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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 최병철
- 발행연도
- 2014
- 저작권
- 전남대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수3
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NOx 저감을 위한 방법에는 배출가스를 재순환시켜 연소 온도를 낮추는 EGR (Exhaust Gas Recirculation)이 있다. EGR율은 배출가스의 재순환율을 의미하며, 최적 수치로 제어되지 않은 EGR율은 PM과 연료소비율(sfc)을 증가시킨다. EGR율 측정은 이산화탄소 농도를 계측하여 계산하는데, 상용 CO2 계측기들은 실시간 EGR율을 계측하여 제어에 반영하기에는 반응시간이 빠르지 않다. 이 연구의 목적은 반응시간이 빠른 DFB레이저를 이용하여, 실시간으로 CO2 농도를 계측하는 시스템을 개발하고, 실제 엔진에 쉽게 적용할 수 있는 방법을 연구하는 것이다.
광흡수분석법은 Beer-Lambert 법칙에 따라 특정 파장에서 기체 성분의 흡광계수가 다른 것을 이용한다. 이산화탄소 농도는 광흡수분석법을 이용하는데, CO2 농도가 높을수록 신호 감소율이 높아지는 것을 이용하여 측정한다. 이 연구에서는 이산화탄소의 다양한 흡광계수 중 강한 파장 영역대인 2.7㎛ 근처의 파장을 이용한다. 이 영역대의 강한 파장을 발진하는 레이저와 MCT(Hg-Cd-Te) 광검출기를 이용하여 흡광정도를 계측하였다. 실험조건은 레이저 온도와 전류, 광검출기 gain의 다양한 변수 중 노이즈 대비 신호(S/N)가 가장 큰 33도 140mA의 레이저 조건과 40 gain의 광검출기 조건으로 설정하였다. 실험 순서는 먼저 DFB 레이저를 이용한 이산화탄소 계측 장비의 신뢰도 평가를 진행하였다. 선행실험은 레이저 발진부와 데이터 수집부가 마주보는 형태인 더블포트 방식으로 진행하였다. 실험결과 1시간 동안 레이저를 발진시켰을 경우 신호 오차율은 0.4%이하임을 보였고, 유량변화에 따라 신호 크기가 변하지 않는 다는 것을 알았다. 산소와 일산화탄소에 대한 이산화탄소의 신호 크기가 30배 이상 차이가 나는 것을 확인하였고, 반응속도는 1.1초의 상승시간과 2.45초의 하강시간임을 확인하였다. 이산화탄소의 농도에 따른 신호변화는 고농도측에서 농도증가에 따른 신호강도 변화측이 작아지는 현상이 발생하여, 이를 해결하기 위해서 원 데이터를 4.7제곱 하였다. 함수를 적용할 경우 이산화탄소의 농도에 따른 선형계수는 0.9482에서 0.9974로 선형적으로 변화하였다. 노이즈 대비 신호의 크기 역시 0.9976으로, DFB 레이저를 이용한 실시간 이산화탄소 농도 계측은 가능한 것으로 평가되었으며, 실제로 설정한 모사가스 농도도 10%이내의 오차 범위에서 계측 할 수 있었다.
기존의 레이저를 이용한 광흡수분석법들은 CO2 계측기를 장착하기 위해서 엔진의 디자인을 변경하거나, 배기라인을 별도로 만들어 이산화탄소 농도를 계측하였다. 이러한 방법들은 보다 정밀한 계측이 가능하지만 실제 상용화에는 문제가 있다. 이 연구에서는 실용화를 위하여 레이저 발진부와 데이터 수집부가 같은 방향에 고정되고, 광케이블을 이용하여 이산화탄소 농도를 계측하는 단일포트 방식을 적용하였다. 단일포트 방식의 실험은 광케이블과 이산화탄소 계측부분인 하우징에서 신호 손실과 잡음이 발생하여 S/N는 작지만, 이산화탄소 농도에 비례하여 신호가 정확히 변화되는 것을 확인하였다.
