<편집자주>
? 제45호에서 계속
3.2 공연비의 영향
Fig.7은 600rpm에서 점화시기를 BTDC 30°로 하고 당량비를 λ= 1.0, 1.3, 1.5로 변화시키면서 연소 가시화 촬영결과를 나타낸 것이다. 연소초기 BTDC 25°(점화후 5°)의 화염을 비교해보면 공연비가 희박할수록 화염의 면적이 작은 것을 알 수 있고 뒤따르는 화염전파과정도 매우 느리게 진행되고 있음을 알 수 있다.
Fig.8은 당량비에 따른 연소의 사이클변동을 비교하기 위해 각 당량비에서 비슷한 화염면적을 갖는 크랭크각에서의 화염영상들을 비교한 것으로서 희박할수록 유동에 의한 화염전파방향이나 화염면적의 변화등 연소 사이클 변동이 크며 이론공연비에 가까울수록 초기화염이 안정적이고 연소 사이클변동이 줄어들고 있음을 알 수 있다.
Fig.9는 900rpm에서 점화시기를 BTDC 18°로 고정하고 공연비를 변화시키면서 얻은 평균압력들이며 Fig.10은 이에 따른 배기특성을 나타낸 것이다. 공연비가 희박질수록 연소속도가 느려 압력상승률이 낮으며 NOx는 공연비가 λ=1.1일 때 최대이고 희박영역으로 갈수록 감소하며 UHC는 λ=1.2까지 감소하다 더욱 희박해지면 다시 증가하게 된다.
CO는 이론공연비보다 희박해지면 급격히 감소하여 거의 일정한 미소량을 배출한다.
3.3 분사시기의 영향
MPI방식의 가솔린엔진에서 분사시기는 보통 흡기밸브가 열려있는 동안 분사하게 되면 액막류와 분사된 연료가 충분히 기화하지 못하고 액적의 상태로 연소실로 유입되어 미연탄화수소의 원인이 되므로 연료분사시기를 흡기밸브가 닫혔을 때로 분사시기를 제한하고 있으나(9) 천연가스는 기체상태로 분사되어 액막류에 의한 분사시기의 제한은 없다고 할 수 있다. Fig.11은 900rpm에서 이론공연비(λ=1.0)와 희박조건(λ=1.5)에서 연료분사시기를 달리한 경우에 측정한 연소실내의 압력선도로서 각각 30사이클을 평균한 값을 나타내었으며, 분사시기는 흡기초기 상사점(0˚)을 기준으로하여 60˚간격으로 변화시키면서 측정하였다. 이론공연비에서는 분사시기에 따른 큰 변화는 보이지 않지만 희박조건(λ=1.5)의 경우는 분사시기에 따라 현저한 변화를 보이고 있으며, 연료분사시작이 흡기행정시작에 가까워질수록 압력상승률과 최고연소압력이 증가하고 있다.
희박영역에서 분사시기변화에 의한 연소과정을 좀더 자세히 알아보기 위해서 600rpm, 희박영역(λ=1.5)에서 연료분사시작을 가장 큰 차이를 보이는 흡기밸브가 닫혀있을 때(폭발행정시작 상사점부근)와 흡기밸브가 열려있을 때(흡기행정시작 상사점부근)에 대해 연소가시화와 연소압력측정을 수행하여 종합적으로 연소과정을 비교하였다. Fig.12는 연소가시화 결과로서 동일 크랭크각에서의 화염을 비교해 볼 때 흡기밸브가 열렸을 때 연료를 분사하는 것이 흡기밸브가 닫혔을 때 분사하는 것에 비해서 초기 화염전파가 빠르게 진행됨을 볼 수 있다. Fig. 13과 Fig. 14는 동일조건에서의 압력선도와 열방출곡선을 비교한 것으로 초기화염이 상당히 진행된 BTDC 15°부터 압력선도는 차이를 보이기 시작하며 흡기밸브가 열렸을 때 분사하는 것이 압력상승이 빠르고 최고 연소압력이 높으며 열방출곡선에서 보는 바와 같이 연소속도가 빠름을 볼 수 있다. 이러한 결과는 0.7 MPa로 분사된 천연가스에 의해 증가한 난류강도의 혼합기가 그대로 연소실로 흡입되므로써 연료와 공기의 혼합을 촉진시켜 연소속도가 빨라짐에 따라 나타나는 현상으로 사료되며 이러한 영향은 화염전파속도가 느린 희박영역에서 두드러지게 나타나고 있다.
4. 결 론
대형 디젤엔진을 개조한 천연가스엔진의 연소과정을 관찰할 수 있는 단기통가시화엔진을 제작하였으며, 연소가시화 실험은 연장피스톤 밑에서 올라오는 오일에 의한 광학창과 거울의 오염문제 때문에 대부분의 실험은 600rpm에서 이루어졌으며 실험결과로부터 아래와 같은 결론을 얻었다.
1. 희박영역(λ=1.5)에서 연소가시화 결과 연소초기부터 강한 스월(swirl)을 따라 초기 화염이 형성됨에 따라 흡기밸브쪽으로 화염이 편향되어 전파됨을 알 수 있었다. 이는 초기화염이 흡기밸브를 지나갈 때 quenching이 발생하고 고온고압상태의 end-mixture가 배기밸브쪽으로 형성됨에 따라 노킹가능성이 증가하므로 점화플러그의 위치를 반대쪽으로 이동시키거나 스월포트의 방향을 바꾸어 초기화염이 배기밸브쪽으로 전파되도록 하는 것이 바람직하다고 사료된다.
2. 600rpm에서 점화시기를 고정하고 당량비를 λ=1.5, 1.3, 1.0으로 변화시키면서 연소 가시화 촬영한 결과 희박영역에서 현저히 화염전파속도가 감소하였으며 초기화염의 사이클 변동이 증가하였다. 900rpm에서 점화시기를 고정하고 당량비 변화시 λ=0.8 에서 1.1 까지는 공연비가 희박해질수록 NOx가 증가하지만 더욱 희박해지면 최고연소온도 감소로 NOx가 감소하며 미연탄화수소(UHC)는 λ=0.8에서 1.2까지는 틈새체적내의 HC의 밀도감소로 감소하지만 더욱 희박해지면 느린 연소속도 때문에 증가하게 된다.
3. 희박영역(λ=1.5)에서 연료분사시기를 변화시켜 연소 가시화 촬영한 결과, 흡기밸브가 열렸을 때 연료를 분사하는 것이 흡기밸브가 닫혔을 때 연료를 분사하는 것에 비해서 화염전파속도가 빠르게 나타났으며, 이는 흡기밸브가 열렸을 때 연료를 분사하는 것이 연료와 공기의 혼합을 촉진하기 때문이라고 사료된다. 이러한 영향은 화염전파속도가 느린 희박영역에서 두드러지게 나타나고 있다.