가솔린 직접 분사식 엔진에서 연료 분사 압력 증가에 따른 연소 및 배기 배출물 특성
이준순*ㆍ이용규†
The Combustion and Emission Characteristics with Increased Fuel Injection Pressure in a Gasoline Direct Injection Engine
Junsun Lee and Yonggyu Lee
Key Words: Gasoline direct injection engine(가솔린 직접 분사식 엔진), Fuel injection pressure(연료 분사 압력), Combustion duration(연소기간), Particulate matter(입자상 물질), Particle size distribution(입경 분포), Particle number(입자 수), Exhaust gas(배기가스)
Abstract
Recently, Performance and fuel efficiency of gasoline engines have been improved by adopting direct injection (DI) system instead of port fuel injection (PFI) system. However, injecting gasoline fuel directly into the cylinder significantly reduces the time available for mixing and evaporation. Consequently, particulate matters(PM) emissions increase. Moreover, as the emission regulations are get- ting more stringent, not only the mass but also the total number of PM should be reduced to satisfy the Euro VI regulations. Increas- ing the fuel injection pressure is one of the methods to meet this challenge. In this study, the effects of increased fuel injection pressures on combustion and emission characteristics were experimentally examined at several part load conditions in a 1.6 liter com- mercial gasoline direct injection engine. The main combustion durations decreased about 2~3o in crank angle base by increasing the fuel injection pressure due to enhanced air-fuel mixing characteristics. The exhaust emissions and number concentration distributions of PM with particle sizes were also compared. Due to enhanced combustion characteristics, THC emissions decreased, whereas NOx emissions increased. Also, the number concentrations of PM, larger than 10 nm, also significantly decreased.
1. 서 론
최근 가솔린 엔진은 직접 분사 방식의 적용을 통해 출력과 연비의 향상을 가져왔다(1). 직접 분사 방식은 실린더 내에 연료를 직접 분사하기 때문에 포트 분 사 방식에 비해 연료분사 시기의 제어가 자유롭고 정
밀한 연료량 제어가 가능하다. 또한 분사된 연료에 의한 연소실 냉각효과로 인해 노킹(Knocking)과 같 은 이상연소의 발생이 억제되기 때문에 포트 분사 방 식에 비해 보다 높은 압축비 조건에서 운전이 가능하 게 되었으며, 동시에 점화시기의 제어 영역의 확장을 통해 효율 및 출력이 향상되는 효과를 가져왔다(2).
그러나, 직접 분사 방식은 실린더 내에 연료를 직 접 분사하기 때문에 연료와 공기의 혼합이 충분하지 못한 상태에서 연소가 일어날 수 있으며, 입자상 물 질인 PM(Particulate matters)이 생성된다. PM은 입자 의 크기에 따라 대기 중에 짧게는 수초에서 길게는 몇 달 동안 머물게 되며 대기오염의 오염원이 되기
(Recieved: 27 May 2016, Recieved in revised form: 25 Oct 2016, Accepted: 4 Nov 2016)
*
과학기술연합대학원대학교 환경에너지기계공학
†
책임저자, 회원, 한국기계연구원 그린동력연구실 E-mail : [email protected]
TEL : 042-868-7381 FAX : 042-868-7305
도 한다. 또한 인체의 폐나 호흡기를 통해 체내에 흡 수되어 질병을 유발하는 원인이 되기도 한다. 기존의 포트분사 방식의 엔진에서는 거의 발생하지 않던 PM이 직접분사 방식의 엔진에서 생성되는 문제가 발생하여(3) 이를 규제하기 위해 유럽의 배기가스 규 제(European emission standard)인 Euro 5에서부터 직 접 분사 방식 가솔린 엔진의 PM 배출을 질량 기준 으로 규제하고 있으며, 최근 국내에 적용된 Euro 6에 서는 PM 배출의 개수(Particle number : PN)를 기준 으로 규제하기 시작했다.
