실험에 사용된 엔진은 1 L 급 2기통 4행정 가솔린 터보 엔진으로, 대상 엔진의 상세 제원은 Table 2와 같다. 엔진의 회전속도과 토크를 제어하기 위해 300 W 급 교류동력계 D2T MDA 300(최대 토크: 700 Nm, 최대 속도: 10,000 rpm)를 엔진과 결합하였으며, 연료의 유량 측정을 위해 ONO SOKKI FZ-2100 유량계(정확도: ±0.1 %)를 장착하였다. 공연비를 측정하기 위해 산소 센서가 포함된 ETAS의 공연비 측정 모듈 ES630.1을 사용하였으며, 배기가스 분석기 HORIBA MEXA-1600DEGR를 통해 CO, HC, NOx 등의 배출물을 측정하였다. CO는 적외선 비분산법(NDIR)을 통해 측정되며, HC와 NOx 배출물은 각각 불꽃 이온화검출기(FID)와 화학 발광감지기(CLD)를 통해 측정된다.

모든 실험은 엔진을 충분히 예열한 상태에서 진행되었다. 배기량 1 L 급 엔진이 탑재된 차량의 경제운전 조건인, 회전속도 1700 rpm, BMEP 4.5 bar에서 실험을 진행하였으며, 점화시기는 27°CA BTDC이다. 실험에 사용된 연료는 가솔린과 OME₂이며, 연료의 구성은 OME₂의 에너지비율 0 %에서 최대 12 %까지로 이루어져 있다. OME₂의 에너지비율(β_O)은 다음과 같은 공식으로 정의된다.

이때, m_O와 m_G는 각각 OME₂와 가솔린의 질량(kg)을 나타내며, L_O와 L_G는 각각 OME₂와 가솔린의 저위발열량(MJ/kg)을 나타낸다.

공연비는 이론공연비인 람다 1 조건이며, 람다는 다음과 같은 공식으로 정의된다.

이때, V˙air는 정상상태에서의 공기의 체적유량(L/h)을, ρ_air는 정상상태에서의 공기의 밀도(kg/L)를 나타내고, m˙O와 m˙g는 각각 OME₂와 가솔린의 질량 유량(kg/h)을 나타내며, AF_Ost와 A_Fgst는 각각 OME₂와 가솔린의 이론공연비(AF_Ost=6.47, AF_gst=14.7)를 나타낸다. 위의 실험 조건들을 정리하여 Table 3에 나타내었다.

상용 엔진 연소해석 프로그램인 GT-Suite를 사용하여, Table 2의 엔진 제원과 정상 상태 실험 데이터를 바탕으로 Fig. 1과 같이 대상 엔진에 대한 1-D 모델을 구축하였다. 그리고 BMEP, 토크, NOx 배출량 등 엔진의 성능 및 배출물을 보여주는 주요 인자 6가지를 Table 4와 같이 선정하여 10 % 이내 오차를 가지도록 모델의 신뢰도를 확보하였다.

Fig. 1 
GT-Suite engine model

구축한 1-D 모델에 대한 신뢰도를 확보하기 위하여, 시뮬레이션 상에서 연소, 마찰, NOx에 대한 3가지 변수를 실험계획법(DOE)으로 선정하였다.¹¹⁾ 먼저, 연소 모델구현은 SI 난류화염모델(SI turbulent flame combustion model)을 사용하였는데, 이는 SI 엔진에 대한 예측적 연소 모델로, 실린더 내 연소율, 배기가스 배출 및 노킹 발생 등을 예측하는 데 사용된다. 연료 및 공기의 균질 혼합물뿐만 아니라층상 혼합물 또한 예측할 수 있으며, 연소실 형상, 점화 위치 및 시기, 실린더 내 가스의 조성 및 흐름 등의 변수를 이용하여 예측한다. 두번째로 마찰에 대한 모델은 최고 실린더 압력 및 피스톤 속도 값을 이용하여 계산하는 Chen-Flynn engine friction 모델을 통하여 엔진의 FMEP를 결정하였다. 마지막으로, 배출되는 NOx양은 실험 데이터를 기반으로, NOx 값 자체의 멀티플라이어와 N2 산화 활성화 에너지 변수를 이용하였다. 위의 3가지 영역에서의 변수들에 대하여 각각 적절한 수준(Level)을 구성하고, 실험계획법의 완전요인배치법을 이용하여 신뢰도를 확보하였다.

수치해석은 동일하게 엔진 회전속도 1700 rpm에서 진행하였으며, OME₂의 첨가 비율을 0 %에서 12 %까지 단계별로 증가시켰다. 점화시기는 기존의 가솔린 연료와 OME₂ 연료의 특성 차이를 고려하기 위해서, 1700 rpm의 엔진 회전속도에 대하여 각 첨가비율에 따라 최대 제동 토크가 발생하는 점화 시기(MBT)를 채택하였다. 또한 연료의 첨가 비율 변화에 따른 엔진 성능 및 배출가스 배출량의 변화를 뚜렷하게 확인하기 위해, 모든 해석 조건에 대하여 연료량을 2 kg/h로 동일하게 설정하였으며, 공연비는 이론공연비 조건을 유지하였다. 상기와 같은 수치해석 조건을 통해 OME₂ 첨가 비율에 따른 열효율, IMEP 등의 엔진 성능과, 질소산화물의 배출량의 변화를 확인하였다.

