[논문]직접분사식 희박연소 LPG엔진에서 흡배기 밸브시기가 연소 및 배기특성에 미치는 영향

박철웅; 김태영; 조시현; 오승묵

doi:10.3795/ksme-b.2015.39.1.045

직접분사식 희박연소 LPG엔진에서 흡배기 밸브시기가 연소 및 배기특성에 미치는 영향
Effects of Intake and Exhaust Valve Timing on Combustion and Emission Characteristics of Lean-Burn Direct-Injection LPG Engine 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.39 no.1 = no.352, 2015년, pp.45 - 51

박철웅 (한국기계연구원) , 김태영 (한국기계연구원) , 조시현 (가천대학교 대학원 기계공학과) , 오승묵 (한국기계연구원)

초록
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최근 강화되는 연료소비율과 배기 규제에 대응하기 위해 자동차용 엔진에 다양한 신기술들이 적용되고 있다. 직접분사식 희박연소 엔진은 안정적인 성층혼합기 연소를 통해 연료소비율 및 배출가스 개선이 가능하지만 과잉공기 조건에서 상대적으로 높은 수준은 질소산화물의 배출은 해결되어야 할 과제이다. 본 연구에서는 직접분사식 희박연소 LPG 엔진에서 가변 밸브 기구를 이용한 흡기 및 배기밸브 시기의 변경이 엔진의 성능 및 배출가스에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 스로틀링을 하지 않은 부분부하 운전 조건에서 흡기밸브 열림 시기의 진각은 공기과잉률의 증가에 의한 질소산화물 배출 증가에 원인으로 작용하였다. 배기밸브 열림 시기를 진각할 경우 팽창일 감소와 펌핑손실 증가에 의해 연료 소비율이 악화되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to meet the enforced emission regulations and reduce fuel consumption, various new technologies are employed in engines. The problem of NOx emissions under a lean mixture condition should be solved, because a lean-burn direct-injection engine can realize stable lean combustion with a stratified mixture, which results in improvements in fuel economy and emissions. This study investigated the effects of intake and exhaust valve timing changes on the performance and emission characteristics of a lean-burn LPG direct-injection engine. Under a partial-load operating condition without throttling, an increase in the intake valve opening led to an increase in NOx emissions due to an increase in the amount of excess air. The fuel consumption deteriorated with an increase in the exhaust valve opening due to a decrease in the expansion work and an increase in the pumping loss.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

가변밸브기구는 저속과 고속 영역에서의 동시 출력증대가 본래의 목적이지만, 이를 이용하여 내부 EGR을 제어할 수 있기 때문에 연료소비율과 배기개선을 위한 중요한 기술로 적용되고 있다. (10~12) 본 연구에서는 스로틀링을 하지 않은 초 희박 연소조건에서 흡기 및 배기시기의 변경을 통한 연료소비율과 배기수준의 변화를 측정하고 가변밸브기구의 적용 가능성을 평가하고자 하였다.
그러나 국부적으로 농후한 혼합기에서 발생하는 질소산화물과 입자상물질의 배출이 증가하는 문제점을 갖고 있다. ⁽⁶⁾ 본 연구진은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 가스연료로서 기존의 가솔린 연료와는 다른 기화특성을 갖는 LPG 연료를 이용하여 효율적인 초희박연소를 구현하고자 이를 위한 기초연구를 수행하였다. 착화시점에서 가솔린과는 다소 다른 형태의 성층혼합기를 형성하는 LPG 연료의 경우 분무유도방식 직접분사시스템에서 연소제어변수 및 설계인자를 최적화하여, 기존의 가솔린 연료 대비 개선된 연료소비율 및 질소산화물 결과를 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 직접분사식 초희박 가스엔진의 가변밸브기구 적용가능성 검토하였다. 이를 위해 스로틀링을 하지 않은 희박연소 부분부하 운전조건에서 흡기 및 배기밸브의 열림 시기 변경에 의한 연소 및 배기특성을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 직접분사식 희박연소 LPG 엔진에서의 가변 밸브 기구를 이용한 흡·배기 밸브의 열림 및 닫힘시기의 변경이 엔진의 성능 및 배출가스에 미치는 영향을 파악하고 그 적용성을 검토하고자 하였다.

