가솔린 직접 분사식 엔진에서의 실린더 내 화염 거동과 입자배출물 특성

1. 서 론

심각한 환경오염문제와 규제로 인하여 디젤기관의 수요가 줄고 강화되는 CO₂ 규제와 고효율, 저배기를 만족하기 위하여 가솔린 직접 분사식(Gasoline Direct Injection, GDI) 기관을 개발 양산하고 있다. GDI 엔진은 고압축비와 고출력을 가능하게 하고 희박연소를 통하여 연료저감을 향상시킬 수 있는 기관이다.^1,2) 그러나 GDI 엔진에서 발생하는 입자성 물질(Particulate matter)이 기존 포트 분사식 가솔린 엔진에 비해서 다량으로 발생하고 후처리 장치를 장착한 디젤기관보다 더 많은 PN(Particulate Number)이 배출되어 이에 따른 환경 규제가 강화되고 있다. 유로6 규제는 2014년부터 23 nm 이상의 고형 입자성 물질(Solid particles)에 대해서 배출 개수를 6×10¹²/km로 제한하고 있으며 2017년부터는 강화된 규제로 6×10¹¹/km를 적용하여 배출 규제를 적용하고 있다.³⁾ 미국과 국내의 경우 현재까지는 배출 질량 농도 규제만 이루어지고 있으나 GDI 기관에서의 입자성 물질 개수 배출 규제를 강화할 예정이다.

강화되는 배출 규제에 대응하기 위하여 가솔린 직접분사 엔진에서의 입자성 물질 저감에 대한 다양한 기술들이 개발되고 있다. 최근에는 기존 디젤기관과 같이 배기라인에 GPF(Gasoline Particulate Filter)를 장착하여 입자 배출물 저감을 시도하려는 연구들이 진행되고 있다.^4-6) 이와 함께 효과적인 입자배출물 저감을 위해 GDI 기관에서 발생되는 입자배출물의 크기, 생성원인과 메커니즘, 특성에 대한 연구들이 함께 수행되고 있다.^7-9) GDI 기관의 입자 배출물은 Diesel particulate filter를 장착한 디젤 기관에 비해서 더 많은 수가 배출되고 있다.^10-12) 또한 후처리를 장착한 디젤기관에 비해서 100 nm 크기의 극미세입자(Ultrafine) 물질이 다량으로 발생하여 호흡기에도 치명적인 악영향을 미친다.¹³⁾ 따라서 GDI 기관에 최적의 입자 배출물 저감 시스템 개발이 필요하다.

본 연구에서는 GDI 엔진에서 운전조건, 연소조건에 따른 연소 및 성능 특성에 대해서 분석하고 연소실 내에서 발생하는 입자 생성물과 화염거동에 대한 관계에 대해서 분석하였다. 운전조건으로는 승용 가솔린 기관에서 주로 사용되는 중고부하와 속도를 사용하였고 연소 조건으로는 이론공연비 연소와 희박 연소 조건을 사용하여 다변화되는 엔진조건을 구현하였다.

2. 실험장치 및 방법

엔진 연소 과정과 입자성 물질 특성을 분석하기 위하여 4기통 가솔린 직접 분사식 엔진을 사용하였으며 배기라인에서 희석장치와 입자성 물질의 질량⋅개수 측정 장치를 활용하여 측정하였다.

2.1 엔진시스템

본 연구에서는 희박 연소와 이론 공연비 연소를 구현하기 위하여 희박 연소가 가능하게 제작된 자연 흡기방식의 4기통 2.0 L 직접 분사식 가솔린 엔진(BMW N43-B20)을 사용하였다. 엔진은 AC 동력계와 연결하여 엔진속도와 부하를 제어하였다. 실린더 중앙에 다단분사가 가능한 피에조 인젝터가 장착되어 있으며 최대 20 MPa의 고압으로 연료 공급이 가능하다. 엔진의 모든 제어 변수는 National Instrument(NI) 하드웨어와 Labview를 연동하여 제어하였으며 제조사의 기본 운전 조건을 기반하여 희박연소와 이론 공연비 연소를 구현하였다. 상세한 시험 엔진 제원은 Table 1에 표기하였다.

