터보과급 전기점화 엔진의 연료 분무 최적화를 통한 미세 입자 배출 저감

Abstract

최근 미세먼지 배출에 대한 규제와 논의가 강화되면서, 전기점화 엔진에 적용되는 직접 분사 기술의 적용이 입자상 물질 배출의 주범으로 지목되고 있다. 기존의 포트 분사 방식의 연료 공급 방식과 달리, 직접 분사 엔진은 액체 연료를 연소실 내에 직접적으로 분사하여 농후한 혼합기를 형성하고, 그 결과 입자상 물질의 생성을 촉진하는 문제점을 안고 있다. 이에 따라, 세계적으로 직접분사 엔진의 혼합기 형성 과정을 개선하거나, 연소 과정을 개선하여 입자상 물질의 배출량을 저감하고자 하는 노력이 지속되고 있다. 본 논문에서는 직접분사식 전기점화 엔진 중에서도 다운사이징을 통해 연비 저감을 추구하는 터보과급 전기점화 엔진의 입자상 물질 배출에 대한 내용을 다룬다. 이를 위해, 직접화염 가시화와, 배기가스로 배출되는 입자상 물질의 분석, 연료 분무의 특성 파악을 통해 운전 특성을 파악하고, 인젝터 노즐 및 구동 인자의 최적화를 통한 입자상 물질의 저감을 목적으로 한다. 기존의 6공 인젝터와 새롭게 제안된 5공 인젝터를 통해 화염 가시화 및 배출되는 미세입자를 분석한 결과, 5공 인젝터가 상대적으로 분무 강성이 높고 입자상 물질 배출 저감에 유리한 것을 확인하였다. 이를 토대로 5공 인젝터 노즐을 개선한 결과, 적심으로 인한 입자상 물질의 생성을 줄이고, 배출량을 최소화 할 수 있었다. 최적화된 인젝터를 통해 화염 가시화 및 연소 계측을 수행한 결과, 적심이 발생하지 않는 연소에서의 미세입자의 배출은 연소 온도, 기간, 유동에 의해 영향을 받으며, 특히 과급영역에서는 유동과의 상호 작용으로 인한 혼합기의 성층화가 큰 영향을 미쳤다. 한편, 적심으로 인한 연소의 불안정이 발생할 경우, 초기 화염 전파속도의 하락 및 자기착화, 후산화과정 등을 통한 열방출율의 변화를 확인할 수 있다. 이러한 결과를 토대로 터보과급 전기점화 엔진의 직접 분사 기술을 최적화한다면, 정속-정부하에서 배출되는 미세입자의 90% 이상을 저감할 수 있는 가능성이 존재한다.