제안 방법

측정된 연소압력결과는 연소해석기(Osiris, D2T)를 통해 연소 안정성 및 열방출률 등의 계산에 이용되었다. 가스 추출라인(Gas sampling line)을 장착하여 배기가스 분석기(AMA i60, AVL)를 통해 배기가스를 분석하였다.
2 MPa 조건에서 연구를 수행하였다. 가장 낮은 연료소비율 및 연소 안정성을 나타내는 조건을 최적운전조건으로 간주하고, 희박연소시 최적 연료분사시기 및 MBT(Minimum advance for best torque) 점화시기를 결정하였다. 스로틀링을 하지 않은 초희박 연소조건에서 흡기밸브 및 배기밸브의 열림시기를 각각 변화시키며 연료소비율과 배기배출물을 측정하여 비교하여 각각의 영향에 대해 분석하였다.
각각의 배기 매니폴드에 열전대와 광역산소센서(LA4, ETAS co.)를 장착하여 실린더 별 배기온도 및 공기과잉률을 측정하였으며 각 연소실 내에 압력센서를 설치하여 연소압력을 측정하였다. 측정된 연소압력결과는 연소해석기(Osiris, D2T)를 통해 연소 안정성 및 열방출률 등의 계산에 이용되었다.
본 연구에서는 2,000 cc급 포트분사방식 엔진을 기반으로 실린더 헤드를 분무유도방식의 직접분사시스템의 적용이 가능하도록 재설계하여 직접분사식 초희박 LPG 엔진을 구성하였다. 엔진의 제원은 Table 1에 나타내었다.
가장 낮은 연료소비율 및 연소 안정성을 나타내는 조건을 최적운전조건으로 간주하고, 희박연소시 최적 연료분사시기 및 MBT(Minimum advance for best torque) 점화시기를 결정하였다. 스로틀링을 하지 않은 초희박 연소조건에서 흡기밸브 및 배기밸브의 열림시기를 각각 변화시키며 연료소비율과 배기배출물을 측정하여 비교하여 각각의 영향에 대해 분석하였다. 이론공연비 조건과의 비교를 위해 각 조건에서의 연료소비율및 배출물의 값을 정규화하여 나타내었다.
승용차량에서 주로 운전되는 영역중 하나인 2,000 RPM, BMEP(Brake mean effective pressure) 0.2 MPa 조건에서 연구를 수행하였다. 가장 낮은 연료소비율 및 연소 안정성을 나타내는 조건을 최적운전조건으로 간주하고, 희박연소시 최적 연료분사시기 및 MBT(Minimum advance for best torque) 점화시기를 결정하였다.
5에 각각 흡기 및 배기밸브의 진각과 지각에 따른 연소압력선도와 열방출률선도를 나타내었다. 이론공연비 연소조건에서의 연소 압력선도와 열방출률선도를 각 그래프에 추가하여 비교하였다. 초희박 연소조건의 경우 스로틀링을 하지 않은 조건이기 때문에 흡입공기량은 해당 회전수 조건에서 최대이며 높은 최대압력값을 보인다.
스로틀링을 하지 않은 초희박 연소조건에서 흡기밸브 및 배기밸브의 열림시기를 각각 변화시키며 연료소비율과 배기배출물을 측정하여 비교하여 각각의 영향에 대해 분석하였다. 이론공연비 조건과의 비교를 위해 각 조건에서의 연료소비율및 배출물의 값을 정규화하여 나타내었다.
본 연구에서는 직접분사식 초희박 가스엔진의 가변밸브기구 적용가능성 검토하였다. 이를 위해 스로틀링을 하지 않은 희박연소 부분부하 운전조건에서 흡기 및 배기밸브의 열림 시기 변경에 의한 연소 및 배기특성을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
특히 LPG 연료는 상온/상압 조건에서 빠르게 기화되는 특징이 있다. 이에 다단분사의 사이에 점화를 일으키는 분사 간 점화착화(ISI; inter-injection spark ignition) 연소제어 전략을 개발 및 이용함으로써 상대적으로 저부하 운전조건에서 연소안정성을 확보하여 초희박연소를 구현할 수 있었다.^(7~9)
이에 엔진의 성능을 향상 시키고 유해배출가스를 저감하는 방안으로 가변 밸브 기구를 이용한 흡·배기 밸브타이밍의 변경을 적용하였다.
)를 장착하여 실린더 별 배기온도 및 공기과잉률을 측정하였으며 각 연소실 내에 압력센서를 설치하여 연소압력을 측정하였다. 측정된 연소압력결과는 연소해석기(Osiris, D2T)를 통해 연소 안정성 및 열방출률 등의 계산에 이용되었다. 가스 추출라인(Gas sampling line)을 장착하여 배기가스 분석기(AMA i60, AVL)를 통해 배기가스를 분석하였다.
이때 재순환되는 연료의 온도 상승에 의한 연료압력 저하를 방지하기 위해 열교환기를 장착하여 재순환되는 연료를 냉각시켰다. 한 사이클당 최대 4회의 연료분사가 가능한 피에조(piezo) 형식의 인젝터를 장착하였으며, 범용 ECU(engine control unit)를 사용하여 연료 분사시기, 연료 분사량 및 점화시기를 제어하였다.

