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HCCI( 예혼합 압축착화)엔진 연구 동향

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2010-05-12 12:04:53

본문

1. 서론
기존 가솔린 엔진이나 디젤 엔진과 다른 새로운 연소방식인 HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition, 예혼합 압축착화) 엔진은 80년대 중반부터 고효율, 저배기가스 대체 연소 방식으로 제안되어 연구되어 왔다. HCCI 엔진은 가솔린 엔진과 디젤 엔진의 장점을 조합한 엔진으로, 가솔린 엔진과 같이 예혼합된 연료와 공기의 혼합기체를 사용하나, 디젤과 같은 압축에 의한 자연 발화 를 통해 연소가 이루어진다.

글 / 금승환, 정도회 (미시간대학)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2010년 4월호


HCCI엔진은 일반적으로 낮은 당량비에서 운전되며, 이에 따라 연소 온도가 낮아져 질소 산화물의 생성을 예방할 수 있다. 또한 예혼합된 혼합기체를 연소시키기 때문에 매연의 생성을 동시에 줄일 수 있다.

그러나 HCCI 엔진의 경우, 여러가지 기술적 문제로 아직까지 양산에 이르지 못하고 있다. 현재 가장 큰 문제점은 제한된 운전 영역이다. GM은 2008년 하반기에 새턴 아우라 차량을 기반으로 EcoTec 2.2리터 4 시린더 엔진을 장착한 HCCI 시작차를 개발, idle에서 60 mph (96km/h)까지 시운전해 보인바 있으나, 아직 양산 단계에는 이르지 못하고 있다.

HCCI와 관련된 연구는 최근에도 활발히 진행중이며, 연구 분야도 운전영역 확장, 과도기 컨트롤, 연료에 따른 영향 등 다양하게 걸쳐있다. 본문에서는 운전영역 확장에 대한 연구 동향을 알아 보고자 한다.

2. 운전영역
HCCI엔진의 부하는 디젤과 같이 당량비로 제어되는데, 낮은 부하 영역에서는 당량비가 너무 낮아 자연발화가 이루어지지 않거나, 이루어진다고 하더라도 실린더내의 불완전 연소를 유발한다. 반면 고부하 영역에서는 너무 이른 시기에 발화되거나, 실린더 내 압력이 빠르게 증가하여 노킹을 유발하는 문제점이 발견되었다. 이에따라, <그림 2>에 보인 바와 같이 HCCI엔진의 운전 영역은 고부하 및 저부하 영역에서 심하게 제한된다.

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3. 저부하 운전영역
일반 승용차량의 실제 도심 운행은 공회전 - 저부하 영역에서 주로 이루어지며, 따라서 저부하 영역에서의 연소 안정성 및 배기 저감은 매우 중요하다. 전술한 바와 같이 저부하 영역에서는 낮은 당량비로 인한 연소의 불안정성이 문제가 되기 때문에, 이를 극복하기 위하여 크게 두 가지 방식이 제안되고 연구 중에 있다.

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(1) VVA를 이용한 EGR
저부하 운전에서 가장 손쉬운 해결방안으로 제안된 것은 EGR (Exhaust Gas Recirculation) 이다. 저부하 운전의 경우 배기가스 내에 다량의 CO 및 미연 탄화수소가 존재하는데, 이는 발화는 되었으나 열에너지가 부족하여 불완전 연소가 되었음을 의미한다. 이에 다량의 EGR을 적용하여 열에너지를 확보, 완전 연소에 가깝게 연소시
키는 것이 HCCI엔진의 EGR의 목적이다. 실린더 내에 열에너지를 공급하는 것이 주 목적이기 때문에, 기존의 EGR loop을 사용하지 않고 밸브트레인을 통해 연소 가스를 실린더 내에 유지시키는 방식이 사용된다. 이와 같은 방식을 Variabla Valve Actuation (VVA)이라 하는데, 재압축 (Recompression) 및 재흡기 (Rebreathing)방식이 있다. 각 방식의 밸브 리프트 개요를 <그림 3>에 나타내었다. 재압축의 경우, 배기 밸브를 통상보다 일찍 닫아 일정량의 연소 가스를 실린더 내에 유지시키도록하며, 재흡기의 경우 흡기 행정에 배기 밸브를 다시 열어 적정량의 배기가스를 실린더 내에 다시 유입시키도록 한다.

