1.0 L T-GDI FFV 엔진의 최적 점화시기에 관한 실험적 연구
; Yongseok Cho*, 2)
; Junsang Yoo1)
; Taeyong Lee1) ; Byounghyouk Min3)
; Juhyeong Seo3)
Copyright Ⓒ 2021 KSAE / 193-04
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Abstract
There is a growing demand for alternative fuels to replace traditional fossil fuels, which are at risk of depletion. Among them, bioethanol is attracting attention as an alternative to gasoline. The purpose of this study is to improve the performance of the 1.0 L T-GDI FFV engine when using E30 and E50 fuels under most frequently used operating conditions. Engine test results showed that the stock spark timings were already set to MBTs under lower load conditions of 60 % (amount of air) or less. On the other hand, it was found that the stock spark timings were not set to MBTs under higher load conditions of 80 % to 120 %. By optimizing the ignition timings under these higher load conditions, engine performance has improved significantly. For example, torque and BSFC improved up to 10.8 % and 9.6 %, respectively. The authors anticipate that the results of this research should be used to improve the performance of the FFV engine.
Keywords:
Ethanol, Gasoline, Flexible fuel vechicle(FFV), Octane number, Spark timing키워드:
에탄올, 가솔린, 가변연료차량, 옥탄가, 점화시기1. 서 론
전 세계적으로 온실가스 배출량에 대한 관심이 커지고 있으며, 이에 따라 자동차가 배출하는 CO2 배출량 규제를 만족시키기 위한 여러 대응 방안이 연구되고 있다. 그 중, 바이오 연료, 특히 바이오 에탄올은 CO2 배출량이 적고, 현재 사용 중인 가솔린 엔진에 개조 없이 적용 가능한 이점이 있어 각광 받고 있다.1) 특히, 바이오 에탄올은 식물자원인 사탕수수와 옥수수 등을 발효시켜 생산하는 천연연료로 가솔린 대비 옥탄가가 높은 특성을 가지고 있다.4)
브라질의 경우 가솔린에 27 %의 바이오 에탄올을 의무적으로 혼합하여 사용해야 하는 정책이 시행되고 있으며, FFV 차량이 전체 차량의 95 % 이상을 차지하고 있다.2) 최근엔 브라질을 비롯하여 미국, 유럽 등 많은 나라에서 가솔린-에탄올 혼합 연료의 사용량이 증가하는 추세이다.3)
에탄올 연료는 가솔린에 다양한 비율로 혼합하여 사용할 수 있고 가솔린 기관의 구조 변경 없이 사용가능하며, 높은 옥탄가 및 증발 잠열 특성으로 인해 내노크성이 가솔린보다 우수하다.4) 이런 장점으로 인해 대체연료 중 가장 활발하게 FFV에 사용되고 있다.
이전의 1.6 L 자연흡기 FFV 엔진 연구에서는 성능 및 연비 향상을 위해 혼합 연료의 옥탄가를 기반으로 한 최적 점화시기 제어 로직을 제안하였는데,5) 이번의 1.0 L T-GDI FFV 엔진 연구에서는 가솔린-에탄올 혼합 연료의 혼합률에 따른 점화시기를 최적화한다면 성능 개선의 가능성이 있는지를 분석하였다.
2. 실험 장비 및 실험조건
1.0 L T-GDI FFV 엔진의 실험 조건별 가솔린-에탄올 혼합 연료의 연소특성 파악을 위하여 엔진 벤치 실험을 수행하였다.
2.1 대상 엔진
본 연구에서는 1.0 L T-GDI FFV 엔진을 사용하였다. 주요 제원과 대상 엔진의 사진을 Fig. 1과 Table 1에 나타내었다. 가솔린-에탄올 혼합 연료를 공급하기 위해 연료공급 장치를 제작하여 사용하였다. 본 연구에서 사용된 엔진 실험 벤치의 개략도를 Fig. 2에 나타내었다.