Table 1

Test engine specifications

고체 입자성 물질 측정을 위해서 배기라인에 AVL Micro Soot Sensor(MSS)와 TSI Engine Exhaust Particle sizers(EEPs)를 Fig. 1과 같이 설치하였다. 연소특성과 관련된 입자성 물질 특성을 측정하기 위하여 기존 시스템의 배기 후처리 시스템은 사용하지 않았으며 배기라인 상부에서 MSS 장치를 사용하여 입자 배물질 질량을 측정하였다. 배기라인 하부에서는 EEPs와 희석 장치를 사용하여 입자 배물질의 크기별 개수 분포를 측정하였다. 희석 가스로는 압축공기를 사용하였고 희석비는 12:1을 사용하였다. 또한 Catalytic Stripper(CS)를 EEPs 상단에 설치하여 배기 중에 포함된 고형 입자를 제외한 부유성 입자물질은 300 °C 이상으로 가열하여 제거하였다. CS의 작동 원리와 성능은 참고 문헌에 기술되어 있다.¹⁴⁾

Fig. 1

Schematic diagram of experimental system

2.2 가시화 장비

본 연구에서 연소특성과 화염전파를 측정하기 위해서 광학센서(AVL Visiolution)를 사용하였다. 화염강도를 측정하는 광학센서는 연소반응에서 발생하는 화염 발광도를 측정하여 예혼합 연소와 확산연소를 구별하여 크랭크각도 또는 사이클별 연소거동을 볼 수 있도록 한다.¹⁵⁾ 광학센서는 실린더 내 연소 특성에 영향을 미치지 않도록 실린더 헤드 측면에 홀(Hole)을 가공하여 설치하였다. 광학센서는 동시에 8개 채널을 통해 연소실의 위치별 화염강도를 측정한다. Fig. 2에서는 센서의 각도와 연소실에서 채널별 배열과 위치를 나타내었다. 센서는 스파크플러그와 인젝터 방향과 피스톤을 향하는 두 가지 각도에 대해서 화염 강도를 측정하였다. 광학센서는 화염의 강도를 측정하여 전압 신호로 출력한다. 이 신호는 실린더 내 압력과 크랭크 각도 엔코더와 동기화되어 있어서 고속측정이 가능하며 본 연구에서는 크랭크각도 1 crank angle degree(CAD) 단위로 신호를 측정하였다.

Fig. 2

Optical sensor in-cylinder viewing angles

2.3 실험 방법

가솔린 엔진의 구동 조건은 총 3가지로 엔진 속도와 부하조건을 변경하여 실험하였다. 승용 가솔린엔진에서 자주 사용되는 2,000 rpm과 2,400 rpm을 사용하고 부하는 BMEP(Brake Mean Effective Pressure)을 기준으로 0.4 MPa과 0.7 MPa 조건을 사용하였다. 상세 실험조건은 Table 2에 나타냈다. 연료 분사압력은 15.5 MPa을 사용하였으며 연료는 2단 분사로 이론 공연비의 경우 흡기과정 중 7:3의 비율로 연료를 분사하였고 희박연소의 경우 흡기과정과 점화 직전에 7:3의 비율로 연료를 2단 분사한다. 모든 조건은 3일에 걸쳐 각 1회씩 총 3회 반복시험을 진행하였다.

Table 2

Engine operation conditions

3. 실험결과와 고찰

본 연구에서는 연소실 내에서 발생하는 연소특성 및 화염 가시화 실험 결과와 연소실에서 배출된 생성물 중 수트(Soot)와 고형 입자성 물질(Solid particulate matter)의 농도에 대한 실험결과의 관계에 대한 내용을 비교 분석하였다.

