[논문]직접분사식 가솔린 엔진의 연소제어인자에 따른 희박연소 특성 연구

박철웅; 오진우; 김홍석

doi:10.7467/ksae.2012.20.4.039

문제 정의

불안정한 희박연소는 오히려 효율의 감소와 미연탄화수소의 증가를 발생시키며, 넓은 희박가연한계를 갖지 못하면 질소산화물(NO_x)을 저감시키는데 한계가 있다. 본 논문에서와 같이 분무유도방식의 직접 분사연소를 하는 목적도 성층혼합기의 형성이 용이하고 실린더 내부 유동에 독립적으로 점화가 가능한 특성을 이용하고자 함이다.
본 연구에서는 분무유도방식의 초희박 GDI 엔진 시제품을 이용하여 연료분사시기 및 분사회수 등의 연소제어인자 변화에 따른 연소 및 배기 특성을 확인한 결과 다음과 같은 결론을 얻을수 있었다.
본 연구에서는 초희박 GDI 엔진연소 최적화를 위한 제어변수 적용방안을 검토하기 위해 상용화되어 판매되고 있는 MPI(multi point injection)방식의 가솔린 엔진을 개조하여 분무유도방식의 연료공급시스템을 설치하였다. 개발된 초희박 GDI 엔진에서 주요 연소제어인자에대한 성능 실험을 실시하였다.
이에 본 연구에서는 분무유도방식의 초희박 GDI 엔진 개발을 위한 선행 연구로써 분무유도방식의 초희박 GDI 엔진 시제품 개발하였고, 최적 연소 방식의 선정을 위하여 각각의 연소 제어인자를 변경하면서 연소특성을 파악하였다. 희박연소 시 점화 시기를 포함한 연료분사시기 및 연료분사회수 등의 연소제어인자 변화에 따른 연소 및 배기특성을 이론공연비 연소조건과 비교하였다.

