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일본대학들에서의 HCCI연소 연구

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2010-07-10 01:44:49

본문

1. 서론
예혼합압축자기착화(Homogeneous Charge Compression Ignition : HCCI)기관은 공기와 연료의 예혼합기를 연소실내에 투입하고, 피스톤의 압축에 의해 고온∙고압으로 다점 동시에 자기착화시키는 기관이다. HCCI기관은 그 연소 방식으로부터 고효율∙저공해를 실현할 수 있는 기관으로서 주목받고 있고, 지구 환경 문제나 석유 자원의 고갈 문제를 완화할 수 있는 수법의 하나로서 생각되어지고 있으며 그 실용화가 요구되고 있다. 그러나, HCCI기관에는 착화가 연료고유의 착화온도에 의존하기 때문에 착화 시기의 제어가 곤란하다. 또한,노킹때문에 운전영역이 저부하에 한정된다는 과제가 존재하고 과제해결을 위해서 많은 연구가 행해지고 있다.

글 / 임옥택 (울산대학교)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2010년 6월호


HCCI기관은 착화에 이르기까지 피스톤의 압축에 의해만 온도가 상승하므로, 착화 시기의 제어에는 압축 시작시의 연소실내 가스 온도가 매우 중요하다. 또한, 노킹은 급격한 연소에 의해 발생되기 때문에, 그것을 회피하기 위해서는 연소반응속도의 제어가 불가결이 필요된다. 이번의 보고에서는 일본의 각 대학의 연구실에서 행하여지고 있는 HCCI연소 연구의 일부를 소개한다.

2. 대학에 있어서의 HCCI연소 연구
2.1 연소 실험에 의한 HCCI연소의 해석
(1) 단일연료를 이용한 연구

게이오대학의 이케모토는 디메틸 에테르(DME)을 연료로 하는 소형발전기용 HCCI기관의 개발을 목표로 하고, ① 당량비 Φ=1.0 예혼합기, ② 고온의 내부 EGR가스, ③ 저온의 외부EGR가스의 3자의 가스혼합비율을 조절하는 것에 의해, 노킹을 제어하면서 높은 연소효율을 확보하고, 착화 시기의 최적화에 의해 고열효율을 얻는 제어 시스템을 구축했다.

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<그림 1>에 3자의 가스의 혼합의 개념을 보이고 있다. 내부 EGR가스의 체적비율의 증가에 따른 압축 시작시 연소실내의 평균가스온도는 상승하고, 착화시기는 조기화된다. 또한, 예혼합기의 체적비율이 증가해지고 외부 EGR가스가 감소함에 따라 연소실내 최고도달 온도가 상승하면서 연소효율이 높아진다. 반대로, 예혼합기의 체적비율이 감소해지고 외부 EGR가스가 많아지는 것으로 온도상승은 억제되며 연소반응속도는 제어된다. 내부 EGR가스의 도입 방법으로 서는 흡기행정중에 배기밸브를 여는 2단 배기캠기구를 사용하고, 3자의 혼합 가스의 조절은 스로틀 및 밸브에 의한다<그림 2>.

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그러나, 개발된 엔진에 있어서 열효율은 목표로 한 디젤엔진과 비슷한 정도의 값을 달성할 수 있었지만, IMEP은 노킹에 의해서 투입되는 연료질량이 제한되져서 반정도의 값밖에 달성할 수 없었다<그림 3>. 압축비를 더 높게 해서 예혼합기 및 외부EGR가스의 체적비율을 증가시키는 것에 의해 열효율∙출력의 향상을 도모할 필요가 있다.

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서는 흡기행정중에 배기밸브를 여는 2단 배기캠기구를 사용하고, 3자의 혼합 가스의 조절은 스로틀 및 밸브에 의한다<그림 2>. 그러나, 개발된 엔진에 있어서 열효율은 목표로 한 디젤엔진과 비슷한 정도의 값을 달성할 수 있었지만, IMEP은 노킹에 의해서 투입되는 연료질량이 제한되져서 반정도의 값밖에 달성할 수 없었다<그림 3>. 압축비를 더 높게 해서 예혼합기 및 외부EGR가스의 체적비율을 증가시키는 것에 의해 열효율∙출력의 향상을 도모할 필요가 있다.