기존의 Carburetor 방식이나 포트 분사 방식처럼 공기와 연료의 혼합기 형성 시간이 충분하지 않은 직 접 분사 방식 엔진의 경우, 확산 화염의 형성을 통한 PM, PN 등의 증가를 극복하기 위하여 다양한 배기 저 감 전략이 제시되고 있는데, 그 중 대표적인 것은 포트 분사와 직접분사를 혼용하여 사용하는 방식, 혼합연료 를 사용하는 방식, 그리고 GPF(Gasoline particulate filter)를 사용하는 방식이다(4-6). 그러나 이 두 가지 방 식 모두 기존 시스템의 변경과 최적화의 어려움, 엔 진 시스템 비용의 상승이라는 단점을 지니고 있다.
분사압력을 증가시키는 고압분사 방식의 경우, 연료 분사 압력의 상승으로 인한 미립화 성능이 향상되고, 짧은 시간 동안 공기와 연료의 충분한 혼합을 유도 하여 입자상 물질의 발생을 저감 시킬 수 있는 현실 적인 방안으로 제시되고 있다.
따라서, 본 연구에서는 가솔린 직접 분사 방식의 엔진에서 연료의 분사압 증가에 따른 연소 특성 및 배기가스 저감 특성을 분석하기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 이를 위하여 상용 1.6L급 가솔린 직접 분사 방식 엔진의 주요 부분부하 운전에서 분사 압 력 증가에 따른 연소 해석 및 배기 가스, 입자상 물 질의 측정을 통해, 연료의 고압 분사에 따른 미립화 향상이 엔진의 연소 개선 및 이에 따른 배출특성 향 상에 미치는 영향을 분석하였다.
2. 실험 장치 및 방법
2.1 실험 장치
가솔린 직접 분사 방식 엔진에서 연료 분사 압력 증가에 따른 성능 및 배출물 특성 분석 연구를 위해
1.6L급 직렬 4기통 가솔린 직접 분사식 엔진을 사용 하였으며, Table 1에 본 연구에 사용된 엔진의 사양을 나타내었다. 압축비는 11:1이며, 흡기, 배기 밸브의 열 림 및 닫힘 시기 제어가 가능한 가변 밸브 타이밍 (Variable valve timing)이 적용된 엔진을 사용하였다.
본 연구를 위한 실험 장치의 개략도는 Fig. 1에 나 타내었다. 엔진의 연소 해석을 위하여 크랭크축 1바 퀴당 360개의 펄스를 발생하는 엔코더(AVL, Angle encoder 364)와 연소해석기(AVL, Indimicro), 그리고 150 bar까지 측정 가능한 스파크 플러그 일체형 압력 센서(Kistler, 6115B)를 장착하였다. PM 배출특성 분 석을 위해 Condensation Particle Counter(GRIMM, 5416)와 Differential Mobility Analyzer(GRIMM, M- DMA 55340)를 사용하였다(7). CPC는 최대 107/cm3개 의 입자까지 측정이 가능하기 때문에 Diluter(Dekati, deed-100)를 사용하였으며, Dilution ratio는 1:90을 적 용하였다. DMA는 총 45개의 채널로 구성되어 최소 입자직경 5.11 nm에서 최대 350.53 nm까지 입자 분
Table 1 Specifications of the engine
Engine type In-line, 4-cylinder, Direct injection
Displacement 1,591 cc
Bore X Stroke 77 × 85.44 mm
Compression ratio 11.0 : 1
Intake valve timing [CAD]
Open : ATDC 8 – BTDC 42 Close : ABDC 69 – ABDC 19 Exhaust valve timing
[CAD]
Open : BBDC 50 – BBDC 10 Close : ATDC 5 – ATDC 45
Fig. 1 Schematic diagram of engine experiment
류가 가능하다. 입자 크기에 따른 PM의 수 분포를 측정할 때에는 DMA와 CPC를 동시에 장착하였으며, 총 개수를 측정할 때에는 CPC만을 장착하였다. 엔진 에 공급되는 연료라인에 최대 측정 유량이 110 kg/h 인 유량계(Emerson사, Micromotion CMFS010)를 설 치하여 연료 소비율을 측정하였다. 배기가스 배출특 성 분석을 위해 촉매 전단에 배기분석기(AVL, i60) 프로브를 장착하여 배기가스 특성을 분석하였다. 배 기가스의 온도와 압력 측정을 위한 센서는 배기 매 니폴드와 WCC(Warm-up Catalytic Converter) 사이에 장착하였으며, 공연비 측정을 위한 산소센서도 동일 위치에 장착하였다.
