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Aug 20, 2023

폐식용유 바이오디젤의 B20 혼합물로 구동되는 디젤 엔진의 반응도 제어 압축 점화(RCCI) 모드 엔진 작동의 영향

과학 보고서 13권,

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 4798(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

본 연구의 목적은 RCCI(반응도 조절 압축 점화)가 CRDI 엔진의 성능, 배기가스 배출 및 연소에 미치는 영향을 실험적으로 평가하는 것입니다. 연료 혼합물(바이오디젤 20%, 디젤 80% 및 NaOH 촉매)이 생성됩니다. 생산된 조합은 미국 재료 시험 협회(ASTM)에서 확립한 표준을 사용하여 속성을 평가합니다. 엔진 연구에는 10% Pen RCCI, 20% Pen RCCI, 30% Pen RCCI의 세 가지 종류의 주입이 포함되었습니다. 분사 압력을 높이면 브레이크 열 효율(BTE라고도 함)이 증가합니다. 더 높은 분사 압력과 향상된 연소로 인해 NOx 배출량이 증가했습니다. 그러나 분사율이 증가하면 특정 연료 소비량(SFC)이 감소합니다. CO2와 탄화수소 배출량은 물론 연기 불투명도 값도 충전량이 증가함에 따라 증가했습니다. 결과 혼합물은 연소 특성은 물론 전반적인 엔진 성능을 향상시키기 위해 사전 혼합 점화 기능을 갖춘 CI 엔진에 활용될 수 있습니다.

운송 산업은 전세계 에너지 소비와 온실가스 배출의 상당 부분을 차지합니다1. 결과적으로, 배출 요구 사항을 엄격하게 준수하여 높은 에너지 효율성을 달성하는 것이 꾸준하고 환경적으로 책임감 있고 사회적으로 공정한 경제 성장을 보장하기 위한 모든 계획의 중심이 되어야 합니다2. 전세계적인 경제 성장으로 인해 원유에 대한 수요가 빠른 속도로 증가하고 있습니다. 다양한 연료원의 무분별한 사용으로 인해 호흡기 질환으로 고통받는 사람들의 수가 증가하고 화석 연료의 고갈이 증가하는 등의 결과를 낳았습니다. 이러한 요인들은 대체 에너지원을 사용할 수 있는 길을 열어주었습니다[3,4,5,]. 수치 시뮬레이션에 따르면 전기화학 셀의 작동 온도를 높이면 단위 전압 변동이 감소하고 시스템 전력 사용량이 19%6 감소합니다. 디젤 엔진은 높은 CR과 탁월한 연비로 인해 연구자들에게 매력적입니다7,8. 그럼에도 불구하고 디젤 엔진은 더 많은 미립자 물질과 질소 산화물을 생성하는 것으로 나타났습니다9. 배출 감소와 효율성 향상으로 인해 PCCI(예혼합 충전 압축 점화)는 최근 몇 년간 우려를 불러일으켰습니다. 점화 전 연료와 공기의 고급 혼합을 사용함으로써 PCCI 연소 모드를 사용할 때 입자상 물질을 줄일 수 있습니다10. 향상된 배기가스 재순환율(EGR)과 함께 더 희박한 연료와 공기 혼합물을 사용하여 NOx 배출량이 감소했습니다. 그 결과 연소온도가 낮아졌다. 디젤 연료는 휘발유보다 가연성은 높지만 휘발성은 낮기 때문에 PCCI 연소 모드에서는 극복해야 할 몇 가지 장애물이 있습니다. 이러한 과제에는 균질한 혼합물 생성, 점화 관리, 제한된 기능 보유, 연소실 벽에 대한 심각한 충돌 등이 포함됩니다11. 입자의 부피 비율을 높이면 열용량과 유체 점도가 향상되는 것으로 확인되었지만 열용량 변동 추세는 기존 유체12에 따라 달라집니다.