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재흡기의 경우 Pumping Loss가 별도로 발생되지 않는다는 장점이 있으나, 실제 실린더 내에 유입되는 EGR 가스의 양을 제어하기 어렵다는 단점이 있다. 반대로 재압축의 경우 EGR 가스의 양을 상대적으로 용이하게 통제할 수 있으나, Negative Valve Overlap으로 인한 Pumping Loss가 발생할 수 있다. 일반적으로, 재압축이 저부하 영역 운전에서는 재흡기보다 좋은 효과를 보여주고 있는데, 이는 재흡기의 경우 열전달로 인해 열에너지의 손실을 가져오기 때문이다. 재압축의 경우 열에너지의 손실을 최소화하여 연소에 필요한 열에너지를 충분히 확보할 수 있는 장점이 있어, 재압축을 사용한 경우 저부하 운전 영역을 재흡기보다 더 넓게 확보할 수 있다.

이러한 VVA는 비단 저부하 영역의 연소 안정성 확보 뿐 아니라, SI (Spark Ignition)-HCCI 하이브리드 방식의 운전에서 운전 모드 전환시 Cycle-to-cycle Variation을 줄이는 목적으로도 연구되고 있다.

(2) 직접분사
연소 안정성을 확보하기 위한 다른 방법으로직접분사가 제안되어 연구되고 있다. 상사점 근처에서 직접분사를 함으로써, 실린더 내에 연료를 성층화 (Stratification)하여 안정된 연소가 가능한 당량비를 확보하는 것이 주목적이다. 기존의 밸브트레인을 유지하면서 저부하 연소 안정성을 확보할 수 있다는 장점이 있으나, 성층화의 정도에 따라 실린더 내 연소가 불완전 연소에서 고온 연소까지 변화할 수 있어 세심한 제어가 필요하다. Sandia National Laboratory의 Cummins 디젤엔진에 기반한 HCCI 엔진 연구에 따르면, 당량비가 0.2 이하인 경우 불완전 연소가 발생하며, 0.6 이상인 경우 NOx가 발생한다. 따라서, 성층화를 적용하는 경우 실린더 내 당량비 분포를 0.2~0.6 범위 안에 맞춰야 원하는 결과를 얻을 수 있다.

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이와는 별도로, 부분 연소된 연료를 이용하여 연소를 안정화 하는 방식도 연구되고 있다. 가장 활발히 연구되고 있는 방식은 VVA와 직접분사를 조합한 것으로써, 재압축 행정 내에 직접분사하여 분사된 연료가 재압축반응을 통해 부분 연소되게 하는 것이다.

재압축반응에 따른 장점은 두 가지로써, 하나는 재압축 중 열에너지를 발생시켜 이후의 흡기-압축 행정시 실린더 내 온도를 높게 유지시켜주는 것이며, 다른 하나는 부분 연소된 연료가 이후 압축행정에서 실린더 내 기체의 반응성을 높여주는 것이다. NVO 중의 직접분사 시기 및 분사량에 따른 영향과 부분연소 생성물의 구성에 따른 영향이 실험과 시뮬레이션을 통해 다양하게 연구되고 있다.

4. 고부하 운전영역
HCCI의 경우, 고부하 운전 영역은 크게 압력상승률(Pressure Rise Rate: PRR) 과 NOx 생성량에 따라 제한된다. 고부하의 경우, 당량비가 1에 근접함에 따라 연소 온도가 높아져 NOx 생성이 증가하고, 또한 HCCI의 연소 특성상 실린더 내 전 영역에서 연소가 발생함에 따라 압력상승률이 급증하여 노킹을 발생시킬 수 있기 때문이다. 고부하 운전 영역을 확장하기 위한 방법으로는 EGR, 과급기, 연료 특성등에 대해 다양한 연구가 진행되고 있다.

