1. 서론
내연기관의 대표격인 자동차엔진 설계 시, 고려사항 중 제작자가 먼저 설계목표(Design Targets)를 명확히 세워야 하며, 그 목표를 출력성능(Power Performances) 또는 경제성능(Economy Performances Including Thermal Efficiency)에 두어야 한다. 그러나 요즈음 현대인들은 자동차에 대해서만은 극도로 엄격한 기준으로 그 두 성능을 모두 원하고 있기 때문에 관련 업계에 종사하고 있는 자들은 몹시 힘든 처지이다. (물론 환경론자까지 가세하면 일본의 모 자동차 대기업(T社) 광고처럼 자동차가 도로를 주행하는 공기정화기 기능까지 담당해야 할 테지만) 여기에서는 현대의 생활에서 필수불가결한 압축 점화기관인 디젤기관을 대상으로 하여 실험변수 변화에 대한 디젤증발분무의 혼합기형성과정 고찰을 통하여 자동차의 경제성능향상인 연비개선 가능방법에 접근하고자 한다. 참고로 일반적인 엔진의 연소개시 이전의 분무제어를 이용한 엔진의 연소특성 및 연비개선의 연구들을 간략히 소개하고자 한다.

글 / 염정국 (동아대학교)
제공 / 한국자동차공학회

분무제어에 의한 디젤기관의 배기가스정화연구로써, 연료분사압력의 고압화에 의한 Soot의 억제나 연료∙물층상분사에 의한 NOx와 입자상물질(Particulate Matters : PM) 및 연비(燃費)의 동시저감 등의 기술은 벌써 실용화되어 있다. 또, 연료설계(Fuel Design)에 의한 적극적인 분무제어방법으로, 혼합연료(Fuel+CO2첨가)의 분사에 의한 NOx와 PM의 트레이드-오프(Trade-off)의 연구가 행해지고 있다. 그리고, 복수의 분사노즐을 이용한 2단 연소(Multiple Stage Diesel Combustion : MULDIC)의 경우, 연소실내에 분사되는 연료의 시(時)∙공간적(空間的) 분포를 자유스럽게 제어하는 것에 의해, 低NOx를 유지해가면서 연비와 PM의 개선을 도모하고 있다. 또한, 연료의 조기분사(早期噴射)에 의한 균일∙희박한 혼합기를 형성해 예혼합압축착화(Premixed Lean Diesel Combustion System : PREDIC)를 꾀하는 등 여러 가지 분무제어의 연구가 행하여졌다.

다음에 기술 할 실험연구 결과에 있어서는 엑시플렉스형광법(Exciplex Fluorescence Method)을 이용해서 氣∙掖2相의 2차원단면화상의 동시분리계측을 행하여 분사압력 및 분위기밀도가 자유분무구조의 형성과정에 미치는 영향에 대해서 조사했다.

2. 분사압력변화에 따른 분무 거동특성 해석
<그림 1>에 분사압력(Pinj)을 변화시킨 경우의 엑시플렉스형광법으로부터 구한 비정상 증발자유분무의 기상 및 액상 2차원 형광강도분포화상을 보인다. 각 분사압력에 있어서 촬영시간은 분사된 연료량이 거의 같게 되는 시간, 즉 무차원시간 t/tinj가 거의 같게 되도록 설정했다. 분사압력의 증가와 함께 분무상류부에 있어 저휘도의 연료증기가 분무반경방향으로 넓게 분포함에 따라 분사연료와 주위기체와의 전단작용에 의한 미립화의 촉진 및 증발이 활발하게 일어나고 있는 것을 알 수 있다. 이것은 비증발자유분무의 경우와 같이 분사압력이 높아지면 미립화의 촉진, 즉 액적경의 감소 효과 때문이라고 판단된다.

또 각 분사압력에 있어 노즐선단에서 Z=40mm 부근부터 액상의 형광강도가 급격하게 감소하고, 분무의 반경방향으로의 성장과 함께 분무주류부의 사행(蛇行, Meandering Flow)이 시작된다. 이 부근에서는 비증발분무와 같이 분사된 연료와 주위기체와의 운동량 교환이 현저하게 되고, 주위기체의 분무내부로의 도입(Entrainment)이 활발하게 일어난다. 이러한 분무의 거동 해석으로부터 노즐에서 거리 약 Z=40mm인 지점이 주위기체의 와(渦, Vortex)유동이 분무의 성장을 지배하게 되는 천이점이라고 생각된다.

위 연구의 결과로부터 다음의 결론을 얻었다.

▶ 분사압력이 높을수록 증발분무의 기상 분포는 균일하다. 이것은 분사압력의 증가는 분사연료의 미립화를 촉진시키고, 그 결과 보다 신속하고 균일한 혼합기의 형성이 기대된다.

