Journal of the Korean Institute of Gas (한국가스학회지)

The Korean Institute of GAS (한국가스학회)
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Effects of Intake Gas Mixture Cooling on Enhancement of The Maximum Brake Power in a 2.4 L Hydrogen Spark-ignition Engine

수소 내연기관의 흡기 냉각 방법에 따른 최고 출력 향상에 관한 연구

  • Kim, Yongrae (Engine Research Team, Korea Institute of Machinery and Materials) ;
  • Park, Cheolwoong (Engine Research Team, Korea Institute of Machinery and Materials) ;
  • Oh, Sechul (Engine Research Team, Korea Institute of Machinery and Materials) ;
  • Choi, Young (Engine Research Team, Korea Institute of Machinery and Materials) ;
  • Lee, Jeongwoo (Dept. of Mechanical System Engineering, Jeonbuk National University)
  • 김용래 (한국기계연구원 환경시스템연구본부 그린동력연구실) ;
  • 박철웅 (한국기계연구원 환경시스템연구본부 그린동력연구실) ;
  • 오세철 (한국기계연구원 환경시스템연구본부 그린동력연구실) ;
  • 최영 (한국기계연구원 환경시스템연구본부 그린동력연구실) ;
  • 이정우 (전북대학교 공과대학 기계시스템공학부)
  • Received : 2021.08.04
  • Accepted : 2021.10.21
  • Published : 2021.10.30
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Abstract

Since hydrogen has the lower minimum ignition energy than that of gasoline, hydrogen could be also appropriate for the IC engine systems. However, due to the low ignition energy, there might be a 'back-fire' and 'pre-ignition' problems with hydrogen SI(Spark-ignition) combustion. In this research, cooling effects of intake gas mixture on the improvement of the maximum power output were evaluated in a 2.4 L SI engine. There were two ways to cool intake gas mixtures. The first one was cooling intake fresh air by adjusting inter-cooler system after turbocharger. The other one was cooling hydrogen fuel before supplying by using heat ex-changer. Cooling hydrogen was performed under natural aspired condition. The result showed that cooling fresh air from 40 ℃ to 20~30 ℃ improved the maximum brake power up to 6.5~8.6 % and cooling hydrogen fuel as -6 ℃ enhanced the maximum brake power likewise.

수소는 동일한 공연비(AF ratio, Air-to-fuel ratio)에서 가솔린에 비해 점화에너지가 현격히 낮기 때문에, 희박한 혼합기 조건에서도 안정적으로 연소할 수 있는 장점을 가지고 있어 연소를 기반으로하는 내연기관에도 적용이 가능하다. 그러나 일부 연소조건에서 역화(Back-fire) 혹은 조기 점화(Pre-ignition)와 같은 이상 연소가 발생하기 쉬운 문제를 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 엔진의 흡기(Intake gas mixture)를 구성하는 신기(Fresh air)와 수소 연료를 각각 냉각하여 공급함으로써, 역화를 최소화하여 최고 출력을 향상하는 연구를 진행하였다. 2.4 L급 전기점화(SI, Spark-ignition)엔진이 사용되었으며 수소는 포트분사 방식(PFI, Port Fuel Injection)으로 공급하였다. 신기의 온도는 터보차저가 장착된 상황에서 인터쿨러(Intercooler)를 이용하여 제어하였으며, 수소의 냉각은 칠러의 냉매와 열교환기를 통하여 직접 냉각 후 공급하였다. 그 결과 신기의 온도를 10~20 ℃가량 냉각시킬 경우 최고출력이 약 6.5~8.6 % 가량 향상되는 것을 확인할 수 있었으며, 수소를 -6 ℃까지 냉각하여 공급할 경우 마찬가지로 약 7.7 % 가량의 최고 출력을 향상할 수 있었다.

Keywords

Acknowledgement

본 연구는 한국기계연구원의 주요사업과 전북대학교 연구 및 산학협력영역의 학술트랙 지원 그리고 한국연구재단 "수소 연료기반 초희박 SPCCI 엔진운전 전략 및 하드웨어 개선 기술 개발 (NRF-2021R1G1A1004451)"의 지원을 통해 작성되어 이에 감사를 표합니다.

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