Photograph of 1.0 L T-GDI FFV engine
Specifications of 1.0 L T-GDI FFV engine
Schematic diagram of 1.0 L T-GDI FFV engine test bench
Experimental conditions
2.2 실험조건
본 연구에서는 FFV 연료의 혼합률에 따른 연소특성 분석 실험을 수행하였다. 엔진의 실사용 영역을 고려하여 엔진 회전속도 1,200~2,800 rpm, 공기량 20~120 % 조건에서 실험을 진행하였고, 해당 조건에서 가솔린-에탄올 혼합 연료의 연소특성을 분석하였다. 여기서 공기량은 실린더 체적 대비 실제 충전된 공기의 체적비율을 의미한다.6)
연료는 브라질에서 FFV에 사용하는 연료와 동일하게 제작하였다. E100 연료는 4.9 %의 물을 함유하고 있는 유수 에탄올을 사용하였고, 가솔린-에탄올 혼합 연료는 가솔린과 무수 에탄올을 체적비로 혼합하여 만들었다. 본 실험에 사용한 가솔린-에탄올 혼합 연료는 E30 및 E50 연료이며, 전체 체적 대비 에탄올 연료가 각각 30 % 및 50 % 되도록 혼합하여 제작하였다. 가솔린의 경우, 시중에 판매되는 옥탄가 RON92연료를 사용하였다.
연료의 유량을 정확히 측정하기 위하여 Oval의 Mass Flow Meter를 사용하였고, 측정된 연료소비율을 기반으로 BSFC를 계산하였다.
AVL의 EC 엔진 동력계를 사용하여 엔진 회전속도, 부하 등을 제어하였고, ETAS의 INCA를 통해 엔진의 작동상태를 확인하며 연료 혼합률, 점화시기, 스로틀 개도량 등의 제어변수를 변경하였다.
Kistler의 스파크 플러그형 압력센서로 실린더 내부 압력을 측정하여 National Instruments의 LabVIEW를 통해 실시간으로 확인 및 저장하였다. 측정한 압력 데이터를 이용하여 ROHR 및 MFB를 계산하였다.
3. 엔진실험결과
3.1 1.0 L T-GDI FFV 엔진의 기존 점화시기에서의 연소특성
먼저, 엔진 회전속도 1,200~2,800 rpm, 공기량 20~60 % 중⋅저부하 조건에서의 엔진 실험 데이터를 활용하여 가솔린-에탄올 혼합 연료의 혼합률에 따른 연소 특성을 비교 분석하였다.
엔진 회전속도 1,200 rpm 및 2,800 rpm, 공기량 40 % 조건의 연료별 실린더 내부압력과 ROHR 결과를 Fig. 3과 Fig. 4에 각각 나타내었다. 두 조건 모두 실린더 내부압력 피크점은 18 °ATDC 부근에, ROHR 최고점은 12 °ATDC 부근에 위치하였다. 이들 조건에서는 점화시기를 진각시켜도 출력이 증가되지 않아 기존 점화시기가 MBT임을 확인하였다.7)
Cylinder pressure and ROHR at 1,200 rpm and 40 % load
Cylinder pressure and ROHR at 2,800 rpm and 40 % load
Fig. 5와 Fig. 6은 같은 실험조건에서의 MFB 결과이다. 모든 연료의 CA50*이 12 °ATDC 부근에 위치하는 것을 확인할 수 있었다.
Mass fraction burned at 1,200 rpm and 40 % load
Mass fraction burned at 2,800 rpm and 40 % load
엔진 회전속도 1,200~2,800 rpm, 공기량 60 % 이하의 조건들에서는 위 실험 결과와 모두 동일한 경향성을 보였으며, 점화시기가 모두 MBT임이 확인되었다. MBT는 노킹이 발생하지 않으면서 최대 토크를 내는 점화시기로 판단하였으며, 같은 토크를 내는 경우 내구성을 고려하여 가장 지각된 점화시기를 MBT로 판단하였다.
따라서, 공기량 60 % 이하의 중ㆍ저부하 조건에서는 점화시기가 MBT로 설정되어 있기 때문에 성능 개선의 여지가 없는 것으로 판단하였다.
다음은 엔진 회전속도 1,200~2,800 rpm, 공기량 80~120 % 중⋅고부하 조건의 엔진 실험 데이터 분석 결과이다.
엔진 회전속도 1,200 rpm 조건에서는 공기량 100 % 조건까지만 실험을 진행하였으며, 실험 데이터 분석으로 취득한 실린더 압력, ROHR 및 MFB를 Fig. 7과 Fig. 8에 나타내었다.
Cylinder pressure and ROHR at 1,200 rpm and 100 % load
Mass fraction burned at 1,200 rpm and 100 % load
본 조건에서는 중⋅저부하 조건과 다르게 실린더 압력 최고점은 25~35 °ATDC 부근에 위치하였으며 ROHR 최고점은 20~30 °ATDC 부근에 위치하였다.
