직접분사식 전기점화 엔진에서 LPG 희박 성층연소의 부하 영역 확장을 위한 n-butane과 가솔린의 분무 및 연소 특성 비교

Abstract

최근 강화되고 있는 이산화탄소에 대한 전기점화엔진의 배기규제가 강화됨에 따라, 운전 조건에 따른 연료 경제성을 향상시키기 위한 기술이 요구되고 있다. 이를 만족시키기 위해, 전기점화엔진의 연비를 향상시키기 위해, 희박성층연소를 적용함으로써 엔진 사이클 내의 손실을 저감하는 전략이 지속적으로 연구되고 있다. 하지만, 이러한 전략은 연비는 개선되어 이산화탄소 배출은 줄일 수 있지만, 입자상물질, 질소산화물 등의 주요 배기배출물 특성을 악화시킨다는 단점을 가지고 있다. 특히, 비균질 혼합기를 연소시키기 때문에 입자상 물질, 특히 PN(Particulate Number)의 규제를 만족시키기 어려운 실정이다. 이를 해결하기 위해, 최근 여러 연구와 본연구에서는 액화석유가스(LPG)를 가솔린의 대체연료로 채택하여 배기배출특성을 알아본다. 연소안정성 측면에서, 희박성층연소 기술은 가솔린 엔진에 최적화되어 있기 때문에, 엔진 내에 분사할 시에 빠르게 기화하는 액화석유가스의 경우 연소안정성이 쉽게 악화되는 특성을 가지고 있다. 높은 액화석유가스의 증기압력은 분무 형상의 왜곡을 야기하며, 이는 적절한 혼합기 형성을 방해하게된다. 이를 해결하기 위해, 선행연구에서는 저압분사 전략을 통해 분무 형상을 유지하고자 하였으나, 연료의 양이 증가하여, 보다 높은 부하 영역에서 연소를 시도할 경우, 분무 형상이 더 악화되면서 0.45MPa 이상의 iMEP 영역에서는 저압분사를 통한 안정성 유지가 불가능할 것을 예측할 수 있었다. 이러한 분무 가시화 결과를 바탕으로, 엔진 내에 수축된 분무에 점화하기 위한 점화플러그를 제작하여, 노말부탄의 점화에 사용하였으며, 이를 기존의 형상을 이용한 가솔린의 희박성층연소의 성능, 배기배출물 특성과 비교하였다. 수정된 점화플러그를 사용할 경우, 최적화된 가솔린과 유사한 수준의 점화 및 연소 안정성을 확보할 수 있었다. 비교 결과, 선행연구와 달리, 노말부탄의 연소 시 가솔린보다 농후한 영역에 점화하기 때문에, 지각된 열방출율 곡선을 보이고 긴 연소시간을 보였지만, 가솔린 대비 정체되고 균질한 혼합기가 연소하여, 연소효율이 높게 유지되고 입자상 물질 등의 배출이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 연료의 기화 및 연소상의 지각을 통해 질소산화물의 배출량도 감소하는 것을 확인하였다. 위와 같은 액화석유가스를 통한 배기 특성의 개선은 연료량이 증가할수록, 가솔린과 비교하여 더 큰 비율로 개선되는 모습을 보였으며, 연소 안정성과 전체적으로 농후한 혼합기를 통해 연소 효율 또한 개선되는 모습을 보였다. 따라서, 가솔린 희박성층연소에 적용되는 부하영역에서는 30~40%의 배기배출물을 액화석유가스 적용을 통해 개선할 수 있을 것으로 보이며, 동일한 수준의 후처리 장치 및 배기 저감 기술을 사용할 경우, 자연흡기 엔진의 중부하에 해당하는 0.45MPa 이상의 영역까지 희박성층연소를 적용하는 것이 가능할 것으로 보인다.