An Experimental Study on the Spray and Lean Combustion Characteristics of Bio-enthanol-Gasoline Blended Fuel of GDI

직접분사식 바이오에탄올-가솔린 혼합연료의 분무 및 희박연소 특성에 관한 실험적 연구

박기영^†·강석호^*·김인구^*·임철수^**·김재만^***·조용석^***·이성욱^***

An Experimental Study on the Spray and Lean Combustion Characteristics of Bio-enthanol-Gasoline Blended Fuel of GDI

Gi-Young Park, Seok-Ho Kang, In-Gu Kim, Cheol-Soo Lim, Jae-Man Kim, Yong-Seok Cho and Seong-Wock Lee

Key Words: Ethanol(에탄올), GDI(가솔린 직접분사식), CVC(정적연소기), Spray characteristics(분무특성), Combustion characteristics(연소특성), Emission characteristic(배출물 특성)

Abstract

As a demand for an automobile increases, air pollution and a problem of the energy resources come to the fore in the world. Consequently, governments of every country established ordinances for green-house gas reduction and improve- ment of air pollution problem. Especially, as international oil price increases, engine using clean energy are being developed competitively with alternative transportation energy sources development policy as the center. Bio ethanol, one of the renewable energy produced from biomass, gained spotlight for transportation energy sources. Studies are in progress to improve fuel supply methods and combustion methods which are key features, one of the engine technol- ogies. DI(Direct Injection), which can reduce fuel consumption rate by injecting fuel directly into the cylinder, is being studied for Green-house gas reduction and fuel economy enhancement at SI(Spark Ignition). GDI(Galoine Direct Injec- tion) has an advantage to meet the regulations for fuel efficiency and CO2 emissions. However it produces increased number of ultrafine particles, that yet received attention in the existing port-injection system, and NOX. As fuel is injected into the cylinder with high-pressure, a proper injection strategy is required by characteristics of a fuel. Espe- cially, when alcohol type fuel is considered. In this study, we tried to get a base data bio-ethanol mixture in GDI, and combustion for optimization. We set fuel mixture rate and fuel injection pressure as parameters and took a picture with a high speed camera after gasoline-ethanol mixture fuel was injected into a constant volume combustion chamber. We figured out spraying characteristic according to parameters. Also, we determine combustion characteristics by measur- ing emissions and analyzing combustion.

1. 서 론

전 세계적으로 자동차의 수요 증가로 인하여 대기환 경문제 및 에너지 자원의 한정 문제가 더욱 심각해지고 있다. 세계 각국에서는 대기환경개선 및 온실가스 감축 을 위한 규제를 강화하고, 자동차 제작사들은 규제를 만 족시키기 위해서, 기관 기술개발, 청정연료, 하이브리드,

Recieved: 01 Jul 2014, Recieved in revised form: 11 Seb

2014, Accepted: 11 Seb 2014)

*

국민대학교 자동차공학 전문대학원

**

국립환경과학원 지구환경연구과

***

국민대학교 자동차공학과

†

책임저자, 회원, 국민대학교 자동차공학 전문대학원 E-mail : [email protected]

TEL : (02)910-5033 FAX : (02)910-4718

연료전지, 전기차 및 경량화 등의 개발을 활발히 진행하

고 있다^(1-2). 특히, 유럽지역의 클린 디젤 차량의 보급 확

대와 하이브리드 기술 적용 및 바이오매스 자원의 활용 하는 등의 다양한 방법으로 노력을 기울이고 있다.

특히, 국제원유 가격의 상승 문제로 수송용 에너지의 대체 자원개발 정책이 핵심으로 부상되고 있으며, 자동 차 산업분야에서도 청정에너지를 이용한 엔진개발 등이 경쟁적으로 이루어지고 있다. 이러한 분위기에 따라 바 이오매스를 이용하여 생산 할 수 있는 바이오 에탄올이 대체연료로써 주목받고 있다.