3.1 연소모드에 따른 연소 및 성능 특성

일반적인 희박연소 조건의 경우 저속 저부하에서 많이 사용되나 본 연구에서는 고속 조건에서의 희박연소와 이론공연비 연소 모드를 활용하여 연소 및 엔진 성능 특성을 비교하였다. 희박 연소의 장점은 적은 연료 소모율이다. 하지만 기존 가솔린 차량에 사용되는 삼원촉매를 사용하여 질소산화물 저감을 할 수 없기에 사용이 제한되었다. 따라서 추가적인 배기 후처리 장치를 사용해야 희박연소 모드를 사용할 수 있다.

Fig. 3은 고속 엔진 조건에서 중⋅고부하에서의 연소모드에 따른 제동 평균 연료소비율(Brake Specific Fuel Consumption, BSFC)을 나타냈다. Test A – C의 모든 운행조건에서 희박연소가 이론공연비 연소모드에 비해서 연료소비율이 8 %에서 최대 10 % 가량 낮게 나타났으며 이는 반복시험에서도 큰 오차 없이 나타났다. 이는 희박 연소 시 이론공연비 연소에 비해 MFB50의 위치가 상사점 근처에서 형성되면서 적은 연료량으로 동일 출력을 얻을 수 있다. 희박 연소의 경우 점화이후 희박영역에서 화염전파 속도가 낮아져 MFB50의 위치가 이론공연비에 비해 지각되어 형성된다. 또한, 고속⋅고부하 조건으로 갈수록 MFB50이 상사점 뒤쪽으로 형성되면서 두 연소모드 모두 낮은 연료소비율을 나타난다.

Fig. 3

Brake specific fuel consumptions for engine operation and mode conditions

운전조건에 따른 크랭크 각도별 연소실 압력선도와 열방출률 선도를 Fig. 4에 나타냈다. 압력선도는 0.5 CAD 단위당 100개의 사이클을 평균하였으며 열방출률은 압력선도로부터 계산하였다. 희박연소는 흡기량이 많아 압축과정부터 연소실 압력이 높으며 이후 점화장치 근방에 형성된 농후한 혼합기가 폭발적으로 연소하면서 이론공연비 연소과정에 비해 높은 연소압력이 측정되었다. 점화이후 혼합기 농도에 따른 초기 연소속도가 두 연소모드에서 다르게 나타난다. 농후한 혼합기의 연소로 인하여 압력선도가 가파르게 상승하며 최고압력 이후에는 균일한 혼합기가 연소하면서 두 연소모드가 비슷한 경향을 보인다. 이는 열방출률에서 더 자세히 나타난다. Test A의 경우 이론공연비 연소의 열방출률 곡선이 대칭형으로 나타나는 반면 희박연소의 경우는 연소 초기와 중반, 후반에 이르기까지 속도 변화가 크게 나타난다. 이러한 연소속도의 차이는 화염가시화 결과에서도 확인할 수 있다.

Fig. 4

In-cylinder pressure and heat release rate curves for lean and stoichiometric modes

희박 연소는 Test A에서는 도시평균유효압력의 Coefficient of Variation(CoV) 값이 5.4 % 정도로 다소 높지만 고속 고부하 조건으로 갈수록 약 3 % 정도로 안정적인 연소과정을 보였다. 이론공연비 연소의 경우 모든 연소과정에서 평균 CoV가 3 % 이내로 안정적인 연소거동을 보였다.

3.2 연소모드에 따른 입자성물질 특성

Fig. 5는 운전조건에 따른 수트 질량 농도를 나타냈다. 질량 농도는 로그 스케일로 표기하였으며 MSS 장치에서 엔진이 정상상태에서 2분간 3회 측정한 평균값과 표준편차 값을 사용하였다. 이론 공연비 연소에서 발생한 수트의 질량이 희박연소에서 발생한 것보다 Test A 조건에서는 최대 10배 차이가 나며 Test B와 Test C에서도 이론공연비에서 높은 질량 값을 보였다. 수트 질량 농도에 대한 표준편차에서 확인할 수 있듯이 이론공연비 연소의 경우 반복 시험에서도 평균에 가까운 질량을 보여준 반면 상대적으로 연소의 불안정성을 포함하고 있는 희박연소의 경우 질량 농도에 대해 시험별 결과값의 차이가 크게 보였다. 이는 연소의 불안정에 따른 수트 생성에 큰 영향을 준 것으로 판단된다.