(2) 혼합 연료를 이용한 연구
HCCI기관에 있어서 착화시기를 제어하기 위해서는 착화 온도를 자유롭게 바꿀 수 있는 것이 바람직하지만 착화 온도는 연료의 고유한 값으로 존재하고 있다. 여기에서 게이오대학의 야마시타는 연소 특성의 다른 2종류의 단일연료를 이용하고, 혼합 비율이 착화 온도에 끼치는 영향을 조사했으며 연료로 메탄과 DME을 사용했다.

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횡축을 메탄 당량비, 세로축을 DME 당량비에 잡은 전체실험의 운전영역을 <그림 4>에서 보이고 있다. ×는 실화한 점, ●은 HCCI연소가 가능했던 점, ▲은 노킹이 발생한 점이다. 또한 투입 열량의 지표로서 등투입열량선(Constant Energy Supply Line), 착화 온도의 지표로서 등착화온도선(Constant Ignition Temperature Line)을 작성하였다. <그림 5>에 투입열량일정 조건에서 양쪽연료의 혼합비율의 변화가 압력∙열발생율에 끼치는 영향을 보여준다.

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<그림 4>에서 메탄 혼합 비율의 증가에 따른 착화 온도가 상승하고 있다. <그림 5>에 있어서 메탄 혼합 비율의 증가로 착화 시기가 지연화되고 있는 것은 착화 온도의 상승에 기인하는 것으로 생각된다. 실험에서 노킹이 발생되지 않으면서도 투입 열량을 증대할 수 있는 조건이 존재했다. 이 조건에서는 착화 시기의 지연화에 의해 연소가 팽창행정에서 생기게 하고 있다.

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HCCI기관에서 고출력 운전을 하기 위해서는 연소가 팽창행정에서 발생되면 노킹을 제어하면서 투입 열량을 확보하는 것이 유효한 방법임을 알았다. 이바라키대학의 곤노는 주연료에 메탄, DME을, 첨가제에 CH2O, H2O2, CO, CH3O, H2을 이용하여 HCCI연소에 있어서 첨가제가 주연료의 저온산화 반응, 고온산화 반응에 끼치는 영향을 조사했다. 메탄 예혼합기에 각종 공존성분을 각각 15% 첨가했을 때의 열발생율, 온도이력을 <그림 6>에서 나타낸다. <그림 6>에서 H2O2가 고온산화 반응 촉진 효과가 가장 컸다. 저온산화반응의 억제효과는 첨가제의 저온영역에 있어서의 OH와의 반응성이 높은 만큼 크고, CH2O가 가장 높은 억제 효과가 있었다.

(3) 발광 스펙트럼 해석
규슈대학의 무라세는 HCCI연소의 기본적 연소 특성을 확인하기 위해서 급속압축 장치에 있어서 n-Butane을 연료로 사용하여 화학발광과 그 연속 스펙트럼(Spectrum)을 계측했다. 고온산화반응 중에서 열불꽃의 발광 스펙트럼은 306.4nm의 파장의 OH에 의한 발광과 300nm~500nm의 파장영역을 차지하는 CO와 O의 재결합에 의한 발광이 확인되었다. 고온산화반응 후에서는 광범위한 피크를 가지는 발광 스펙트럼이 높은 파장 영역에서 이행되었다.

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이 발광의 스펙트럼은 580.7~966.9nm의 파장영역인 H2O의 진동 회전 영역에 의한 것이다<그림 7, 8>. 게이오대학의 쿠마노는 4행정 단기통가시화 엔진을 사용해 DME/공기 예혼합기의 연료농도의 불균질성이 HCCI연소에 미치는 영향에 대해서 2차원발광 이미지계측에 의해서 조사했다.

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<그림 9>에 연소특성, <그림 10>에서 2차원발광 이미지, <그림 11>에는 국소부분에 있어서의 발광 강도이력을 보인다. 예혼합기 중의 연료농도가 불균질 조건일 때, 균질조건에 비해서 열발생율의 피크치가 떨어지고, 연소기간이 길어지는 것을 알았다. 2차원발광 이미지를 보면 균질조건에서는 Image 4에서 연소실의 전역에서 발광이 관측되었다.