본 연구에 사용된 배기분석기는 4종류의 감지기가 장착되어 있으며, Flame Ionization Detector(FID)는 THC와 CH4를, Chemiluminescence Detector(CLD)는 NO와 NOx를, Infrared Detector(IRD)는 CO와 CO2를 Paramagnetic Detector(PMD)는 O2의 배출량을 측정 한다. 또한 실험의 오차는 줄이고 실험 재현성을 향 상시키기 위해 항온 항습기를 이용하여 엔진에 일정 한 조건의 공기(온도 20±5oC, 상대습도 50±5%)를 공 급하였고, 냉각수 컨트롤러를 통해 Engine-Out 기준 85oC를 일정하게 제어하여 실험을 진행하였다.
2.2 실험 방법
본 연구에서 수행한 부분부하 운전에서의 연료 분 사압력을 Table 2에 나타내었다. 부분 부하 운전조건 은 실제 차량 주행에서 사용빈도가 높고, 본 연구에 서 사용된 PM 측정장비로 비교분석이 용이한 운전 조건을 선정하였다. 연료 분사압력을 제어하기 위해 2개의 ECU를 사용하였다. P-1은 기존 엔진에서 사용 되는 Conventional ECU를 장착하였을 때의 분사압
력으로 전부하 운전에서 최대 150 bar로 제어된다.
P-2는 전부하 운전에서 최대 200 bar로 제어되는 Programmable ECU를 장착하였을 때의 분사압력으 로 분사시기, 점화시기, 밸브타이밍 등의 제어는 Conventional ECU와 동일하며 분사압력은 엔진 부하 조건에 따라 최대 압력 상승 비율에 비례하여 증가 시킨 분사압력이다.
각 운전 조건 별로 취득한 데이터는 정상상태 운전 에서 90초 동안 측정한 데이터의의 평균값을 사용하 였다. 연소실 압력은 모든 운전 조건에 대하여 200사 이클 동안 측정한 결과를 평균하여 해석하였으며, 각 조건 별 연소안정성을 나타내는 도시평균유효압력 (IMEP)의 변동계수(COV, Coefficient of Variation)는 3.0% 이내의 안정적인 상태에서 실험을 진행하였다.
3. 결 과
엔진회전속도 1,600 rpm 축 출력 80 Nm, 2,400 rpm 90 Nm 조건에서의 연료분사 압력에 따른 평균 연소 실 압력과 열방출률의 결과를 Fig. 2에 나타내었다.
10~20 bar 정도의 분사 압력 상승으로도 미립화 향상 에(8) 따른 공기와 연료의 혼합도가 상승되어 연소실 압력의 상승 속도가 상대적으로 빠르게 나타나는 것 을 확인할 수 있으며, 연소기간도 단축되는 것을 알 수 있다. 이러한 현상은 동일 분사 압력을 유지하며 분사시기를 진각시킨 Early injection의 효과와 유사 한 특성을 보여주고 있다(9).
Figure 3은 각 운전조건에서의 분사압력 상승에 따
Table 2 Experimental conditions
Load condition [rpm/Nm]
Fuel injection pressure [bar]
P-1 P-2
1,600 / 80 64.5 73
2,000 / 90 82.5 100
2,400 / 90 89.5 109
2,800 / 90 93.5 115
Fig. 2. Comparisons of cylinder pressures and heat release rate at the engine operating conditions of 1600 rpm 80 Nm and 2400 rpm 90 Nm
른 주 연소기간(10~90% Mass burn angle)을 나타낸 것이다. 연료 분사 압력의 증가에 따라 모든 운전조 건에서 주 연소기간이 2~3CAD 정도 감소하는 경향 을 보이고 있다(10). 연료의 미립화 증가를 통한 공기 와 연료의 혼합도 향상이 연소 속도의 향상을 가져 온 것으로 판단된다. 이러한 연소 기간의 감소는 미 연 가스의 화염 도달 시간을 감소시켜 Knocking 발 생을 억제하는 효과와 중고부하 조건에서 배기가스 온도 저감을 가져오며 분사 압력 증가에 따른 점화 시기 진각을 통한 추가적인 연비 향상 및 최대 출력 향상의 효과가 있을 것으로 판단된다(11~13).