Fig. 5

Brake specific soot emissions for two combustion modes

엔진 운전조건별 입자성물질 크기별 개수 분포도를 Fig. 6에 나타냈다. EEPs 장비를 사용하여 엔진의 정상상태에서 측정하였으며 총 3회 반복 시험을 통해 얻어진 평균값과 표준편차 값을 사용하였다. 모든 운전 조건에서 MSS에서 측정된 것과 일치하게 이론공연비 연소에서 더 많은 입자성물질 개수들이 측정되었다. 무게에 영향을 많이 주는 큰 입자들의 경우 이론공연비 연소모드에서 더 많은 개수가 나오며 이는 속도와 부하가 증가될수록 증가하는 경향을 보였다. 반면 10 nm 근방에서는 연소 모드와 운전조건에 영향과 관계없이 유사한 개수 농도가 배출된다. 10 nm에서 23 nm 사이의 입자들은 주 성분이 ash일 가능성이 높으며 이는 보통 연료와 엔진 오일에 의한 영향일 가능성이 높다. 두 연소모드의 경우 연료의 약 70 %를 조기 분사하여 균질한 혼합기를 형성하는데 이러한 조기 분사에 의한 혼합기 연소 시 발생하는 실린더 벽면에서의 엔진오일이 함께 유입되어 발생할 수 있다. 이는 ash 입자들의 성분분석에 대한 추가 연구가 필요하다.

Fig. 6

Particle size distributions for (a) Test A, (b) Test B, and (c) T est C operation conditions

희박연소의 경우 23 nm 이상의 입자성물질의 경우 이론공연비 연소에 비해 모든 조건에서 개수 농도가 낮으며 Nuclei 모드가 강하게 나타나는 Bimodal 형태는 띄는 반면 이론공연비 연소에서는 전형적인 입자성물질 농도 분포 형태가 아닌 평평한 형태의 분포도를 보이고 있다. 이는 동일 엔진을 사용하는 이전 연구^16,17)에서도 유사한 경향을 보이며 일반적인 가솔린 직접 분사식 엔진의 특징이기 보다 시험 엔진의 형상과 연료 분사 조건에 따른 불균일 혼합물 형성에 의한 영향으로 보인다. 희박연소의 경우 연소 초기에 급격한 연소로 인하여 상대적으로 고온영역이 형성되어 이론공연비 연소에 비하여 입자성물질 성장이 억제되었을 것으로 판단된다.

3.3 연소모드에 따른 연소실 화염 특성

Fig. 7과 8은 운전조건과 연소모드에 따른 화염 강도에 대한 평균 신호를 크랭크각도별로 나타냈다. 각 화염 강도는 열발생률 곡선과 함께 표기하였으며 신호곡선은 열발생률과 비교하여 유사한 형태를 따를 때를 정상연소로 볼 수 있으며 형태가 다르거나 정상 최댓값이 아닌 다른 지점에서 최댓값을 보이는 형태일 경우 비정상연소 또는 확산연소 거동으로 판단할 수 있다.^15,18)

Fig. 7

Averaged flame luminosity(solid line) and heat release rate(dash dot line) as a function of crank angle for stoichiometric combustion mode

Fig. 8

Averaged flame luminosity(solid line) and heat release rate(dash dot line) as a function of crank angle for lean combustion mode

