characteristics of pressure and flow rate in a pressure regulator for the CNG engine fuel injection system have been investigated experimentally. Experiments were conducted using a compressed air instead of CNG fuel. Pressure sensors were installed in front and rear of the regulator to measure the pressure variation according to the stagnation pressure, the regulator setting pressure and the flow rate. The change of maximum flow rate was observed according to the stagnation pressure and the regulator setting pressure. And then, the characteristics of the minor loss coefficient of the regulator were analyzed.
The results of this study are as follows. The higher is the set pressure of the pressure regulator, the greater maximum flow rate that can be injected. The increase of the maximum flow rate tends to be reduced with the setting pressure. The inlet pressure of the pressure regulator decreases sharply and the outlet pressure is slightly lower than the set pressure as the flow rate increases.
The minor loss coefficient is inversely proportional to the square of the flow rate. By comparing the correlation curve of the minor loss coefficient for the constant stagnation pressure, it is known that the variation of the minor loss coefficient converges to one curve for a lager stagnation pressure or for a lower setting pressure of the pressure regulator. Therefore, the pressure difference between the stagnation pressure and the setting pressure should be maintained more than a certain pressure.

국문 초록 (Abstract)

최근 자동차 배기가스 규제가 강화되면서 배기가스 저감을 위한 대책 마련이 시급한 상황이다. 현재 수송 분야에서 대체연료로 주목 받고 있는 연료가 천연가스이다. 천연가스는 비교적 발열량이 크고 자동차 연료로 사용할 때 옥탄가가 높으며 생산원가가 저렴하여 매우 경제적인 연료이다. 또한 메탄이 주성분이므로 이산화탄소의 배출량이 적고 동시에 황산화물 등의 배출이 거의 없어 청정연료로 현재 매우 주목을 받고 있다. 하지만 현재 사용되고 있는 개조 CNG 차량은 이산화탄소 배출량 감소 효과가 미비하고 연비와 가속성능이 낮다. 이러한 현상은 엔진 연료 분사시스템의 제어 정밀도가 낮아서 발생하므로 기관제어의 기본이 되는 연료 분사 시스템을 최적화하여 보완할 수 있다. SI 기관에서 기체 연료의 정밀한 연료량 제어와 적정 분사유량 확보를 위해서는 연료레일의 압력을 고려해야한다. 그러나 압력 레귤레이터에 의해 특정조건에서의 출력 압력이 설정압력보다 떨어지는 문제점이 발생하게 되는데 이에 따라 연료레일의 압력이 감소하여 연료 분사량이 감소하게 된다.
본 연구에서는 CNG 엔진에서 사용되는 압력 레귤레이터에 대한 실험을 통해 CNG 연료 분사 시스템의 압력 및 유량 변동 특성을 확인하고 이를 최적화 하는 방안을 마련하고자 하였다. CNG 연료 대신 압축공기를 이용하여 실험하였고 레귤레이터 전단과 후단에 압력센서를 연결하여 정체 압력과 레귤레이터 설정 압력, 유량변화에 따른 압력변화를 측정하였다. 정체 압력과 레귤레이터 설정 압력에 따른 최대 유량 변화를 실험적으로 측정 분석하고 유량을 변화시키면서 레귤레이터 입구와 출구 압력의 변화를 관찰하여 부차적 손실 계수에 대한 특성을 파악하였다.
본 연구의 결과 다음과 같은 사실을 도출하였다. 압력 레귤레이터의 설정압력이 높아질수록 분사할 수 있는 최대유량이 증가하며 정체압력에 따른 변화는 미비하였다. 최대유량의 증가율은 설정압력이 커질수록 감소하는 경향을 보였다. 또한 각각의 실험에서 유량이 증가함에 따라 압력 레귤레이터의 입구 압력이 급격히 감소하고 출구 압력은 설정압력보다 약간 감소하였다.
실험을 통해 수집한 데이터를 종합하여 부차적 손실계수를 분석하였다. 유량이 증가함에 따라 부차적 손실계수가 유량의 제곱에 반비례하는 것을 확인하였다. 정체압력이 일정할 때의 부차적 손실계수의 상관곡선을 비교한 결과 정체압력이 높거나 압력 레귤레이터의 설정압력이 낮을 경우 부차적 손실계수의 변화가 하나의 곡선으로 정확하게 수렴하였다. 따라서 정체압력과 설정 압력 사이에 일정 압력 이상의 압력차를 유지해야 함을 알 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 목적 3
• Ⅱ. 관련이론 4
• 2.1 연료분사 시스템 4
• 2.2 압력 제어 밸브 4
• 2.3 압력 레귤레이터의 작동 원리 5
• 2.4 부차적 손실 6
• Ⅲ. 실험장치 및 방법 7
• 3.1 실험장치 7
• 3.2 실험조건 및 방법 8
• Ⅳ. 결과 및 고찰 11
• 4.1 유량에 따른 압력변화 11
• 4.2 압력 레귤레이터의 설정 압력에 따른 최대 유량 24
• 4.3 유량에 따른 레귤레이터 입구와 출구의 압력차 25
• 4.3.1 설정압력에 따른 레귤레이터 입구와 출구의 압력차 25
• 4.3.2 정체압력에 따른 레귤레이터 입구와 출구의 압력차 27
• 4.4 부차적 손실계수 30
• 4.4.1 레귤레이터의 부차적 손실계수 30
• 4.4.2 정체압력이 일정할 때 부차적 손실계수의 상관곡선 비교 32
• 4.4.3 설정압력이 일정할 때 부차적 손실계수의 상관곡선 비교 34
• 4.5 동일 유량에서 레귤레이터의 입구압력과 출구압력의 상관관계 37
• Ⅴ. 결론 40
• 참고문헌 41
• Abstract 42
• 감사의 글 44