이러한 연소 속도 상승에 따른 배기가스 온도 저감 효과를 Fig. 4에 나타내었다. 각 조건 별 배기 가스 온도는 2400 rpm 90 Nm 조건에서 최대 17oC, 2000 rpm 90 Nm 조건에서 6oC정도 저감되는 특성을 보이 고 있다. 주 연소기간이 2~3CAD 감소함에 따라 배
기가스의 온도도 6~17oC 저감되는 특성을 보이고 있 는데, 이러한 연소 속도 향상에 따른 배기 온도의 저 감은 엔진의 고속 고부하 조건에서 점화시기의 진각 과 유사한 효과를 가져올 수 있으며, 이에 따라 배기 계 보호를 위한 Fuel enrichment의 양을 줄일 수 있 는 효과가 있어 고부하 조건에서의 연비향상도 기대 할 수 있을 것으로 판단된다.
연료 분사 압력에 따른 촉매 전단 배기계에서의 배 출특성을 Fig. 5에 나타내었다. 연료 분사 압력이 증 가하여 연료와 공기의 혼합도가 상승함에 따라 불완 전 연소의 결과물인 THC의 배출량이 전 운전 조건 에서 상대적으로 감소하는 특성을 보이고 있다. 반면, 연료 분사압이 증가함에 따라 NOx 배출이 증가하는 특성을 보이고 있는데 이는 연소 속도의 상승으로 인 하여 연소실 내의 최고 온도가 상승하여 Zeldovich mechanism thermal NOx의 배출량이 증가하기 때문 인 것으로 판단된다(14). CO의 경우, 분사압력과는 상 Fig. 3 Comparisons of main combustion duration with
fuel injection pressure at all operating conditions
Fig. 4. Comparisons of exhaust gas temperatures at all operating conditions
Fig. 5 Comparisons of exhaust emissions with injection pressures at all operating conditions
Fig. 6 Particle size distribution at the condition of 1600 rpm 80 Nm
관없이 동등한 배출 특성을 보이고 있다.
엔진 회전속도 1,600 rpm 축 출력 80 Nm조건과 2,400 rpm 90 Nm 조건에서 분사 압력에 따른 입경 별 수농도를 Fig. 6과 7에 각각 나타내었다. Fig. 6에 나타난 것과 같이 1,600 rpm 80 Nm 조건의 경우, P- 2 적용으로 분사 압력이 10 bar 정도 증가함에 따라 측정 전 영역에서 입경 별 수농도가 현저하게 감소 하여 PM 배출이 상대적으로 적은 저속 저부하 운전 에서와 유사한 경향을 보이고 있으며, 큰 폭으로 감 소한 입자의 배출과 Diluter의 사용으로 PM 수분포 가 불연속적인 특징을 보인 것으로 판단된다. 그러나 Fig. 7에 나타낸 것과 같이 엔진 속도와 부하가 증가 한 2,400 rpm 90 Nm 조건에서는 상이한 특성을 보 였다. 10 nm 이하의 입자상 물질 배출 농도는 분사 압력이 증가함에 따라 다소 증가하였고, 10 nm 이상 의 영역에서는 크게 감소하는 특성을 나타내고 있다.
이와 같은 현상은 연료 분사 압력이 상승함에 따라 연료 입자의 미립화가 향상되어 연소특성이 개선되 고, 연소 기간이 단축되어 10 nm이상의 큰 입자로 성장하기 위한 시간이 부족하여 10 nm 이하의 입자 상태 그대로 배출되어 P-1대비 다소 증가한 경향을 보이는 것으로 판단된다(15).
연료 분사 압력 상승에 따라 연료 소비율을 Fig. 8 에 나타내었다. 기존 ECU에서 제어되는 분사압력 P- 1 대비 P-2가 적용된 ECU로 분사압력을 제어하였을 때의 연료 소비율 변화를 나타낸 것으로서 분사 압 력을 제외한 점화시기, 밸브타이밍이 동일하게 제어 된 모든 운전에서 연료 소비율이 약 0.4~1.1% 향상 되는 특성을 보이고 있다. 이것은 Fig. 3에 나타낸 것
과 같이 연료와 공기 혼합 균일도의 향상에 따른 연 소특성 개선에 의한 것으로 판단된다. 점화시기 및 밸브 타이밍 등에 대한 최적화가 보완될 경우, 추가 적인 연비 향상 효과가 나타날 것으로 기대된다.