PRR 감소 및 노킹 방지를 위해 일반 내연기관의 경우와 같이 다량의 EGR을 적용한다. HCCI 연소의 경우 내연기관의 일반적인 EGR 비율을 넘어 40~60%까지 EGR을 사용하기도 하며, 충분한 양의 연소 가스를 확보하기 위하여 전술된 VVA를 사용한다. EGR을 사용하는 경우, 주 목적은 연소시기를 늦추고 PRR을 낮춰 노킹을 방지하는 것인데, 이 때 연소시기가 과도하게 늦춰지는 경우 연소 불안정성의 문제가 나타나기도 한다.

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최근에는 고부하 영역에서 과급기의 활용이 적극적으로 연구되고 있다. HCCI의 특징 중 하나는 낮은 당량비에서 운전하여 효율을 높이고 연소 온도는 낮춰 NOx 생성을 억제하는 것인데, 자연급기에서 고부하에 다가갈수록 당량비가 높아져 HCCI의 두 가지 장점이 상쇄되게 된다. 고부하 영역에서도 저온 연소 (Low Temperature Combustion) 을 실현하기 위해서는 당량비를 낮춰야 하고, 이를 위해 요구되는 연료량에 맞춰 공기의 공급을 늘려야 한다. 이를 위해 과급기를 사용하여 요구 연료량에 대해 당량비를 낮추는 방식이 연구되고 있다. 이를 간략하게 <그림 5>에 나타내었다. Ringing Limit은 노킹 한계를 지칭하며, 자연 흡기의 경우 (P=1.0 bar) 당량비 0.5 정도에서 노킹이 발생하는 것을 알 수 있다. 과급을 이용하여 초기 압력을 1.4bar 이상으로 올리면, 연료량과 함께 공급되는 공기의 양도 함께 증가하여 상대적으로 낮은 당량비에서 높은 IMEP를 구현할 수 있다.

그러나 과급의 경우, 실린더 내 초기 온도 및 압력이 높아EGR 만으로는 PRR을 충분히 감소시키기 어려우며, 따라서 노킹이 발생할 여지가 남아 있다. 노킹 방지를 위해 성층화 (Stratification) 및 다양한 연료의 발화특성을 이용하는 방식이 추가로 연구되고 있다.

성층화의 주 목적은, 실린더 내 온도 및 당량비를 성층화시켜 연소가 단계적으로 이루어지도록 하는 것이다. 단계 연소 (Staged Combustion) 을 이용함으로써, 전체실린더 내의 연료가 동시에 연소하는 것을 막아 PRR을 감소시킬 수 있다. 성층화는 온도와 연료 분포 두 가지 모두에 대해 연구되고 있으며, 자연적인 열전달만으로도 충분한 온도 성층화와 PRR 감소 효과를 얻을 수 있다는 것이 Sandia National Laboratory 의 연구 결과 발표된 바 있다. 연료 분포를 성층화 시키는 경우는, 실린더 내 당량비의 분포를 다양화하여 높은 당량비 영역에서 먼저 발화 및 연소가 일어나고, 낮은 당량비 영역에서는 연소가 늦게 진행되게 하여 전체 PRR을 낮추는 방식이다. 이를 위하여 실린더 내 직접분사 및 분할 분사가 사용된다.

연료 성층화에서의 문제점은, 기존 가솔린과 같은 단일단계 착화 (Single-stage Ignition) 특성을 보이는 연료를 사용할 경우 연소시기 지연에 의해 연소가 불안정해질 수 있다는 점이다. 이를 방지하기 위해서는 매우 높은 초기 온도가 필요하다. 이에 대해, 저온 열방출 (Low Temperature Heat Release) 특성을 가지는 PRF80 등 의 연료에 대한 연구가 진행되고 있다. 저온 열방출 연료의 경우, 저온 열방출 통해 실린더 내 온도가 충분히 높게 유지되어, 초기 온도를 통상적인 범위로 유지하면서 성층화를 통한 PRR 감소에 효과적이라는 것이 확인되었다. 또한, 가솔린과 같은 단일단계 착화 특성을 보이는 연료 또한 고온∙고압 연소에서 저온 열방출을 보이는 것이 확인됨에 따라, 가솔린 과급 HCCI 엔진에 동일한 메커니즘을 적용하여 PRR을 감소할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