광흡수분석법은 Beer-Lambert 법칙에 따라 특정 파장에서 기체 성분의 흡광계수가 다른 것을 이용한다. 이산화탄소 농도는 광흡수분석법을 이용하는데, CO2 농도가 높을수록 신호 감소율이 높아지는 것을 이용하여 측정한다. 이 연구에서는 이산화탄소의 다양한 흡광계수 중 강한 파장 영역대인 2.7㎛ 근처의 파장을 이용한다. 이 영역대의 강한 파장을 발진하는 레이저와 MCT(Hg-Cd-Te) 광검출기를 이용하여 흡광정도를 계측하였다. 실험조건은 레이저 온도와 전류, 광검출기 gain의 다양한 변수 중 노이즈 대비 신호(S/N)가 가장 큰 33도 140mA의 레이저 조건과 40 gain의 광검출기 조건으로 설정하였다. 실험 순서는 먼저 DFB 레이저를 이용한 이산화탄소 계측 장비의 신뢰도 평가를 진행하였다. 선행실험은 레이저 발진부와 데이터 수집부가 마주보는 형태인 더블포트 방식으로 진행하였다. 실험결과 1시간 동안 레이저를 발진시켰을 경우 신호 오차율은 0.4%이하임을 보였고, 유량변화에 따라 신호 크기가 변하지 않는 다는 것을 알았다. 산소와 일산화탄소에 대한 이산화탄소의 신호 크기가 30배 이상 차이가 나는 것을 확인하였고, 반응속도는 1.1초의 상승시간과 2.45초의 하강시간임을 확인하였다. 이산화탄소의 농도에 따른 신호변화는 고농도측에서 농도증가에 따른 신호강도 변화측이 작아지는 현상이 발생하여, 이를 해결하기 위해서 원 데이터를 4.7제곱 하였다. 함수를 적용할 경우 이산화탄소의 농도에 따른 선형계수는 0.9482에서 0.9974로 선형적으로 변화하였다. 노이즈 대비 신호의 크기 역시 0.9976으로, DFB 레이저를 이용한 실시간 이산화탄소 농도 계측은 가능한 것으로 평가되었으며, 실제로 설정한 모사가스 농도도 10%이내의 오차 범위에서 계측 할 수 있었다.
기존의 레이저를 이용한 광흡수분석법들은 CO2 계측기를 장착하기 위해서 엔진의 디자인을 변경하거나, 배기라인을 별도로 만들어 이산화탄소 농도를 계측하였다. 이러한 방법들은 보다 정밀한 계측이 가능하지만 실제 상용화에는 문제가 있다. 이 연구에서는 실용화를 위하여 레이저 발진부와 데이터 수집부가 같은 방향에 고정되고, 광케이블을 이용하여 이산화탄소 농도를 계측하는 단일포트 방식을 적용하였다. 단일포트 방식의 실험은 광케이블과 이산화탄소 계측부분인 하우징에서 신호 손실과 잡음이 발생하여 S/N는 작지만, 이산화탄소 농도에 비례하여 신호가 정확히 변화되는 것을 확인하였다.
목차
제 1 장 서 론1.1 연구배경가. 배출가스 규제나. EGR(Exhaust Gas Recirculation)다. 실시간 이산화탄소 계측기의 필요성1.2 이론적 고찰 및 종래 연구가. 이론적 고찰1) 레이저 발진이론2) 흡수분광(absorption spectra) 기법3) 직접 흡수 기법(direct absorption spectroscopy)나. 종래연구제 2 장 실험장치 및 실험조건2.1 실험장치가. 구성 장비 선정1) DFB Laser (Distributed Feedback Laser)2) 광검출기3) Laser controller4) PXI (PCI eXtentions for Instrumentation)5) MFC를 이용한 가스 혼합기6) 렌즈7) Gas cell8) Chopper나. 실험장치 구성2.2 실험조건가. 전류 조건나. 온도 제어다. 광검출기의 bandwith와 함수발생기의 frequency라. Anti-alias prefilters에 의한 샘플링 속도 결정마. 가스 혼합기제 3 장 실험결과 및 고찰3.1 선행실험가. 임의 함수발생기의 chopper 대체나. 3가지 변수(온도, 전류, gain)에 의한 최적조건다. 1시간 유지로 레이저 신뢰성 평가라. 유량 변화에 따른 신호 변화마. CO2와 다른 가스의 신호 비교3.2 실험결과가. 반응성 실험나. 함수를 이용한 이산화탄소 농도에 따른 신호 변화다. 실시간 이산화탄소 농도 출력라. 하우징을 이용한 단일포트 시스템제 4 장 결 론참고문헌부 록영문초록
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