제안 방법

엔진에서 연소되는 혼합기가 희박할수록 연료소비율 개선에 유리하지만 연소안정성의 악화가 동반되는 것이 일반적이기 때문에 이를 극복하기 위한 연소제어인자의 최적화가 요구된다. Table 2와 같이 이전의 연구결과로부터 저속 중부하에 해당하는 2,000 rpm, BMEP 0.4 MPa 운전조건에서 다단분사를 통해 연비의 저감 및 연소안정성 확보 효과를 확인하였기 때문에, 본 연구의 운전조건인 저속 저부하 조건에서의 공기과잉율의 변화 및 분사전략에 따른 연소성능 및 배출가스 특성을 살펴보았다.
본 연구에서는 초희박 GDI 엔진연소 최적화를 위한 제어변수 적용방안을 검토하기 위해 상용화되어 판매되고 있는 MPI(multi point injection)방식의 가솔린 엔진을 개조하여 분무유도방식의 연료공급시스템을 설치하였다. 개발된 초희박 GDI 엔진에서 주요 연소제어인자에대한 성능 실험을 실시하였다.
분무유도방식을 적용한 헤드를 설계 및 제작하여 실린더 헤드의 중앙에 개방형 노즐을 갖는 피에조 타입의 고압 인젝터와 점화플러그를 장착하였으며, 엔진의 제원을 Table 1에 나타내었다. 고압연료분사가 가능하도록 배기캠 샤프트에 플런저방식의 고압펌프를 장착하였고, 연료량 제어 밸브(FCV; Fuel control vale)에 인가되는 전압의 Duty를 제어함으로써 펌핑부에 유입되는 연료량을 제어하여 연료분사압력을 제어하였다. 다채널 피에조 인젝터 드라이버와 컴퓨터에 의해 제어되는 Universal ECS(Engine Control System)를 사용하여 각 연소실로 공급되는 연료의 분사량과 분사시기 및 분사회수를 임의로 조절이 가능하도록 하였다.
고압연료분사가 가능하도록 배기캠 샤프트에 플런저방식의 고압펌프를 장착하였고, 연료량 제어 밸브(FCV; Fuel control vale)에 인가되는 전압의 Duty를 제어함으로써 펌핑부에 유입되는 연료량을 제어하여 연료분사압력을 제어하였다. 다채널 피에조 인젝터 드라이버와 컴퓨터에 의해 제어되는 Universal ECS(Engine Control System)를 사용하여 각 연소실로 공급되는 연료의 분사량과 분사시기 및 분사회수를 임의로 조절이 가능하도록 하였다. 실린더별로 공기과잉율을 측정할 수 있도록 각각의 배기 매니폴드에 광역산소센서(LA4, ETAS co.
연소제어인자의 변화에 따른 연소특성분석은 각각의 실린더에 장착된 실린더 압력 센서와 연소 분석기를 통해 이루어졌다. 배기가스의 측정은 삼원촉매의 전단에 가스 추출라인(Gas sampling line)을 장착하여 배기가스 분석계(AMA i60, AVL)에서 측정되도록 하였다.
본 연구의 대상이 되는 승용 가솔린 엔진에서 자주 사용되는 운전영역 중의 하나로서 연비 시험에도 적용되는 운전조건인 1,500 rpm, BMEP(Brake mean effective pressure) 0.15 MPa 조건으로 운전조건을 고정하여 실험을 수행하였다. 이론 공연비 조건과 희박한계 조건에서 점화시기와 연료분사시기의 변경을 통하여 최적 점화시기 및 최적 연료분사시기를 결정하였으며, 엔진이 충분히 Warm-up 된 상태에서 냉각수의 온도가 83±2℃에서 유지되도록 냉각수온 조절 시스템을 설정하였다.
1에 본 연구에 사용된 시험장치의 전체적인 구성을 나타내었다. 분무유도방식을 적용한 헤드를 설계 및 제작하여 실린더 헤드의 중앙에 개방형 노즐을 갖는 피에조 타입의 고압 인젝터와 점화플러그를 장착하였으며, 엔진의 제원을 Table 1에 나타내었다. 고압연료분사가 가능하도록 배기캠 샤프트에 플런저방식의 고압펌프를 장착하였고, 연료량 제어 밸브(FCV; Fuel control vale)에 인가되는 전압의 Duty를 제어함으로써 펌핑부에 유입되는 연료량을 제어하여 연료분사압력을 제어하였다.
다채널 피에조 인젝터 드라이버와 컴퓨터에 의해 제어되는 Universal ECS(Engine Control System)를 사용하여 각 연소실로 공급되는 연료의 분사량과 분사시기 및 분사회수를 임의로 조절이 가능하도록 하였다. 실린더별로 공기과잉율을 측정할 수 있도록 각각의 배기 매니폴드에 광역산소센서(LA4, ETAS co.)를 설치하여 혼합기의 상태를 독립적으로 측정할 수 있도록 하였다. 연소제어인자의 변화에 따른 연소특성분석은 각각의 실린더에 장착된 실린더 압력 센서와 연소 분석기를 통해 이루어졌다.
연료분사압력은 20 MPa로 고정하고 각각의 실험 조건에 따른 연료소비율, 배기가스, 연소 안정성 등을 검토하였다.
)를 설치하여 혼합기의 상태를 독립적으로 측정할 수 있도록 하였다. 연소제어인자의 변화에 따른 연소특성분석은 각각의 실린더에 장착된 실린더 압력 센서와 연소 분석기를 통해 이루어졌다. 배기가스의 측정은 삼원촉매의 전단에 가스 추출라인(Gas sampling line)을 장착하여 배기가스 분석계(AMA i60, AVL)에서 측정되도록 하였다.
이론 공연비 조건과 희박한계 조건에서 점화시기와 연료분사시기의 변경을 통하여 최적 점화시기 및 최적 연료분사시기를 결정하였으며, 엔진이 충분히 Warm-up 된 상태에서 냉각수의 온도가 83±2℃에서 유지되도록 냉각수온 조절 시스템을 설정하였다.
이에 본 연구에서는 분무유도방식의 초희박 GDI 엔진 개발을 위한 선행 연구로써 분무유도방식의 초희박 GDI 엔진 시제품 개발하였고, 최적 연소 방식의 선정을 위하여 각각의 연소 제어인자를 변경하면서 연소특성을 파악하였다. 희박연소 시 점화 시기를 포함한 연료분사시기 및 연료분사회수 등의 연소제어인자 변화에 따른 연소 및 배기특성을 이론공연비 연소조건과 비교하였다.