실행 가능하고 청정 연소 기술인 RCCI 연소 모드가 최근에 발명되었습니다. PCCI 연소 모드와 관련된 문제를 해결하기 위해 이 시스템은 물리적 품질이 서로 다른 두 가지 고유한 종류의 연료와 별도의 분사를 활용합니다. "반응성 기울기"라는 문구는 전역적이거나 지역적일 수 있는 다른 종류의 반응성을 의미합니다13. 다양한 종류의 연료와 연소실에 분사되는 연료의 양은 모두 전체 반응성을 제어하는 ​​데 사용됩니다. 반응도 구배는 각각 고옥탄가 연료와 저옥탄가 연료의 조기 및 후기 분사를 포함하는 연료 분사 접근법과 다릅니다. 결과적으로 RCCI 연소 모드는 연료 분사 방법 및 분사 속도14,15에 따라 달라질 수 있습니다. 흡기 매니폴드에는 옥탄가가 높은 휘발유가 사용되었고, 연소실에는 세탄가가 높은 연료가 사용되었습니다. 이는 연료의 반응성을 별도의 구조로 배열하기 위해 수행되었으며, 이로 인해 층상 연소가 발생했습니다16. RCCI 연소를 위한 저반응성 연료(LRF)로서 메탄올과 함께 고반응성 연료(HRF)로서 폴리옥시메틸렌 디메틸 에테르(PODE)를 사용하여 Duraisamy et al.17은 연소 과정의 지속 시간과 지연 시간을 크게 줄였습니다. . Pan et al.18은 예혼합 연소 비율이 급증함에 따라 이소부탄올-디젤, 가솔린-디젤 RCCI 연소에 대한 IMEP가 크게 증가한다는 것을 발견했습니다. 이소부탄올과 디젤 RCCI 엔진은 두 연료가 모두 동일하게 사전 혼합되었을 때 가솔린-디젤 RCCI 엔진보다 더 큰 IMEP를 나타냈습니다. Yang et al.19은 RCCI 엔진에 대한 연구에서 휘발유와 메탄올의 분사 시기가 연소 과정에 영향을 미친다는 사실을 관찰했습니다. 기존 디젤 분사 시점과 후속 메탄 분사 시점을 조정해 성능 개선이 가능했다. Wang et al.20은 공기 흡입량 증가와 EGR 감소가 가솔린-PODE RCCI 엔진의 열효율을 향상시켰다고 보고했습니다. 흡입 압력을 일정하게 유지하기 위한 공기 희석으로 열 효율이 향상되었습니다. Zheng et al.21은 낮은 부하와 중간 부하가 RCCI 열 출력(HRR)을 낮추는 것을 입증했습니다. 엔진의 n-부탄올 비율을 높이면 열효율이 감소합니다. Charitha et al.22은 면유 메틸 에스테르를 첨가하면 NOx 배출이 감소한다는 사실을 발견했습니다. HC 배출량은 목화씨유 메틸에스테르 함량이 낮을수록 증가하고, 함량이 높을수록 감소하였다. Isik et al.23은 B50 HRF를 갖춘 에탄올 연료 RCCI 엔진이 제어 엔진보다 더 높은 피크 압력을 생성한다는 것을 발견했습니다. 에탄올 공급 RCCI 엔진의 HRR 곡선은 모든 방향으로 상승했습니다. Thiyagarajan 등24은 n-펜탄올이 메탄올과 비교했을 때 BTE를 증가시킨다는 것을 보여주었습니다. 이중 연료 모드는 바이오디젤보다 적은 양을 소비하지만 브레이크 비에너지(BSEC) 측면에서는 디젤보다 더 많은 양을 소비합니다. Radheshyam et al.25에 따르면 EGR 속도와 펜탄올 함량에 따라 지연 시간이 증가했습니다. 1-펜탄올은 낮은 부하에서 실린더 압력을 낮추고 높은 부하에서는 증가시킵니다.