CA50이 E50 연료는 24 °ATDC 부근, E100 연료는 22 °ATDC 부근에 위치하는 것을 확인하였고 E0와 E30 연료의 CA50이 약 31~32 °ATDC에 위치하고 있는 것을 확인하였다. 이 조건들에서는 CA50이 10 °ATDC에 비하여 많이 지각되어 있어 점화시기 진각이 가능할 것으로 판단하였다.
Fig. 9와 Fig. 10에 엔진 회전속도 2,800 rpm, 공기량 120 % 조건에서의 압력과 ROHR을 나타내었다. 공기량 80 % 이상인 조건에서 E0와 E30 연료의 압력과 ROHR은 비슷한 경향을 보여주었다. 두 연료의 점화시기가 동일하기 때문에 연소 위상도 동일한 것으로 판단된다.
Cylinder pressure and ROHR at 2,800 rpm and 120 % load
Mass fraction burned at 2,800 rpm and 120 % load
공기량 80 % 이상인 조건에서 E0와 E30 연료의 CA50이 30 °ATDC 부근, E50과 E100 연료의 CA50이 20 °ATDC 부근에 위치하였다.
이러한 경향은 공기량 80 % 이상의 모든 실험조건과 엔진 회전속도 전체 영역인 1,200~2,800 rpm 조건에서 비슷하였다. 이 실험 결과를 바탕으로, 공기량 80~120 % 조건에서 MBT로 점화시기 진각을 통한 성능 개선의 가능성을 확인하였다.
3.2 1.0 L T-GDI FFV 엔진의 점화시기 진각량 변화에 따른 연소특성
엔진 회전속도 1,200~2,800 rpm, 공기량 80~120 % 인 조건에서 점화시기를 MBT로 진각함에 따라 연소특성이 어떻게 변화하는지 실험을 진행하였다. E0 연료와 E100 연료의 경우 기존 점화시기가 MBT로 작동하는 것을 확인하였으며, 제작사에서 최적화를 한 것으로 판단하여 혼합연료에 대한 실험 내용만 다루었다.
Fig. 11과 Fig. 12는 엔진 회전속도 1,200 rpm, 공기량 100 % 조건에서 E30 연료와 E50 연료의 점화시기 진각을 통한 연소특성을 분석한 결과이다. 공기량 80~120 % 조건에서 E30 연료와 E50 연료 모두 실린더 내부 압력이 크게 상승하였다. Fig. 12에 나타낸 MFB 결과에 따르면 E30 연료의 CA50이 약 29 °ATDC 부근에서 18 °ATDC 부근으로 이동하었다. 또한, E50 연료의 CA50이 23 °ATDC 부근에서 14 °ATDC 부근으로 이동하였다. Fig. 13은 MFB를 0~10 %, 10~50 %, 50~90 %로 구간을 나누어 나타낸 것이다. 점화시기 진각을 통하여 E30 연료의 총 연소기간이 9.85 °감소되었고, E50 연료는 5.47 °감소되었다.
Cylinder pressure and ROHR of E30 and E50 with spark advance at 1,200 rpm and 100 % load
Mass f raction burned o f E30 and E50 with spark advance at 1,200 rpm and 120 % load
Burn duration of E30 and E50 with spark advance at 1,200 rpm and 100 % load
엔진 회전속도 2,800 rpm, 공기량 120 % 조건에서 점화시기를 MBT로 제어했을 때의 결과를 Figs. 14~16에 나타내었다. 점화시기 진각을 통해 E30 연료와 E50 연료의 실린더 최고 압력과 ROHR 최고점이 상승하였다. CA50의 경우 E30 연료는 29 °ATDC 부근에서 13 °ATDC 부근으로 이동하였으며, E50 연료는 23 °ATDC 부근에서 9 °ATDC 부근으로 이동하였다. 총 연소 기간은 E30 연료가 12.45 °, E50 연료가 5.73 ° 감소하는 결과를 보였다.
Cylinder pressure and ROHR of E30 and E50 with spark advance at 2,800 rpm and 120 % load
Mass fraction burned o f E30 and E50 with spark advance at 2,800 rpm and 120 % load
Burn duration of E30 and E50 with spark advance at 2,800 rpm and 120 % load
엔진 회전속도 1,200~2,800 rpm, 공기량 80~120 % 조건에서는 위와 동일한 경향성을 보여주었으며, E30 연료와 E50 연료의 MBT까지 점화시기 진각을 통하여 연소 특성 개선이 가능함을 확인하였다.