본 연구에서 수행한 모든 엔진 조건에서의 전체 입 자상 물질 수농도를 Fig. 9에 비교, 정리하여 나타내 었다. 전체 운전 조건에서 P-1대비 P-2를 적용한 경 우 입자 배출 개수가 큰 폭으로 감소하는 경향을 보 이고 있다. 또한 엔진의 회전속도와 부하가 높은 조 건, 즉 분사압력의 상승 폭이 상대적으로 더 큰 조건 에서는 입자상 물질 배출 저감 폭이 더욱 크게 나타 나는 것을 확인할 수 있다 Fig. 7에서 설명한 것과 같 이 10 nm 이하의 입자 크기 영역에서 Nucleation mode수농도가 다소 증가하는 특성을 나타내고 있으 나, 10 nm 이상의 영역에서 수농도가 큰 폭으로 감 소하여 전체 입자상 물질의 개수는 최대 1/100 수준 으로 감소하는 특징을 보이고 있어, 연료 분사 압력 Fig. 7 Particle size distribution at the condition of 2400
rpm 90 Nm Fig. 8 Comparisons of Specific fuel consumption rate at
all operating conditions
Fig. 9 Number concentration of particle at all operating conditions
을 증가시키는 방법이 향후 강화되는 입자상 물질의 수농도 규제에 대하여 대응할 수 있는 방법 중에 가 장 유력한 수단이 될 것으로 판단된다.
4. 결 론
가솔린 엔진에서 향후 강화되는 입자상 물질 규제 강화에 따른 대응 방법의 한가지로서 연료 분사 압 력의 증가가 엔진의 성능 및 배출가스 특성에 미치 는 영향을 살펴보기 위하여 상용 1.6리터 직분식 가 솔린 엔진의 부분부하 조건에서 분사 압력 증가에 따 른 연소 특성, 배기가스 배출특성, 그리고 입자상 물 질의 배출 특성 평가를 통해 다음과 같은 결론을 얻 을 수 있었다.
(1) 부분부하 조건에서 분사압력이 증가함에 따라 분무 연료의 미립화 향상 및 액적 모멘텀의 증가로 인해 공기와 연료의 혼합도가 향상되어 주연소기간 이 2~3CAD 감소하는 특성을 나타내었다. 이로 인해 배기가스의 온도가 저감되어, 동일 엔진 제어 조건하 에서 배기가스의 온도가 6~17oC 하락하는 효과를 나 타내었다.
(2) 이러한 연소 특성의 향상을 통해 부분부하 조 건에서 엔진의 연료 소비율이 0.4~1.1% 개선되는 특 성을 보였으며, 이 때의 배기 배출가스의 경우, 연소 속도의 향상으로 NOx 배출이 다소 증가하는 특성을 나타내었다.
(3) 입자 크기에 따른 입자상 물질 배출 특성의 경 우, 연소특성 개선으로 인해 10 nm 이상의 큰 입자 의 개수가 크게 감소하였고, 전체적인 입자 성장이 억제되어 10 nm 이하의 입자는 다소 증가하는 경향 을 보였으며, 전체 입자상 물질 개수도 분사압력을 20 bar 정도 증가시킨 경우 1/100 수준으로 감소하는 특성을 보였다.
직접 분사식 가솔린 엔진에서 분사압력의 증가를 통한 입자상 물질 배출 특성의 향상은 기존의 엔진 시스템을 유지하면서 최대의 가격 성능비로 효과를 얻을 수 있는 방법으로 판단된다. 다만 분사압력의 증가로 인한 분무 연료와 연소실 벽면과의 충돌에 의 한 Wetting 이 발생하지 않는 범위에서는 본 연구 결 과의 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단되며, 점화시
기, 밸브타이밍, 다단 분사 등과 같은 엔진 제어 변수 의 최적화를 통해 추가적인 엔진 성능 및 배출특성 향상이 있을 것으로 판단된다.
후 기
본 연구는 산업통상자원부에서 시행한 산업기술혁 신사업의 하나인 “200 bar급 가솔린 직접분사식 인젝 터 기술개발” 과제를 통해 수행한 연구 결과임.
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