바이오 에탄올은 함산소 연료로써 일부 가솔린이나 디젤에 10~15%만 혼합하여도 자동차 배기가스의 미세 입자상물질이 50% 가량 감소되고 휘발유의 방향족 물 질을 희석하여 2차 입자상물질 형성을 감소시키는 효과 를 보인다. CO배출은 30%, 유독물질은 13%가량 감소 시키는 등의 연소특성 개선 효과를 나타내기 때문에 친 환경 대체 에너지로 인식되어지고 있으며, 높은 기화특 성으로 혼합기의 냉각 효과를 갖기 때문에 옥탄가 향상 특성을 주제로 한 연구가 활발히 진행되고 있다⁽²⁾.

최근 연비향상을 위한 필수적 기술로 적용되고 있는 직접분사식 SI기관은 포트분사식 SI기관과는 다르게 연 소실 내에 연료를 분사하여 혼합기를 형성한다. 분사된 연료는 짧은 시간동안 혼합기 형성을 해야 하며, 연소 안정 및 연비 저감과 배출가스 중의 유해성분 배출 저 간에 기여하는 것으로 알려져 있다. 이상적인 연소라는 측면에서 연료의 무화뿐만 아니라 연소실 내 혼합기의 균질성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다^(3-6).

본 연구에서는 직접분사 방식을 적용한 정적 연소기 내에 각기 다른 혼합비율의 바이오 에탄올-가솔린 혼합 연료를 분사 및 희박연소를 시킴으로써 연료의 분무 및 연소특성을 파악하고 배출가스성분을 분석하여 고찰해 보았다.

2. 실험장치 및 조건

2.1 실험장치

직접분사방식 바이오에탄올-가솔린 혼합연료의 분무 및 연소특성을 파악하기 위하여 지름 86 mm, 폭 39 mm의 정적연소기를 제작하였고, 관측창 전면부에 초고 속 카메라를 설치하여 분무 및 연소 과정을 촬영하였다.

촬영속도는 4,000 fps로 설정 하였으며, 촬영 해상도는 256 × 256 픽셀이다. 이는 초고속 카메라의 제원 및 정

량적인 가시화 데이터 확보를 위해 설정하였다. 정적연 소기 주변장치로 흡/배기 밸브, 피에조 방식의 압력센서 를 설치하였으며, 점화 플러그를 정적연소기 중앙에 설 치하였다. 연소가시화를 위해 정적연소기 한 쪽 면에 직 경 120 mm, 두께 25 mm의 강화유리로 제작된 관측창 을 설치하였다.

연소실 내 분위기 온도 조건을 설정하기 위하여, 흡입 공기 가열기와 정적연소기 벽면온도 조절기를 이용하였 으며, 연소실 내의 분위기 압력은 고압가스 봄베 및 압 력센서를 이용하여 공급하였다. 연소실 내 잔류가스는 진공펌프와 감압탱크를 이용하여 제거하였다. 실험장치 의 제어 및 데이터 획득에는 National Instruments사의 DAQ NI-6251과 Labview 8.5를 사용하였으며, 연소 종 료 후 Horiba MEXA-554 JKNOX를 사용하여 배출가스 를 분석하였다.

가솔린을 연소실 내 고압으로 분사하기 위해 연료공 급장치는 정적연소기내에 연료를 목표 압력으로 분사 할 수 있도록, 모터, 기어펌프, 연료탱크로 구성하였으 며, 모터제어용 인버터를 통해 모터의 회전속도를 조정 하고, 이를 통해 연료의 목표 압력을 설정할 수 있다. 정 적 연소기 상부에 인젝터를 설치하였으며, Labview 8.5 와 인젝터 드라이버를 통해 인젝터 작동시간을 제어하 였다. 실험장치의 개략도는 Fig. 1에 나타내었다.

2.2 실험방법 2.2.1 분무가시화

고압 연료의 분무는 매우 짧은 시간에 이루어지며, 분 사 압력이 증가할수록 더욱 빠른 양상을 보인다. 이러한 순간적인 분무현상을 고해상도의 영상으로 취득하기 위 해서, 지속광원으로 LED 다이오드를 사용하였고, 초고 속 카메라를 사용하여 촬영하였다. Table 1은 분무가시

Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus

화 실험의 실험조건을 나타내고 있다.

