Journal of the Korean Institute of Gas (한국가스학회지)

The Korean Institute of GAS (한국가스학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

A Study on Performance Characteristics of a Small-Sized Hydrogen-Fuelled Two-Stroke Engine

수소 연료를 적용한 소형 2행정 엔진 성능 특성에 관한 연구

  • Kim, Yongrae (Dept. of Engine Research, Korea Institute of Machinery and Materials) ;
  • Kim, Seonyoeb (Dept. of Engine Research, Korea Institute of Machinery and Materials) ;
  • Oh, Sechul (Dept. of Engine Research, Korea Institute of Machinery and Materials) ;
  • Park, Cheolwoong (Dept. of Engine Research, Korea Institute of Machinery and Materials) ;
  • Choi, Young (Dept. of Engine Research, Korea Institute of Machinery and Materials)
  • 김용래 (한국기계연구원 그린동력연구실) ;
  • 김선엽 (한국기계연구원 그린동력연구실) ;
  • 오세철 (한국기계연구원 그린동력연구실) ;
  • 박철웅 (한국기계연구원 그린동력연구실) ;
  • 최영 (한국기계연구원 그린동력연구실)
  • Received : 2020.11.17
  • Accepted : 2020.12.17
  • Published : 2020.12.31
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

In this study the possibility of hydrogen as a fuel in a small-sized two-stroke SI (Spark ignition) engine was investigated. For this purpose, experimental setup including an engine, a dynamometer, equipments for hydrogen and lubricant oil supply was prepared. And then preliminary experiments for the hydrogen-fueled engine combustion were conducted. In the case of hydrogen-fueled engines comparing to gasoline backfire occurs when the excess air ratio is lower than a specific value. This can cause engine power reduction and damage to the engine parts. The engine was controlled to operate at lean conditions to prevent backfire. Through the control of excess air ratio, the maximum engine brake power output of 3 kW was achieved in a 210 cc engine, while it was 6 kW in case of gasoline fuel.

수소 연료를 적용한 2행정 기반의 소형 SI 엔진의 성능 특성에 관하여 살펴보았다. 이를 위하여 주로 모형 항공기용으로 사용되는 210 cc급 엔진을 비롯하여 소형 동력계 및 수소연료와 엔진 오일 공급을 위한 장치를 포함한 실험을 구성하였다. 우선 가솔린 연료를 공급한 기본 상태의 엔진 출력과 토크를 측정해 보았으며, 최대 6 kW 수준의 출력을 확인하였다. 이후 수소 연료를 공급하면서 성능 시험을 수행하였는데, 수소의 경우에는 공기과잉율 기준 공연비가 낮아질수록 즉, 연료 공기 혼합기가 농후해 질수록 역화 현상이 발생하여 출력에 제한이 생길 뿐만 아니라 엔진 하드웨어에도 치명적인 영향을 줌을 확인하였다. 따라서 공기과잉율을 기준 수치 이상에서 엔진을 운전하며 안정적인 수준의 연소를 통하여 가솔린 성능의 절반 수준인 최대 3 kW 의 출력 성능이 나옴을 최종 확인하였다.

Keywords

References

  1. Lee, E.H., Jang, H.J., Park, C.W., Kim, Y.R., and Choi, Y., "Characteristics of Combustion by Varying Different Coolant-temperature in a Hydrogen Engine for HALE UAV", KIGAS, 22(2), 59-66, (2018)
  2. Oh, D., and Plante, J., "A Highly Efficient Small-displacement Marine Two-stroke H2DI Engine with Low Emissions", J. Engineering for Gas Turbines and Power, 135, 082001-1-10, (2013) https://doi.org/10.1115/1.4023752
  3. Ausserer, J.K., Litke, P.J., Groenewegen, J., Rowton, A., Polanka, M., and Grinstead, K., "Development of Test Bench and Characterization of Performance in Small Internal Combustion Engines", SAE Techincal Paper, No.2013-32-9036, (2013)
  4. Lee, S.J., Yi, H.S., and Kim, E.S., "Combustion Characteristics of Intake Port Injection Type Hydrogen Fueled Engine", Int. J. Hydrogen Energy, 20(4), 317-322, (1995) https://doi.org/10.1016/0360-3199(94)00052-2
  5. Yi, H.S., Min, K.D., and Kim, E.S., "The Optimized Mixture Formation for Hydrogen Fuelled Engines", Int. J. Hydrogen Energy, 25, 685-690, (2000) https://doi.org/10.1016/S0360-3199(99)00082-8
  6. Heywood, J. B., Internal combustion engine fundamentals, McGraw-Hill, New York, (1988)