DME 차량용 엔진의 독립식 분사 고압펌프 성능 향상에 관한 연구

본 연구는 자동차에 사용되는 연료펌프가 DME(Dimethylether)를 연료로 사용할 때 디젤엔진의 성능 요구사항을 충족시킬 수 있는지 알아보기 위해 수행되었다. 본 연구에서는 독립 주입형 기계식 펌프를 사용하였다.

연구 배경

또한 AMESim 시뮬레이션을 사용하여 독립 분사형 펌프의 성능 향상을 위한 핵심 매개변수를 도출했습니다. 연구할 DME 펌프도 기본 데이터베이스가 없는 초기 설계 단계에 있기 때문에 AMESim을 사용하여 주요 설계 매개변수를 도출하고 향후 연구를 지원했습니다.

Figure 1-1 ISUZU ELF DME-Study Car

연구 동향

DME 연구

DME는 발생하지 않는다고 생각되는 공기 중 농도는 유럽, 미국, 일본 등에서 1,000ppm을 기준으로 LP가스와 동일하게 취급하고 있다. 고압가스보안협회도 DME에 의한 고무 부식 정도를 알아보기 위해 가스씰, 액체씰, 기액씰의 밀봉 특성을 실험을 통해 분석했다.

Table 1-2 LC50 comparison between DME and other gases [11]

DME 엔진 연구

Swapnil Desaiet al. University of Tennessee는 메탄(CH4) 혼합 디메틸 에테르(DME)/공기 혼합물의 자연 발화율에 대한 연구를 수행했습니다. 연구에 따르면 CH4의 비율이 증가하고 오버헤드 혼합물이 사전 점화하는 데 사용할 수 있는 유도 시간이 증가함에 따라 이원 연료 혼합물의 자동 점화가 더 어려워지는 것으로 나타났습니다.

Figure 1-6 Comparison between predicted combustion pressure, heat release rate of baseline and optimal cases in diesel and DME fuel simulation cases [12]

DME 연료 공급 시스템 연구

즉, 피스톤 펌프의 성능을 향상시키기 위한 연구는 피스톤과 배럴 사이의 실링 효율을 높이는 방법에 주로 진행되고 있다. DME는 경유에 비해 점도와 윤활성이 낮기 때문에 피스톤 내부의 마모가 심할 수 있으므로 이러한 점을 고려하여 DME에 최적화된 펌프를 만들기 위해 노력했습니다. 인젝터의 내용은 대부분 기술되어 있고, 연료펌프 자체의 성능은 연구되거나 분석되지 않는다.

Figure 1-10 Magnified view of plunger and barrel deformation for 1 port design (upper side) [15]

연구 목적

DME 연료 공급 장치

본 연구에 사용된 DME 연료공급계통의 개략도는 그림 2-2와 같다. 연료 탱크의 DME는 유량계를 통과하여 전방의 전체 시스템에 연료를 공급하는 공급 펌프로 들어갑니다. 독립분사식 펌프의 연료분사 이전의 계통에서는 공급압력을 일정하게 유지하기 위하여 다수의 밸브를 설치하였고, 압력계에서 압력강하 또는 증가가 발생하였을 때 밸브를 수동으로 조절하여 일정한 상태를 유지하도록 하였다. .

유량 측정 장치

유량계는 실험 시스템의 특성을 고려하여 주문 제작하였으며 유량계 사양은 표 2-1과 같다. 실험실에서 사용하는 Hydra-Cell 급수 펌프와 대용량 급수 펌프, 실제 차량에 사용되는 WELDON 급수 펌프를 유량과 압력의 비교 분석에 사용하였다. 각 급수 펌프의 상세 사양은 표 2-2와 같다.

Table 2-1 Specification of Flow Meter

Independent Injection Type 펌프

독립 분사형 펌프는 내부에 기계식 실린더가 있어 토출부가 인젝터에 직접 연결되면 펌프 성능에 문제가 없다. 실험에 사용된 독립주입식 펌프는 컨트롤랙이 있으며 그림 2-8과 같이 컨트롤랙의 위치에 따라 내부 피니언기어가 회전하여 플런저의 위치를 ​​조절하여 유량을 조절한다. 맞다. 이 데이터를 바탕으로 실제 실험에서는 실린더 유량이 50 /st 감소할 때 실제 펌프의 토출량과 내부 압력이 어떻게 변하는지를 알아보고자 하였다.