2.2.2 연소가시화 및 연소특성 파악

가솔린-에탄올 혼합연료의 연소 특성파악을 위해서 연소 가시화를 실시하였으며, 실험조건은 Table 2에 나 타내었으며, 실험연료의 특성은 Table 3에 나타내었다.

연료분사압력은 4.5 Mpa, 9 MPa이며, 실제기관의 압 축말기 조건을 모사하기 위해 정적연소기의 벽면온도는 353K, 흡입되는 공기의 온도는 553K으로 설정하였다.

분위기 압력은 1 MPa로 설정하여 실험을 진행하였다.

연소현상을 가시화하기 위해 초고속 카메라를 사용하여 연소현상을 실사 촬영하였다.

피에조식 압력센서를 이용하여 연소과정 동안의 압력 변화를 측정하였으며, 정적연소기 내의 연소가스에 대 한 에너지 식과 압력 상승률을 이용하여 열 발생률을 구하여 연소를 해석하였다. 본 연구에서는 연소실 내 공 기압력을 1 MPa로 고정시킨 후 λ1.5를 기준으로 연료 량을 제어하였다. 공연비측정은 시험연소를 실시하여 연소 후 배출되는 가스를 포집하고, 가스분석기를 사용 하여 공연비에 맞는 연료량을 결정하였다.

점화시기는 연료분사 종료 후 1.5 ms로 설정하였으며, 분무 가시화 결과에서 연료의 혼합율 및 분사압력에 상 관없이 연소실 내의 연료 거동 특성이 발견되지 않았기 때문에 고정하였다. 연료 분사 종료 후에 연료의 거동이 없으며, 연료의 연소가시화 실험 후 가스 분석기를 사용 하여 배출가스특성을 파악하였다.

3. 실험결과 및 고찰

3.1 분무 가시화 결과

가솔린과 에탄올 혼합연료의 분부가시화를 통해 연료 분포특성을 실사 촬영하여 파악하였으며, 그 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 가시화 실험결과는 연소실 내 분 위기압력으로 구분하였으며, 분무형상을 0.5 ms 간격으 로 배열하였다.

분무가시화 결과 분위기 압력 0.8 MPa과 동일 분위 기 압력에서 연료분사압력이 9 MPa일 경우에 관통력이 증가하는 결과를 나타났으며, 에탄올 함유율에 따른 관 통거리 변화를 Fig. 3~4에 나타내었다. 에탄올 혼합율 증가에 따라 인젝터 노즐 주변의 연료분포도가 감소하 고 정적연소기 내에 전체적으로 연료입자가 고르게 분 포하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 특징은 상대적으로 분사압력이 낮은 4.5 MPa 조건에서 더욱 확연한 차이 를 보인다.

또한 E0의 연료에 비해 E10, E20 연료 분무형상 주 변이 밝은 것을 확인 하였는데, 이는 에탄올의 높은 기 화잠열로 인해 에탄올 함량 증가에 따라 정적연소기 내 온도감소폭이 증가하고, 그로인해 연료가 기화하지 못 하여 정적연소기 뒤에 설치한 광원이 액적상태인 연료 에 의해 주변으로 산란되었기 때문으로 판단된다. 이는 에탄올 혼합연료의 에탄올이 기화되지 않고 액적상태로 존재하는 부분이 많은 것으로 볼 수 있으며, 이에 따라 Table 2 Combustion visualization experimental condition

Ambient pressure 1 MPa Injection pressure 4.5 MPa, 9 MPa Ignition timing EOI + 1.5 ms Air temperature 553K CVC wall temperature 353K

Lambda λ1.5

Fuel E0, E10, E20

Table 3 Fuel properties of gasoline and ethanol Properties Gasoline Bio-ethanol Chemical formula CnH1.87n C2H5OH Molecular weight [kg/kmol] 114.15 46.07

Oxygen [%wt] 0 35

RON 96.4 111

Density [kg/m³ at 20^oC] 732 792 Latent heat of vaporization [kJ/kg] 289 854 Auto-ignition temperature [^oC] 257 423

LHV [MJ/kg 43.47 26.87

A/F ratio [%] 14.7 9.00 Table 1 Spray visualization experimental condition Ambient pressure 0.8 MPa, 1 MPa Injection pressure 4.5 MPa, 9 MPa Injection duration 4 ms CVC wall temperature 298K

Fuel E0, E10, E20

Fig. 2 Spray visualization of various injection pressure and ethanol blending rate

Fig. 3 Penetration depth of various injection pressures and ethanol blending rate (P_amb = 0.8 MPa)

Fig. 4 Penetration depth of various injection pressures and ethanol blending rate (Pamb = 1.0 MPa)

혼합연료의 관통력이 증가한 것으로 판단된다.