대상 데이터

가변밸브기구는 엔진의 회전수와 부하에 따른 ECU 제어 신호에 의해, 흡기 또는 배기밸브의 개폐시기를 진각 또는 지각시키는 기능을 한다. 본 실험에 사용된 가변밸브기구는 ECU의 신호를 받아 엔진 오일의 경로를 바꿔 캠페이저로 오일을 공급 또는 유출시키는 오일 컨트롤 밸브와 오일 온도 센서 및 캠페이저로 구성되어 있다. 오일 온도 센서는 엔진 오일의 온도를 측정하고 캠 페이저는 엔진 오일의 유압으로 샤프트의 위상을 변경시키는 역할을 한다.

성능/효과

(1) 흡기밸브 열림 시기가 진각된 경우 체적효율 향상에 의한 흡입공기량의 증가로 공기과잉률이 증가하고, 배기밸브 열림 시기가 진각된 경우는 공기과잉률의 변화는 거의 없으나 연료소비율이 악화되었다.
(2) 흡기밸브와 배기밸브의 동시 진각의 경우 흡기관으로 유입되는 배기가스 량이 증가하지만, 배기밸브가 지각된 경우에 비해 밸브오버랩 기간이 짧기 때문에 잔류가스 량이 작다. 따라서 공기과잉률은 가장 높은 반면, 연료소비율은 배기 밸브가 진각되고 흡기는 지각된 경우와 비슷한 수준이다.
(3) 잔류가스 량이 많은 조건일수록 혼합기의 온도상승에 의해 냉각으로 손실되는 에너지량이 증가하기 때문에 냉각수 배출과 공급 간의 온도 차가 높게 나타났다.
(4) 흡기밸브 열림시기가 진각되고 배기는 지각된 경우는 열방출률이 가장 높지만 잔류가스 량이 많기 때문에 연소속도는 느리게 나타났다.
(5) NOx의 질량배출은 공기과잉률이 증가할수록 증가하였으며, THC는 증가폭이 질량값으로 비교할 때 ppm 단위에 비해 증가하였다.
따라서 흡기밸브가 지각된 경우 잔류가스에 의한 영향에 비해 연료소비율 악화의 효과가 보다 더 크게 나타난 것으로 판단된다. CO의 배출은 공기과잉률이 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다.
7에 각 배기배출물을 질량으로 환산하여 나타내었다. ppm 단위에서 비슷한 수준을 보이던 NOx는 공기과잉률이 증가할수록 증가하였으며, THC는 증가폭이 질량값으로 비교할 때 더욱 증가하였다. CO를 질량으로 환산한 경우 THC와 비슷한 수준으로 상승하였다.
2는 흡기 및 배기 밸브의 지각 및 진각에 따른 연료소비율과 공기과잉률을 나타낸 것이다. 각각의 흡기 및 배기 밸브의 열림시기 조건에서 최저 연료소비율을 보이는 MBT 점화시기에 해당하는 연료소비율 및 공기과잉률 결과를 나타내었다. 해당운전 조건은 부분부하 조건에 해당하지만, 스로틀링을 하지 않기 때문에 흡입공기 유량 측면에서 전부하 조건과 유사한 것으로 볼 수 있다.
전부하 조건에서의 성능은 주로 흡기 밸브의 여닫힘 시기에 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 본 실험 결과에서도 흡기밸브 열림 시기가 ATDC 7 CAD에서 BTDC 38로 진각된 경우 체적효율 향상에 의한 흡입공기량의 증가로 공기과잉 률이 증가한 것을 확인할 수 있다. 이에 반해 배기밸브 열림 시기가 BBDC 4 CAD에서 BBDC 44 CAD로 진각된 경우 공기과잉률의 변화는 거의 없으나 연료소비율의 악화가 관찰되었다.
⁽⁶⁾ 본 연구진은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 가스연료로서 기존의 가솔린 연료와는 다른 기화특성을 갖는 LPG 연료를 이용하여 효율적인 초희박연소를 구현하고자 이를 위한 기초연구를 수행하였다. 착화시점에서 가솔린과는 다소 다른 형태의 성층혼합기를 형성하는 LPG 연료의 경우 분무유도방식 직접분사시스템에서 연소제어변수 및 설계인자를 최적화하여, 기존의 가솔린 연료 대비 개선된 연료소비율 및 질소산화물 결과를 확인할 수 있었다. 특히 LPG 연료는 상온/상압 조건에서 빠르게 기화되는 특징이 있다.
8에 나타내었다. 흡기 및 배기밸브의 열림 시기가 모두 지각된 경우의 연료소비율과 NOx 배출개선 효과가 가장 크게 나타났으며, THC 및 CO의 증가폭도 가장 작았다. 상대적으로 저속조건에서의 밸브 열림시기는 지각된 조건에서 최적으로 나타났으나, 중속과 고속 조건을 모두 고려한 표준 밸브 열림시기로 선정하기에는 어려움이 있다.
3은 밸브의 개변시기 변화에 따른 배기가스 온도 및 엔진 냉각수의 배출과 공급 간의 온도차를 나타낸 것이다. 흡기밸브 열림 시기가 진각되어 흡입공기 량이 증가한 경우는 모두 배기 가스 온도가 감소하였고, 배기밸브 열림 시기가 진각되고 흡기밸브는 지각된 경우는 흡기와 배기가 모두 진각된 경우와 유사한 수준을 보였다. 엔진 냉각수의 배출과 공급 간의 온도차를 살펴보면 잔류가스 량이 많을수록 혼합기의 온도상승에 의해 냉각으로 손실되는 에너지량이 증가하기 때문에 온도차가 높게 나타났다.