Fig. 2는 구축한 엔진 모델에 2 kg/h의 동일한 양의 연료가 주입되었을 때, 1700 rpm, MBT 조건에서 각 OME₂의 에너지비율에 따른 연료의 에너지유량을 나타낸 그래프이다. 연료 내 OME₂의 에너지비율이 커질수록 연료의 총 에너지유량은 꾸준히 감소하여, OME₂의 에너지비율이 12 %일 때 기존의 가솔린 연료만 사용했을 때보다 약 10.53 % 감소하였다. Table 1에서와 같이 OME₂의 상대적으로 낮은 저위발열량으로 인해 동일한 양의 연료가 주입되었을 때, 연료 내 OME₂의 에너지비율이 커질수록 연료의 에너지유량은 감소한 것을 알 수 있다.

Fig. 2 
Fuel energy flow rate according to OME₂ energy ratio

Fig. 3은 동일한 해석 조건에서 각 OME₂의 에너지비율에 따른 도시평균유효압력(IMEP)를 나타낸 그래프이다. OME₂가 첨가되지 않은 0 %일 때의 IMEP는 약 6.21 bar로 가장 큰 것을 확인할 수 있고, 연료 내 OME₂의 에너지비율이 커질수록 IMEP는 꾸준히 감소하여 OME₂의 에너지비율이 12 %일 때 5.63 bar로 가장 작은 값을 가지며, 0 %일 때보다 약 9.27 % 감소한 것을 확인할 수 있다.

Fig. 3 
Indicated mean effective pressure according to OME₂ energy ratio

다만 Fig. 4는 OME₂의 에너지비율에 따른 열효율을 나타낸 그래프로, OME₂의 첨가 비율이 커짐에 따라 열효율은 증가하는 것을 확인할 수 있다. OME₂가 첨가되지 않고 기존의 가솔린 연료만 사용한 경우 열효율은 약 35.68 %로 가장 낮았지만, OME₂를 첨가할수록 열효율은 꾸준히 증가하여, OME₂의 에너지비율이 12 % 첨가된 경우 약 36.99 %로 가장 높았다. 이는 0 % 에너지 비율의 경우보다 약 3.67 % 증가한 수치이다. 열효율이 증가한 이유는 OME₂가 첨가됨에 따라 그림 2에서와 같이 엔진으로 투입되는 연료의 전체 에너지유량은 감소하였지만, Fig. 3에서와 같이 도시평균유효압력은 더 적게 감소하였기 때문이다. 즉, OME₂의 상대적으로 낮은 발열량으로 인해 연료의 전체 에너지유량은 감소하였지만, 연소 과정에서 OME₂의 빠른 증발 속도로 인해 연료와 흡기가 더욱 균일하게 혼합할 수 있었고, OME₂의 분자 구조 내에 포함된 산소로 인해 연료의 완전 연소 비율이 높아지게 되었다.¹²⁾ 또한 OME₂의 낮은 자발화 온도로 인한 빠른 화염전파속도로 인해, 가솔린 연료의 산화과정을 더욱 촉진시켜 전체적인 열효율은 증가하게 되었다.¹³⁾

Fig. 4 
Indicated thermal efficiency according to OME₂ energy ratio

Fig. 5는 각 OME₂의 에너지비율에 따른 제동연료소비율(BSFC)를 나타낸 그래프로, BSFC는 연료의 경제성을 확인하는 척도로 사용될 수 있다. OME₂의 에너지 비율이 증가함에 따라 OME₂의 상대적으로 낮은 발열량으로 인해 성능 대비 더 많은 연료가 필요하게 되었고, 그에 따라 BSFC는 증가하는 것을 확인할 수 있다. OME₂의 에너지비율이 0 %일 때 BSFC는 약 265.98 g/kWh인 반면, OME₂의 에너지비율이 12 %로 증가했을 때 BSFC는 약 294.18 g/kWh로 약 10.6 % 증가하였다.

Fig. 5 
Break specific fuel consumption according to OME₂ energy ratio

NOx 생성 반응에서 가장 큰 영향을 미치는 요인은 연소온도이다. 즉, 연소온도가 높아질수록 NOx 생성이 촉진되며, 연소온도가 감소할수록 NOx 배출량은 감소하게 된다. Fig. 6은 OME₂의 에너지비율의 변화에 따른 질소산화물의 배출량을 나타낸 그래프이다. OME₂의 에너지비율이 가장 높은 12 %에서 질소산화물 배출량이 가장 적은 것을 확인할 수 있으며, 이는 OME₂가 첨가되지 않았을 때보다 약 35.67 % 감소한 수치이다. OME₂의 에너지비율이 커짐에 따라 연료의 총 에너지유량이 감소하였고, 따라서 엔진의 실린더 내에서 연소온도가 감소하여 질소산화물 배출량이 감소하였으며, 한편으로 OME₂의 분자 구조 내 높은 산소 함량 또한 질소산화물 배출 감소에 도움이 되었다.

Fig. 6 
NOx emissions according to OME₂ energy ratio