성능/효과

1) 지각된 분사시기를 이용하여 안정적인 희박연소를 구현하여 펌핑손실 및 냉각손실 등의 저감을 통한 약 15% 정도의 연료소비율 개선을 얻을 수 있었다.
2) 최저 연료소비율 조건에서의 NO_x와 THC의 배출은 각각 68%, 13% 저감되었으나 추가적인 NO_x의 저감을 위한 점화시기의 지각과 같은 운전전략이 모색되어야 한다.
3) 2단분사 전략을 적용하여 λ=2.5 이하의 조건에서는 단분사에 비해 낮은 연료소비율을 얻을 수 있었으나, λ=3.0 이상에서는 연소안정성의 악화로 단분사에 비해증가되었다.
너무 이르거나 늦은 시기의 점화는 실린더 내의 압력이 너무 낮거나 점화지연으로 인한 연소안정성의 악화가 연료소비율의 증가에 영향을 주었다. BTDC 33, 38 CAD 점화시기 조건에서 연소안정성은 개선되었으나, 이른 시기의 열방출이 출력증가에 기여하지 못하여 연료소비율이 증가된 것으로 판단된다.
2와 동일한 조건에서 점화시기의 변화에 따른 NO_x및 탄화수소(THC; Total hydrocarbon)의 배출을 나타낸 것이다. NO_x의 배출은 이론공연비 조건과 희박연소 조건에서 모두 점화시기가 지각됨에 따라 감소하는 경향을 보였다. 이는 점화시가가 지각될수록 연소실의 열에너지 보유시간이 짧아짐에 따라 연소온도가 저하되어 나타나는 결과로 판단되며, NO_x배출 농도는 희박 연소 시 이론공연비 조건에 비하여 낮은 값을 보였다.
3의 이론공연비 연소조건의 결과에서 볼 수 있는 것과 같이 MBT 점화시기보다 진각되거나 지각되면 연소안정성의 악화와 함께 연료소비율이 증가하게 된다. 그러나 희박연소의 경우 최적점화시기로 정의한 BTDC 28 CAD 보다 진각되더라도 연소안정성은 개선되다가 다시 증가하는 경향을 보이는데, 이것은 분무유도방식의 특징으로 해당 운전조건에서 점화시기의 제어가 BTDC 28-38 CAD의 범위 내에서 이루어질 경우 점화플러그 주위에 적절한 성층 혼합기가 형성되어 안정적인 희박연소를 확보할 수 있음을 보여준다. 너무 이르거나 늦은 시기의 점화는 실린더 내의 압력이 너무 낮거나 점화지연으로 인한 연소안정성의 악화가 연료소비율의 증가에 영향을 주었다.
그러나 희박연소의 경우 최적점화시기로 정의한 BTDC 28 CAD 보다 진각되더라도 연소안정성은 개선되다가 다시 증가하는 경향을 보이는데, 이것은 분무유도방식의 특징으로 해당 운전조건에서 점화시기의 제어가 BTDC 28-38 CAD의 범위 내에서 이루어질 경우 점화플러그 주위에 적절한 성층 혼합기가 형성되어 안정적인 희박연소를 확보할 수 있음을 보여준다. 너무 이르거나 늦은 시기의 점화는 실린더 내의 압력이 너무 낮거나 점화지연으로 인한 연소안정성의 악화가 연료소비율의 증가에 영향을 주었다. BTDC 33, 38 CAD 점화시기 조건에서 연소안정성은 개선되었으나, 이른 시기의 열방출이 출력증가에 기여하지 못하여 연료소비율이 증가된 것으로 판단된다.
상기와 같은 이유로 BTDC 35 CAD의 지각된 분사시기를 이용하여 안정적인 희박연소를 구현하여 펌핑손실 및 냉각손실 등의 저감을 통한 약 15% 정도의 연료소비율 개선을 얻을 수 있었다.
최적 점화시기를 연료소비율이 가장 낮을 때로 정의하였으며, 이론공연비 조건과 희박연소 조건에서 최적점화시기는 각각 BTDC(Before top dead center) 30 CAD(Crank angle degree)와 BTDC 28 CAD 로 나타났다. 연료 분사시기는 이론공연비 연소 조건의 경우 예혼합기의 조성을 위해서는 조기 분사가 유리하기 때문에 BTDC 330 CAD에서 최적을 보였으나, 희박연소의 경우 점화시기에 스파크 플러그 주변의 농후한 혼합기를 생성하기 위하여 TDC 인근의 지각된 분사시기가 안정적인 희박연소에 효과적이었다.