5. 발화 제어
HCCI 엔진을 상용화하는데 걸림돌 중 하나는 별도의 점화 장치 (스파크플러그 / 직접분사) 가 없어 연소가 연료의 자연발화에만 의존한다는 점이다. 이로 인해 전술한 바와 같은 노킹/연소불안정 문제가 발생한다. 이에, 발화를 제어하여 운전영역을 확장하려는 시도가 이어지고 있다.

점화 제어 방식으로는 크게 두 가지가 제안되어 있다. 먼저 디젤에서 사용되는 것과 유사한 예연소실 (Prechamber)구조의 경우, 실린더에 예연소실을 설치하여 예연소실 내에서 농후 연소를 먼저 시행한다. 이 때 농후연소를 위해 예연소실 내에 점화 플러그를 별도로 설치하기도 한다. 실제 실린더 내에는 실린더 압축만으로는 자연발화가 되지 않는 낮은 당량비의 혼합물이 흡기행정동안 유입되어 있으며, 원하는 점화시기에 예연소실 내의 고온 고압 농후 연소 생성물을 실린더로 주입하여 전체 실린더 내의 희박 연소를 유도하는 방식이다.

최근 주목받는 발화 제어 방식은 SACI (Spark Assisted Compression Ignition)라고 불리우는방식이다. 이는 기존 SI 엔진과 같이 점화 플러그를 사용하여 착화를 제어하는 방식이다. 압축만으로는 자연발화가 되지 않는 희박기체에 스파크를 이용하여 강제로 착화시키는 방식으로, 예연소실 방식에 비해 기존의 하드웨어를 그대로 사용하면서 발화 시기 제어가 용이하다는 장점이있다.

SACI의 연소는 <그림 6>에 보인바와 같이 두단계로 이루어진다. 스파크 점화후 화염 전파에 따른 연소가 시작되며, 동시에 Endgas가 압축되어 아직 연소가 진행되지 않은 미연가스의 온도와 압력이 상승한다. 미연가스의 온도와 압력이 자연발화점을 넘어서면 압축자연발화에 의한 연소가 이루어지며, 이에 따라 PRR이 화염 전파시기보다 증가하는 것을 볼 수 있다.

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SACI는 HCCI에서 점화시기를 조절하는데 도움이 될 뿐 아니라, SI-HCCI hybrid 방식에서 SI-HCCI의 전환을 용이하게 할 수 있는 장점이 있다. 그러나 Cycle-tocycle Variation이 크게 나타나, 이를 해결하기 위한 연구가 진행중이다.

6. 결론
HCCI 엔진은 질소 산화물 및 매연 저감에 획기적인 성능을 보여주고, 희박 연소를 통한 연소 효율성 제고에도 효과적이나 본문에 기술된 바와 같은 기술적인 문제로 인해 다양한 분야에서 연구가 진행중이다.

운전 영역 확장에 있어서는, EGR, 성층화, 직분사 및 별도의 점화 장치를 이용한 다각적인 접근이 이루어지고 있다. 이에 따라, HCCI 엔진에 대한 연구는 순수한
homogeneous charge에서 벗어나, 성층화 및 외부 점화장치, 그리고 SI-HCCI 또는 DI-HCCI를 포괄하는 저온 연소 (Low Temperature Combustion) 로 이행되었다고 보아야 할 것이다.

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<그림 7>에 가솔린/디젤 및 HCCI/LTC의 당량비-온도범위를 나타내었다. 보이는 바와 같이, LTC는 HCCI의 원칙을 따르면서 더 넓은 운전 범위를 가능하게 한다. 이에 최근의 연구는 PCI (Premixed Compression Ignition), PPCI (Partially Premixed Compression Ignition) 등의다양한 연소 방식과 HCCI 개념을 접목시키는 방향으로 이어지고 있다.
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