각 채널별 신호는 Fig. 2에 표시된 위치를 나타내며 100 사이클의 신호값을 평균하여 나타낸 값으로 특이 사이클의 값의 영향은 적으며 연소실 내에서 발생하는 일반적인 연소거동을 나타낸다. 이론공연비 연소의 경우 모든 운전조건에서 Ch2에서 지속적으로 확산 화염 형태의 이상거동을 보이고 있다. 이 위치는 인젝터 끝 부분으로 연료가 분사된 이후에 인젝터 표면에 남아 있는 연료 액적이 연소하면서 발생하는 강한 화염으로 보인다. 이로부터 다량의 수트가 발생할 수 있으며 부하와 엔진 속도가 높아질수록 확산화염의 강도가 커지면서 다량의 입자성 물질 생성을 예측할 수 있다. 인젝터 부근의 확산 화염을 제외하고는 모든 채널에서는 열발생률 곡선과 유사한 성장속도로 화염 강도가 커지며 화염 밝기에 영향을 미치는 CO와 OH 산화 반응이 약간 시간 차이를 두고 발생하여 최댓값의 시간차이가 발생한다.

희박연소 모드인 Fig. 7의 경우에는 화염강도가 이론이론공연 비교하였을 때 약 3∼4배 정도 강하게 나타나기 때문에 화염밝기 강도의 스케일 표기를 다르게 하였다. 이는 초기 연소에 농후한 혼합기 영역 연소로 인한 강한 확산화염의 밝기로 인해 발생하였다. 이론공연비 연소 모드와 비교하여 화염 신호 형태가 불규칙적이며 채널간 화염의 크기 변화가 크게 발생함을 알 수 있다. Test A의 운전조건의 경우 화염 성장시 불안정한 화염 거동을 보이며 점화장치의 끝 부분을 시작으로 인젝터 방향으로 큰 확산화염 거동을 보인다. 다른 운전조건과 비교하여 상대적으로 낮은 연료량으로 인해 안정적인 연소거동을 보이지 않으며 이로부터 크기가 큰 입자성 물질이 다량으로 발생하며 불안정한 연소로 인해 시험마다 나오는 입자성물질의 농도 편차가 크게 나타난다. 연소특성에 의한 변화는 50 nm 이하의 입자크기 농도에 대해서는 영향이 거의 없으나 그 이상으로는 개수 농도변화가 크게 발생하며 이는 전체 수트 질량 농도 변화에도 영향을 준다.

고속 고부하 조건으로 갈수록 희박연소의 화염변화는 상대적으로 안정적으로 변하며 연소실 위치에 따른 화염강도는 다르게 나타나나 사이클별 변화는 크지 않게 나타난다. Test B와 C의 운전조건에서도 이론공연비와 마찬가지로 인젝터 끝 부분에서 발생하는 확산화염 형태의 신호가 동일하게 측정이 된다.

4. 결 론

본 연구는 직분사 가솔린 엔진에서의 희박연소와 이론공연비 연소 모드에서 연소, 화염 거동 및 입자물질의 특성에 대해서 시험을 한 결과 운전조건에 따라 다음과 같은 결론을 도출하였다.

• 1) 다단분사를 통한 고속 고부하에서의 안정적인 희박연소가 가능하며 이를 통해 이론공연비 연소에 비해 최대 10 %의 연료소비를 감소할 수 있다.
• 2) 입자성물질의 질량 농도는 이론공연비 연소에서 배출되는 큰 입자의 개수 농도가 희박연소보다 다량으로 배출되며 전형적인 Bimodal 농도 분포와 다르게 입자크기별 개수 농도가 유사한 평평한 형태의 농도 분포 특성을 가진다.
• 3) 화염확산 거동은 이론공연비에서는 운전조건과 관계없이 예혼합연소 거동을 보이는 반면 희박연소에서는 농후한 혼합기의 연소로 인해 강한 화염이 급격하게 발생하고 확산 화염의 거동을 나타낸다.
• 4) 연소모드에 따른 입자배출물은 입자의 크기가 50 nm 이상의 경우 연소특성에 대한 영향을 받는 반면 50 nm 이하의 경우 초기 분사된 연료에 의한 실린더 벽면 액면의 연소 또는 연료 성분에 의한 영향이 크다.

Acknowledgments

이 논문은 부경대학교 자율창의학술연구비(2019년)에 의하여 연구되었음.

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