3.3 1.0 L T-DGI FFV 엔진의 점화시기 최적화를 통한 성능 및 연비특성 개선
엔진 회전속도 1,200 rpm, 공기량 100 % 조건과 2,800 rpm, 공기량 120 % 조건에서 기존 점화시기로 제어했을 때의 출력과 MBT로 제어했을 때의 출력을 비교하여 Fig. 17과 Fig. 18에 나타내었다.
Torque of E30 and E50 at 1,200 rpm and 100 % load
Torque of E30 and E50 at 2,800 rpm and 120 % load
엔진 회전속도 1,200 rpm 조건에서 E30 및 E50 연료의 토크는 각각 9.9 N⋅m와 5.0 N⋅m, 즉, 10.3 %와 7.9 % 개선되었다. 엔진 회전속도 2,800 rpm 조건에서는 E30 및 E50 연료의 토크는 각각 13.2 N⋅m와 9.0 N⋅m, 즉, 10.8 %와 4.9 % 향상되었다.
동일 조건에서 측정한 BSFC를 Fig. 19와 Fig. 20에 나타내었다. 엔진 회전속도 2,800 rpm, 공기량 120 % 조건에서 E30 연료의 BSFC가 약 9.6 % 감소하여 가장 높은 향상률을 보였다.
BSFC of E30 and E50 at 1,200 rpm and 100 % load
BSFC of E30 at 2,800 rpm and 120 % load
실험 데이터 분석 결과, 공기량 80~120 % 조건에서 에탄올의 높은 옥탄가를 반영하여 점화시기를 진각하였을 때 연소기간이 단축되고 엔진 성능과 BSFC가 개선되는 것을 확인하였다.
4. 결 론
본 연구에서는 1.0 L T-GDI FFV 엔진을 대상으로 가솔린-에탄올 혼합 연료별 연소 및 성능특성을 분석하기 위한 실험을 진행하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 1) 연소특성 실험 결과를 보면, 모든 엔진 회전속도조건의 공기량 60 % 이하 중⋅저부하 영역에서는 점화시기가 MBT로 설정되어 있었으며, 공기량 80~120 % 조건에서는 점화시기가 MBT보다 지각되어 있었다.
- 2) 공기량 80~120 % 조건에서 E30 연료와 E50 연료의 점화시기를 진각 시킬 경우, CA50이 10 °ATDC 부근으로 이동하는 것을 확인하였다. 엔진 회전속도 2,800 rpm, 공기량 120 % 조건에서 E30 연료의 연소 기간은 최대 34.5 °단축되었다. 이는 에탄올의 높은 옥탄가를 반영한 최적 점화시기가 연소특성을 향상시켰기 때문으로 판단된다.
- 3) 공기량 80~120 % 조건에서 E30 연료와 E50 연료의 점화시기 진각 시킬 경우 엔진 회전속도 2,800 rpm, 공기량 120 % 조건에서 E30 연료의 토크는 최대 10.8 % 증가, BSFC는 최대 9.6 % 감소하였다.
- 4) 엔진 회전속도 1,200~2,800 rpm, 공기량 80 % 이상의 모든 중⋅고부하 조건에서 E30 및 E50 연료의 점화시기를 MBT로 제어한다면 엔진의 성능 및 연료소비율을 개선시킬 수 있음을 확인하였다.
이 결과는 FFV 엔진의 성능 최적화를 위한 자료로 활용되길 기대한다.
Subscripts
| FFV : | flexible fuel vehicle |
| ROHR : | rate of heat release |
| MFB : | mass fraction burned |
| CA50 : | crank angle at 50 % burn point |
| BSFC : | brake specific fuel consumption |
| MBT : | maximum brake torque timing |
| ATDC : | after top dead center |
| LSPI : | low speed pre ignition |
Acknowledgments
본 연구는 환경부에서 지원하는 글로벌탑환경기술개발사업 연구결과의 일부이며, 관계기관에 감사의 뜻을 전합니다.
References
- Nobuo et al., Bio Fuel, Iljinsa, Seoul, 2012.
- R. Kim, S. Oh, J. Kang, J. Seo and B. Min, “A Study on Exhaust Characteristics of 1.0 L T-GDI Flex-Fuel Vehicle by Ethanol Concentration,” KSAE Fall Conference Proceedings, p.309, 2019.
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- D. Y. Lee, M. Y. Kim, S. Y. Ha, H. G. Roh and C. S. Lee, “Combution and Exhaust Emission Characteristics of a SI Engine Fueled with Ethanol-Gasoline Blended Fuel,” KSAE Fall Conference Proceedings, pp.428-433, 2007.
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