3.2 연소 가시화 결과

연료분사 후 생성된 혼합기에 점화 플러그를 이용하 여 생성된 화염을 촬영하였으며, 그 결과를 Fig. 5에 나 타내었다. 가시화 결과는 20 ms 간격으로 배열하였다.

연료분사압력이 높을수록 화염의 성장 시간이 짧고, 에탄올 혼합율이 증가할수록 화염성장지연 시간이 길어 지는 것을 확인하였다.

연료분사압력이 증가할수록 화염성장지연 시간이 짧 아지는 것은 분사압력이 높을수록 연료의 미립화가 촉진 되며, 그에 따라 연료액적 표면과 공기가 접촉할 수 있는 면적이 증가하여 혼합기의 균질도가 상승되었기 때문으 로 판단된다. 에탄올 혼합율이 증가할수록 화염성장지연 시간이 길어지는 것은 에탄올의 높은 기화잠열로 인해,

분사된 연료의 혼합기 균질도가 저하되어, 점화가 시작 된 후에 화염성장지연 시간이 증가한 것으로 판단된다⁽⁷⁾. Figure 6~7은 연소압력과 열 발생률 결과를 나타내었 Fig. 5 Combustion visualization for each condition

Fig. 6 Combustion pressure according to various injec- tion pressures and ethanol contents

다. 연소압력 및 열 발생률 측정결과, 연료분사압력이 증가 할수록, 점화 이후 화염성장지연 시간이 줄어들며 연소속도가 빨라지는 것을 확인하였다. 이는 분사압력 증가에 따라 연료의 미립화가 촉진되며, 그에 따라 연료 액적 표면과 공기가 접촉할 수 있는 면적이 증가하여 혼합기의 균질도가 상승됨에 따른 것으로 판단된다.

에탄올 함량 증가에 따라 화염성장지연 시간이 증가 하고 연소속도가 느려지는 것을 확인하였는데, 이는 에 탄올 함량 증가에 따라 혼합연료의 기화잠열이 증가하 여 연소실 내 혼합기 온도 감소에 따라 화염성장지연 시간이 증가하고 연소속도가 감소한 것으로 판단된다.

3.3 배출가스 결과

Figure 8은 CO의 배출량 결과이다. 연료의 분사압력 증가에 따라 CO 배출량이 감소하며, 에탄올 혼합율 증 가에 따라 CO 배출량이 증가하는 것을 확인하였다. CO 의 발생은 공기부족상태나 균질하지 못한 혼합기의 불 완전 연소에 의해 생성된다. CO발생량이 적다는 것은

완전연소율이 높음을 의미하며 연료분사 압력증가에 의 한 균질혼합기 형성에 의해 연소효율을 높여 CO의 배 출량이 감소한 것으로 판단되며, 에탄올 혼합율이 증가 에 따라 기화되지 않은 연료가 증가하여 불완전 연소가 증가한 것으로 판단된다.

Figure 9은 HC의 배출량을 나타내었으며 연료의 분사 압력이 증가할수록 모든 연료에서 HC의 배출량이 감소 하는 것을 확인하였다. 이는 분사압력이 증가할수록 연 료가 미립화가 촉진되어 연료와 공기의 혼합이 균일한 균질혼합기 형성에 의해 연소효율이 높아져 HC가 감소 하는 것으로 판단된다. 한편 에탄올 함량 증가에 따라 HC 배출량이 증가하는 원인은 에탄올의 높은 기화잠열 에 의해 연소실 온도가 낮아지고, 기화되지 못한 액적상 태의 연료가 많아짐에 기인한 것으로 판단된다.