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Image 5에서는 Image 4로 발광되지 않은 영역에서 발광이 관측되었다. 불균질조건에서는 Image 1~Image 8까지 발광이 확인되지만 Image 2~Image 5에 걸쳐서는 한 번 발광한 영역에서는 다시 발광이 관측될 일은 없고 이전 프레임에서 발광되지 않고 있는 영역이 다음 프레임에서 발광하는 모양이 관측되었다. 국소의 발광 강도이력을 보면, 균질조건에서는 같은 프레임에서 같은 시기에 발광이 발생되고, 불균질조건에서는 발광 시기가 흩어져 분산되어 있지만, 모든 조건에서 같은 장소에 있어서의 발광은 1개의 프레임에서만 발광이 검출되었다.

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2.2 소반응 수치계산에 의한 HCCI연소의 해석쿄토대학의 이시야마는 불균질한 연료농도의 경우의 연소과정을 수치계산에 의해 조사했다. 확률밀도를 이용하여 불균질성을 나타내고 난류혼합에 의해 균일화하는 과정을 Monte Carlo법에 의해 계산했다. 흡기밸브가 닫히는 때부터 실린더 축중심 근방에 농도가 짙은 혼합기를 배치하는 Case D, 미세한 스케일의 농도변동이 연소실내에 균일하게 분포되는 Case H에 대해서, 연료와 공
기가 완전히 분리한 Case 0, 다소 혼합이 진행한 Case1, 균일하게 가까운 Case 2와 3조건에 대해서 계산을 한 결과를 <그림 12>에서 보이고 있다. Case D와 Case 0에서는 균일한 Case 2에 비교해서 압력상승이 완만하게 되었다. 이것으로부터 압축전의 연료의 불균일 분포를 적절하게 제어함으로써 착화시기를 제어하지 않으면서도 압력상승율을 저감할 수 있는 것으로 시사하고 있다. 리츠메이칸 대학의 사이조는 CFD를 채용한 3차원 반응 계산으로 의해 연소실내의 연료농도분포가 HCCI연소의 발열생, 연소 기간에 끼치는 영향에 대해서 조사했다.

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그 결과를 <그림 13>에서 나타내고 있다. 계산 조건은 보아와 스트로크는 82.61×14.3mm, 압축비는 10, 기관회전속도 600rpm, 당량비 0.3이다. 균질, 불균질조건에서 저온산화반응으로부터 축퇴기간까지의 거동은 거의 비
슷하지만 고온산화반응 때에는 큰 차이가 발생되고 있다. <그림 14>는 균질, 불균질조건에서의 온도분포이다.

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불균질조건에서는 균질조건에 비해 국소적으로 온도가 높은 영역이 존재한다. 이 때문에 착화가 국소적으로 시간차이를 갖게 되어 발열생이 완만해졌다.

3. 이후의 전개
앞으로의 HCCI연소 연구에서는 단기통∙다기통 엔진을 이용한 파라메터 스터디(Parameter Study), 가시화엔진을 이용한 유동해석 및 연소진단연구 방법에 더해서 유체역학과 화학동력학에 근거하는 CFD수치해석 모델, 소반응 수치계산을 구사한 착화∙연소의 반응 과정의 해석 등이 더욱 활발히 진행될 것으로 기대된다. 이런 해석결과들을 엔진의 기본설계에 응용하기 위해서는 기본적인 연소 원리를 이해한 뒤에서 더욱 진보된 해석력이 필요 될 것이다. 또한, HCCI엔진에 적합한 연료의 연구도 많이 행하여질 것으로 보인다. 즉, 연료의 착화 및 연소에 대한 이해로써, 종래의 옥탄가(Octane) 또는 세탄가의 지표에 더해서 새로운 연료지표가 도출될 필요가 있다. 착화 특성에 관한 지표(자기착화 온도를 비롯한 착화에 관한 지표)에 더해서 착화후의 연소 반응성(열발생율의 피크치, 연소 기간에 관한 특성), 연소 완결성(CO의 산화성, 연소 효율에 관한 특성) 등의 지표의 정비가 검토될 예정이다. 이를 위해서 단일연료 및 혼합 연료의 착화 늦음의 데이터베이스 정비, 소반응기구의 해명이 필요가 된다.

4. 후기
다음호에서는 일본의 클린디젤자동차의 개발 및 보급에 대한 내용을 정리하고자 한다.

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