후속연구

스로틀링을 하지 않는 초희박 연소조건에서의 밸브 열림시기의 변화에 의한 성능 및 배기 개선의 폭은 기존의 포트분사 방식에 비해 개선 폭이 상대적으로 낮을 수 있다. 그러나 연료소비율과 NO_x 배출이 상당히 개선된 조건에서의 추가적인 개선은 충분히 고려할만한 의미가 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	직접분사식 엔진 기술이 주목받는 이유는?	보다 효율적으로 연료소모는 작은 친환경 엔진 개발을 목적으로 세계 각국의 자동차 회사들은 하이브리드 엔진시스템, 직접분사식 엔진 및 다운사이징 엔진에 관련된 연구 결과를 발표하고 있다. (1~3) 이중 직접분사식 엔진 기술은 연료를 연소실내로 직접 분사하여 연료공급의 자유도를 증가시킴으로써 가솔린과 같이 기존의 점화착화에 의존하는 연소기구를 다변화할 수 있는 기술로서 주목받고 있다.
	가솔린엔진에서의 직접분사는 주로 어디에 사용되는가?	이론공연비의 혼합기에 의한 연소를 이용하는 가솔린엔진에서의 직접분사는 혼합기 냉각에 의한 충진효율 증가 및 저속운전 조건에서의 소기에 의한 연료소비율 개선 등의 효과가 있다. 따라서 출력증가가 요구되는 다운사이징 엔진에 주로 적용되고 있다. 이에 비해 보다 발전된 연소 기구로서의 분무유도방식의 직접분사시스템은 넓은 운전영역에서 효율적으로 성층혼합기를 형성할 수 있기 때문에 안정적인 희박연소에 효과적이다.
	희박연소 기술의 특징은?	이에 비해 보다 발전된 연소 기구로서의 분무유도방식의 직접분사시스템은 넓은 운전영역에서 효율적으로 성층혼합기를 형성할 수 있기 때문에 안정적인 희박연소에 효과적이다. 희박연소 기술은 펌핑손실 및 열손실의 저감의 효과가 있고, 이를 통한 기존 엔진 대비 향상된 연료소비율 및 배출가스 특성을 얻을 수 있다. 일부 자동차 제작사에서는 이와 같은 성층혼합기를 이용한 희박연소의 장점에 주목하여 분무 유도방식의 직접분사시스템을 채용한 가솔린엔진을 실용화하여 발표한 바 있다.

참고문헌 (12)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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