Figure 2-4 Picture of Independent Injection Type Pump

이론적 배경

즉, 피스톤/실린더 인터페이스에서 분사 비율에 대한 간격이 작습니다. 고압 펌프의 피스톤은 회전하지 않고 실린더 내에서 축 방향으로 움직입니다. 피스톤과 실린더의 탄성 변형으로 인해 축 방향의 필름 두께는 일정한 값을 갖지 않습니다.

실험방법

시스템 구동 필요조건

시뮬레이션

시뮬레이션 모델링

독립 주입식 펌프도 기계식 피스톤 펌프와 동일합니다. 독립주입형 펌프의 경우 1회당 4개의 토출부에서 토출 관련 정보, DME 연료 특성 및 독립 분사 유형의 내부 실린더 매개변수를 사용하여 회전 및 시뮬레이션이 계속됩니다. 각 실린더의 내부 압력과 토출량 및 펌프 전체의 토출량을 측정할 수 있으며, 유체 특성도 DME의 물리적 특성을 이용하여 시뮬레이션을 실행합니다. 실제 시스템과 다른 점은 실험 시스템 자체에서는 펌프 토출 후 커먼레일을 설치하여 압력을 높게 설정하였으나 시뮬레이션에서는 커먼레일을 별도로 설정하지 않고 오리피스를 설정하여 내부 압력과 유속.

Figure 2-11 AMESim simulation Library Diagram

실험 조건에 따른 성능 변화

각 급수펌프의 성능을 비교한 결과 낮은 rpm에서 Weldon 급수펌프의 유량이 높고, 높은 rpm에서 Hydra-Cell 급수펌프의 유량이 높게 나타났으며 그 차이는 매우 미미하였다. 따라서 두 공급 펌프는 모두 독립적인 주입식 펌프였습니다. 유용한 것으로 평가됨. 이는 공통라인의 압력이 증가함에 따라 분당 회전수의 증가에 따라 펌프의 토출유량이 감소함을 알 수 있다. 따라서 현재 시험 중인 독립 분사 펌프의 유량을 개선할 필요가 있음을 알 수 있다.

Figure 3-1 Discharge flow rate of Independent Injection Type pump according to common rail pressure (experimental feed pump)

플런저 위치 변경에 따른 성능 변화

펌프의 성능과 내구성 면에서 공급펌프의 종류의 차이는 무시할 수 있는 수준임을 알 수 있다. 펌프의 유량을 시뮬레이션한 결과 독립 분사형 펌프인 83LPH와 400bar의 커먼레일이다. 그 결과 커먼레일 400bar, 엔진속도 1,000rpm 독립형 분사식 펌프와 유사한 결과를 보였고, 시뮬레이션 결과 성능(유량)과 내구성(내압) 모두 실제 실험과 유사한 결과를 보였다. 그것을 확인

Figure 3-3 Flow change after adjusting the pressure inside the pump

주요 파라미터 도출

펌프 실린더 내 압력의 시뮬레이션 결과와 유사하게 개구부의 직경이 클수록 공통 라인 부분에서 측정된 압력이 낮아지는 것을 볼 수 있습니다. 압력 대 스프링 상수의 변화는 유사한 경향을 나타내며 스프링 상수가 낮을수록 펌프 용량이 높아지는 것을 볼 수 있습니다. 직경 크기가 작을수록 실린더 내 압력이 감소하고 내구성이 증가합니다.

Figure 4-5 Comparison graph of pump flow rate results according to orifice diameter

시뮬레이션 최적화

In addition, it aims to find the conditions and specifications of the pump suitable for DME fuel by comparing the performance of the pump according to the change of conditions, and to find the optimal pump parameters and conditions using the AMEsim program to use. As a result of the experiment, in the case of the independent injection type pump, the flow rate performance of 83 LPH was not satisfied, which is the ideal flow rate required by the vehicle, and it was confirmed that additional improvement is needed. In terms of durability, if the pump is used for a long period of time, the DME fuel may be vaporized due to the heat of the pump when the fuel circulates in the system, resulting in a performance problem, and it is therefore confirms that the construction of an internal cooling system is essential.

Figure 4-15 Simulation cylinder pressure optimization results