10의 공기과잉율에 따른 NO_x와 THC 배출을 살펴보면 위와 같은 연소안정성의 악화는 배출가스에도 영향을 미쳐서, 2단 분사 시 희박한계에서의 NO_x배출은 공기과잉율의 증가에도 불구하고 오히려 증가하는 결과를 확인할 수 있다. 초기분사된 연료에 의한 예혼합기의 증가로 NO_x의 배출이 증가될 것으로 기대하였으나, 최적점화 시기의 지각으로 인해 연소온도의 저감이 지배적으로 작용하여 단분사의 경우에 비해 2단분사 적용시 NO_x의 배출은 전체적으로 낮게 나타났다. 그러나 여전히 상용화 되기에는 높은 수준의 NO_x배출경향을 보이고 있다.
2)조건에서 점화시기 변화에 따른 연료소비율을 나타내었다. 최적 점화시기를 연료소비율이 가장 낮을 때로 정의하였으며, 이론공연비 조건과 희박연소 조건에서 최적점화시기는 각각 BTDC(Before top dead center) 30 CAD(Crank angle degree)와 BTDC 28 CAD 로 나타났다. 연료 분사시기는 이론공연비 연소 조건의 경우 예혼합기의 조성을 위해서는 조기 분사가 유리하기 때문에 BTDC 330 CAD에서 최적을 보였으나, 희박연소의 경우 점화시기에 스파크 플러그 주변의 농후한 혼합기를 생성하기 위하여 TDC 인근의 지각된 분사시기가 안정적인 희박연소에 효과적이었다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GDI 엔진 기술은 어떤 기술인가?	그중에서도 가솔린연료를 연소실 내에 직접 분사하는 GDI 엔진 기술은 연료 기화시 흡입공기를 냉각시켜 체적효율 및 압축비 증가를 가능하도록 하고, 희박연소에 의한 펌핑손실 및 냉각손실의 감소 등으로 부분부하 연비의 개선이 가능하게 하는 기술이다. 희박 GDI 엔진기술의 1세대에 해당하는 벽면유도방식(Wall-guided type)과 공기유도방식(airguided type)은 이론공연비 혼합기의 형성이 용이하며 고압의 분사시스템을 요구하지 않는 장점 때문에 최근 이론공연비 연소를 하는 GDI 엔진에 적용되어 상용화되었다.
	희박 GDI 엔진기술의 1세대에 해당하는 벽면유도방식과 공기유도방식의 장점은 무엇인가?	그중에서도 가솔린연료를 연소실 내에 직접 분사하는 GDI 엔진 기술은 연료 기화시 흡입공기를 냉각시켜 체적효율 및 압축비 증가를 가능하도록 하고, 희박연소에 의한 펌핑손실 및 냉각손실의 감소 등으로 부분부하 연비의 개선이 가능하게 하는 기술이다. 희박 GDI 엔진기술의 1세대에 해당하는 벽면유도방식(Wall-guided type)과 공기유도방식(airguided type)은 이론공연비 혼합기의 형성이 용이하며 고압의 분사시스템을 요구하지 않는 장점 때문에 최근 이론공연비 연소를 하는 GDI 엔진에 적용되어 상용화되었다. 그러나 혼합기의 형성이 실린더 내부 유동에 지배적인 영향을 받기 때문에 넓은 운전영역에서의 성층 혼합기 형성을 통한 희박연소의 구현이 어렵고, 벽면 부착연료가 미연 탄화수소 증가의 원인으로 작용하는 문제점을 가지고 있다.
	희박 GDI 엔진기술의 1세대 방식은 어떤 문제점을 가지고 있는가?	희박 GDI 엔진기술의 1세대에 해당하는 벽면유도방식(Wall-guided type)과 공기유도방식(airguided type)은 이론공연비 혼합기의 형성이 용이하며 고압의 분사시스템을 요구하지 않는 장점 때문에 최근 이론공연비 연소를 하는 GDI 엔진에 적용되어 상용화되었다. 그러나 혼합기의 형성이 실린더 내부 유동에 지배적인 영향을 받기 때문에 넓은 운전영역에서의 성층 혼합기 형성을 통한 희박연소의 구현이 어렵고, 벽면 부착연료가 미연 탄화수소 증가의 원인으로 작용하는 문제점을 가지고 있다.3-5)

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