이러한 결과는 실험조건 상 연료분사 시작시점부터 점화시점까지가 동일하기에 나타난 결과로 볼 수 있으 며, 에탄올 혼합연료의 직접분사식 기관에서 CO 및 HC 배출량을 감소하기 위해서는 분사시기 및 점화시기 재 조정을 통해 연료의 기화에 필요한 시간을 충분히 확보 Fig. 7 Rate of heat release according to various injection

pressures and ethanol contents

Fig. 8 CO emission according to various injection pres- sures and ethanol contents

Fig. 9 HC emission according to various injection pres- sures and ethanol contents

Fig. 10 NOx emission according to according to various injection pressures and ethanol contents

해야 할 것으로 예상된다.

Figure 10은 NOX의 배출량을 나타내었다. 연료의 분사 압력이 증가할수록 NOX의 배출량이 증가하는 것을 확인 할 수 있다. NOX는 연소온도가 높고, 동시에 공기과잉 상 태일 때 주로 생성되는 것으로 알려져 있다. 에탄올 혼합 율과 관계없이 분사압력이 증가할수록 균질 혼합기 형성 에 의한 연소효율 증가로 연소온도와 열 발생률이 높아져 Thermal NOX의 발생량이 증가한 것으로 판단되며, 에탄 올 함량 증가에 따라 NOX발생량이 감소하고 있는데, 이 는 에탄올 연료의 저위발열량이 작아 에탄올 혼합율 증가 에 따라 혼합연료의 발열량이 감소함에 기인하여 연소온 도와 열 발생률이 낮아졌기 때문으로 판단된다.

Figure 11은 CO2의 배출량을 나타내었다. CO2의 경우 모든 실험조건에서 분사압력이 증가할수록 CO2의 배출 량도 증가하는 것을 확인하였다. 이는 분사압력의 증가 에 의한 연료의 미립화가 촉진되고 그에 따라 공기와 연료의 혼합이 균일하게 이루어져 연소효율이 증가함에 따른 것으로 판단되며, 에탄올 혼합율 증가에 따라 CO2

배출량은 감소하는 것을 볼 수 있는데, 이는 연료 내 산 소함량 증가에 따른 충분한 산소공급에도 불구하고 혼 합연료의 기화잠열 증가로 인한 불완전연소 증가에 따 라 CO2배출량이 감소한 것으로 판단된다.

4. 결 론

가솔린-에탄올 혼합연료의 직접분사방식 SI기관의 적 용을 위한 직접분사방식 정적 연소기 분무 및 연소특성 에 실험으로부터 다음과 같은 결과를 얻었다.

1. 분무 가시화 결과 에탄올 혼합율이 증가 할수록, 에탄올의 높은 기화잠열로 연료의 미립화가 감소되었지

만, 관통력 증가로 인하여 연소실 내의 연료분포도가 향 상되었다.

2. 연소 가시화 결과 에탄올의 혼합율 증가로 인하여 연료의 분포도가 개선되었지만, 혼합연료의 기화잠열 상 승에 의해서 연료의 화염성장지연 시간이 증가 하였다.

3. 연소압력 측정을 통한 연소해석 결과, 연료 분사압 력 증가에 따라 화염성장지연 시간이 단축되고 연소속 도가 증가하였으며, 에탄올 혼합율이 증가함에 따라 화 염성장지연 시간이 증가되고 연소속도가 감소하였다.

4. 배출가스 측정결과 연료분사압력이 증가할수록 연 료분포가 개선되어 9MPa에서 낮은 CO와 HC 배출 특 성을 보이고, 높은 NOX와 CO2배출 특성을 보였으며, 에탄올의 높은 기화잠열로 E20연료가 높은 CO와 HC 배출과 낮은 NOX와 CO2 배출 특성을 보였다.

5. 에탄올 혼합연료를 직접분사식 기관에 적용 시 분 무특성 및 기화특성을 고려하여 분사시기와 점화시기를 재조정할 필요가 있음을 확인하였다.

후 기

본 연구는 지식경제부의 산업융합원천기술 개발사업의 지원으로 수행되었으며, 이에 감사의 말씀을 드립니다.

참고문헌

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sures and ethanol contents

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