5. Chapter 5. Alternative Fuel Engine - DME Engine...

에너지변환특론Advanced Energy Conversion

Chapter 5. Alternative Fuel Engine System(DME engine system)

교수 박 수 한

Fall semester, 2014

CNU Engine Research Lab.

친환경자동차 전략


왜 대체연료인가?


자동차용 대체연료


5

에너지 절약 + CO2 저감

고효율 저공해 엔진 개발

압축착화디젤기관의효율성

PM 등 오염물질 다량 배출

디젤엔진에

사용가능한

경유 대체연료

엔진시스템

개발이 요구됨

DMEDME

DME 자동차 기술개발의 필요성


Methane

Dieseloil

DME

Propane

Cet

ane

Num

ber

Cleanliness

PM

NOx

Diesel oil

DME

H

H

H C1

H

H

C2

H

H

HCn H

H

H C O

H

H

HC

H

H

H C HH

H

H C

H

H

HC

H

H

C

PM 발생이 없으나NOx 배출량의 저감을위해 EGR, HCCI 등의 도입이 필요

압축 착화엔진으로의적용성이 우수하고carbon-carbon 결합이 없어 청정 연소가 가능

DME – 차세대 청정연료


DME (dimethyl ether)


함산소 연료 (바이오디젤, DME)의 물성


DME (dimethyl ether)


DME 제조방법


DME – 생산방법

HydrocarbonNatural gas Syngas DME

CO2 or H2O

Methanol

O2 & H2O

직접법

간접법

직접법-. 중간생성물질인 메탄올이 반응기 내에서 DME로 전환되는 평형 전환율이 높다.-. 메탄올 합성반응 및 탈수반응, 물/가스 전환 반응시의 열을 연속적으로 제거해야 한다.-. 공정의 대형화 설계에 불리하다.

간접법-. 중간물질로 메탄올을 제조하고, 이를 탈수반응하여 DME를 합성하는 방법.


자동차 연료로서 DME


대체연료 자동차 보급정책 (미국)


대체연료 자동차 보급정책 (유럽)


시장전망


DME 엔진 (연구동향)

Pennsylvania Univ., Air Product and Chemicals, DOE, Navista, Caterpillar의

DME 셔틀버스 프로그램 공동 연구가 수행중.

- DME와 경유의 혼합연료를 기존 연료 시스템에 적용

AVL Powertrain Institute과 DOE의 공동연구 : DME 엔진용 연료 공급계에 관한

연구가 진행중.

DME보다는 바이오 디젤에 대한 연구가 비교적 활발함

미국

오스트리아 AVL 사 : 1995년부터 DME 엔진에 대한 연구 추진. 인라인펌프 방식,

커먼레일 방식 등의 DME 연료 공급 시스템 개발.

덴마크 Haldor Topsoe 사 : 합성가스로부터 DME 제조하는 기술 개발.

1998년 부터 스웨덴의 Volvo, 노르웨이의 Statoil 등이 참여하여 DME 버스 실험

운행

유럽 Volvo의 DME 버스


일본

1996년

1998년

2001년

NKK의 DME 트럭 NEDO (신에너지 개발 기구) (1996) : NKK에서 일본 최초로 DME 트럭 시제작

닛산디젤, 안전환경연구소 (1998-2001)

적재중량 4톤급 중형 DME 버스 시제작

연구소 및 대학에서 DME 상용화에 대한 연구가활발히 진행중

한국에너지 기술 연구원(KIER) (2000년 5월) :

‘DME의 디젤엔진 적용을 위한 연료 공급계 및 연소계 기반 기술 연구’를 통해 DME의 배출물및 연소 특성 연구

LG 화학 : 연간 3,000톤 생산

대흥산업 : 연간 4,000톤 생산 (건설중)

한국에너지기술연구원 (울산대)-자동차부품연구원(국민대)-석유관리원(한양대)

(2009~2014) ‘클린 신 연료 (DME) 동력시스템 개발’

국내

DME 엔진 (연구동향)


기술동향


참고자료. Volvo

School of Mechanical Engineering, CNU

Application of DME fuel in a conventional car

Hanyang University, CENEC (Korea)

Volvo (Sweden)NKK (Japan)

DME 자동차 개발사례


DME – 차세대 청정연료


자동차연료로서 DME


대체연료 자동차 보급 정책 (미국)


대체연료 자동차 보급 정책 (유럽)


기술동향


기술동향 (한국 – KATECH)


분사량 측정결과 (DME, 디젤)


분사율 측정결과 (DME, 디젤)


거시적 분무특성에 관한 정의


DMEPinj=40MPa, Pamb=2MPa

DMEPinj=40MPa, Pamb=0.1MPa

DieselPinj=60MPa, Pamb=0.1MPa

DMEPinj=40MPa, Pamb=2MPaTamb=293K

DMEPinj=40MPa, Pamb=2MPaTamb=493K

• Effect of ambient pressure

• Effect of ambient temperature

• Comparison of spray development

Comparison of spray development Effect of ambient pressure Effect of ambient temperature

[Ref] H.K. Suh, S.W. Park, and C.S. Lee, Atomization Characteristics of Dimetyle Ether Fuel as an Alternative Fuel Injected through a Common-Rail Injection System, Energy & Fuel, Vol. 20, No. 4, pp. 1471-1481, 2006

DME의 분무특성 (1)


DieselPinj=60MPa, Pamb=3.5MPa, Tinj=0.5ms

DMEPinj=60MPa, Pamb=3.5MPa, Tinj=0.5ms

DME의 분무특성 (4)– 연소실내 분무발달과정


DieselPinj=60MPa, Pamb=3.5MPa, Tinj=0.5ms

DMEPinj=60MPa, Pamb=3.5MPa, Tinj=0.5ms

DME의 분무특성 (5)– 연소실내 분무발달과정


DME의 분무특성 (6)– 실험과 수치해석 비교


DME의 분무특성 (6)– 미립화 특성 측정장치


DME의 분무특성 (7)– 미립화 특성


DME의 엔진성능 및 배기특성 (1)


DME 자동차 개발


DME 엔진

특 징

1. 입자상물질, 매연의 발생이 없는 청정연료 기관이다.

2. 높은 세탄가로 착화성이 양호하며, 기관의 정숙한 운전이 가능하다.

3. 확산연소가 빠르며, 연소기간이 짧고 열효율이 개선된다.

4. 경유차량과 유사한 실차 주행성을 갖는다.

엔진 수정 사항

1. 연료공급펌프 및 연료분사펌프 내 실링 (sealing) 재료의 변경

2. 연료 순환 라인의 고압화

3. 연료 순환량 증가에 따른 연료 분사 펌프의 냉각

4. 윤활향상제, 열량보조제 등 첨가제 필요

5. 분사시기 제어를 위한 ECU 변경

분무, 연소 및 배기 특성

1. 동일 분사기간 분사시 디젤 보다 분무 도달 거리가 짧고, 분무각이 크다.

2. 동일 발열량을 위해 분사기간을 늘리고 분사량 증가가 필요하다.

3. 동일 발열량 (에너지) 조건에서 최고 연소압력은 낮다.

4. Soot의 배출이 거의 없으며, 대체로 질소산화물은 증가한다.

5. CO 및 HC의 배출은 저감된다.


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