▶ 증발분무의 거동특성은 액적의 수밀도(Number Density)가 아주 높은 분무노즐부근영역과 액적의 수밀도가 낮은 분무액상과 기상이 혼재하는 2개의 영역으로 나눌 수 있다. 전자는 비증발분무에 있어 분사연료와 주위기체와 운동량교환에 필요한 길이에 해당하며, 본 연구에서는 증발분무의 액상길이(Liquid Phase Length, Lliq)라 정의했고, 그 값은 약 38mm이다.

▶ 분무내부에 동일한 연료량이 존재하면, 분무의 선단도달거리는 분사압력에 의존하지 않는다.

3. 주위밀도(압력)변화에 따른 분무 거동특성 해석
<그림 2>에 분사압력 pinj=72MPa에서 주위기체밀도를 변화시킨 경우의 2차원 형광강도분포를 나타낸다. 그림 중의 (i)와 (ii)는 증발분무의 기상과 액상을 각각 나타낸다. 각 설정 밀도에 있어 분무 상류부에서차이는 거의 보이지 않는다. 그러나 시간의 경과와 함께 주위기체밀도가 증가함에 따라 주위기체의 저항이 증가하여 분무선단거리가 짧아지고, 분무 중류부 및 하류부에 있어 분무가 반경 방향으로 넓어지면서 발달하게 된다.

주위기체 밀도가ρa=8.2kg/㎥와ρa=12.3kg/㎥인 경우에 있어 액상길이변화는 큰 차이가 없으나 ρa=5.0kg/㎥의 경우, 앞의 두 경우와 비교하면 분무 액상길이의 값이 증가한다. 이와 같이 분위기밀도의 증가에 따라 천이점이 노즐공쪽으로 이동하는 현상은 Prof. Dan의 비증발분무의 연구 결과에서도 찾아볼 수 있다. 그 이유는 단순히 전단력이 증가하기 때문이 아니라, 즉 연료분류에 의해 발생한 주위기체 와 연료와의 혼합기형성과정에 있어서 분무 내부에 생성된 대규모의 와속에 크고 작은 와괴(渦塊)의 증가 때문이다. 이러한 결과로부터 주위기체 밀도가 증가하면 주위기체의 유동은 촉진되고, 분무 내로의 주위기체 도입이 활발해지는 것을 알 수 있다. 그리고 주위기체밀도가 큰 경우, 분무의 반경방향으로의 확산이 증가하기 때문에 대규모 와구조의 공간적인 크기는 주위기체의 밀도증가와 함께 증가한다. 또한, 그 대규모 와중에 존재하는 작은 와들은 주위기체밀도가 증가함에 따라 연료분류의 유동을 추종하는 주위기체의 질량이 증가하기 때문에 그 수가 많아진다고 생각된다. 따라서 주위기체의 밀도가 높을수록 분사연료와 주위기체의 혼합은 용이하고, 보다 균일한 혼합기형성이 기대된다.
위 연구의 결과로부터 다음의 결론을 얻었다.

▶ 주위기체의 밀도가 높아짐에 따라 증발분무의 액상 및 기상의 분무선단도달거리는 주위기체의 저항으로 인하여 감소하였고, 분무반경방향으로의 확산은 증가하였다.

▶ 분사연료와 주위기체의 운동량교환에 의해 주위기체의 와운동이 분무의 유동을 지배하기 시작하는 천이영역인 분무의 액상길이(Liquid Length)를 조사하였고, 주위기체 밀도가 높을수록 분무액상 도달거리는 짧아져 분무공쪽으로 이동한다. 이것은 주위기체의 항력 증가와 함께 분무 내 대규모의 와유동 형성 때문이다.

▶ 주위기체의 밀도증가는 비정상∙증발분무의 선단도달거리 성장을 억제함과 동시에 분무의 반경방향으로의 확산(폭)을 증가시킨다. 이것은 분무 내부로 주위기체 도입(Entrainment)의 증가를 의미한다.

4. 결론
신속하고도 고도의 정확한 혼합기형성은 엔진 내 연소 시 배출미립자의 배출을 저감시키며, 결과적으로 연료를 보다 효율적으로 필요한 일로 변환시켜 연비절감에 도움을 줄 수 있다. 입자상물질(Particulate Matters : PM)의 구성을 <그림 3>에 보인다.

현재 자동차엔진 내 연료 분사기술의 정도는 급속한 분사제어기술의 발달로 보다 적은 연료로써 동일한 출력성능을 유지하면서도 연비향상을 도모할 수 있게 되었다. 그러나 지금처럼 대체연료(Alternative Fuels) 연구가 활발히 진행 중이고, 그 중 특히 유행인 바이오 연료(Bio-fuels)의 사용에있어 연비향상을 위해서는 각 연료 물성치에 기인하는 분무거동특성 변화에 대해서 보다 기초적이고 정확한 연구결과가 필요한 실정이다.