현재 일본에서 가장 주목받고 있는 엔진연구 관련 화두는 ‘열효율’이다. 바이오연료, DME, 합성연료 등의 대체연료에 관한 연구발표는 엔진관련학회에서 현저하게 줄고 있으며, 가솔린/디젤엔진의 연소 및 열효율 향상기술 관련 내용이 발표의 대부분을 차지하고 있다.

본 고에서는 다양한 엔진 열효율 향상기술 중 가솔린엔진 노킹해석 및 제어기술의 최근 연구동향에 관해서 살펴보고자 한다. 현재 가솔린엔진의 열효율 향상을 위해 세계적으로 과급직분엔진이 도입되고 있는 추세이다. 이는 직분 및 가변밸브타이밍을 과급 및 고압축비와 조합시킴으로써 저속조건에서의 토크를 향상시키고, 동등한 출력을 유지하면서 엔진배기량 및 회전수를 저감하여 엔진 기계손실을 저감하기 위함이다<그림 1>.

이러한 아이디어 구현에 가장 장애가 되고 있는 것이 Pre-ignition 및 노킹현상인데 최근 일본에서는 이에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 일례로 2014년 내연기관 심포지엄에 발표된 논문의 15%가 엔진노킹 관련 논문일 정도로 노킹현상의 기초메커니즘 해석 및 제어에 대한 관심은 매우 높다. 본 고에서는 최근 일본 내
학회에 발표된 엔진노킹관련 논문 중 흥미로운 내용 몇 가지를 발췌해서 소개하고자 한다.

과급직분 가솔린엔진에서 발생하는 LSPI의 메카니즘 해명

과급직분 가솔린엔진의 엔진오일 착화특성이 이상 - 연소에 미치는 영향 (도요타자동차)

도요타자동차는 엔진오일의 착화특성이 과급직분 가솔린엔진의 저속 운전영역에서 간헐적으로 예측 불가능하게 발생하는 Pre-ignition(LSPI : Low Speed Pre-Ignition<그림1>)에 미치는 영향에 대한 연구 결과를 2012년부터 2013년까지 3회에 걸쳐 발표했다. 도요타자동차는 LSPI가 피스톤 간극에 정체되어 있던 오일액적이 연소실에 유입되어 착화되는 것에 기인한다는 가설을 세우고 연구를 진행했다. 2012년에 발표된 제1보에서는 엔진오일의 착화메커니즘을 추정하고 엔진오일의 주요첨가제 성분이 오일액적의 착화에 미치는 영향에 대해 발표했다.

<그림 2>에 나타난 바와 같이 오일액적의 착화는 액적의 증발에 의한 가스화 및 가스화된 오일의 산화반응에 의해 일어나며, 오일첨가제가 이러한 산화반응에 영향을 미치는 주요인자라고 밝혔다. 실험결과를 통해 Ca계열의 첨가제는 LSPI의 발생빈도를 증가시키는 반면, MoDTP와 ZnDTP는 LSPI의 발생빈도를 감소시킨다고 밝혔다. 이어지는 2보에서는 LSPI의 발생이 오일의 증발성보다는 산화반응에 지배적 영향을 받는다는 것을 밝히고, 각 오일의 착화성 및 LSPI 억제성능을 평가하는 기법을 제안하였다. ASTM E659 및 DSC(Differential Scanning Calorimetry) 시험법을 이용하여 평가한 각 오일의 착화점과 LSPI 발생빈도의 상관관계를 해석하였으며, 결과를 통해 DSC시험법을 이용하여 10기압의 분위기압력 하에 측정한 착화점이 LSPI의 발생빈도와 좋은 상관성을 보임을 밝혔다. 제3보에서는 금속첨가제인 Fe
및 Cu의 첨가, 그리고 오일열화가 LSPI의 발생빈도에 미치는 영향에 대해서 발표했다. 결과를 통해 Fe 및 Cu의 첨가는 LSPI의 발생빈도를 높인다고 밝혔다. 한편 오일열화의 영향은 시판중인 오일의 종류에 따라 다르게 나타남을 밝히고, 어떠한 오일열화 메카니즘이 LSPI의 발생빈도를 지배하는지보다 기초적인 연구가 필요하다고 밝혔다.

엔진오일 함유 이소옥탄분무의 착화특성에 관한 연구(와세다대학)

2013년 내연기관심포지엄에서 와세다대학은 LSPI의 발생원인이 엔진오일의 착화에 의한 것인지 그 메카니즘을 명확히 하기 위해 시판 엔진오일을 혼합한 이소옥탄(Isooctane)분무의 착화특성을 해석했다. 또한 CFD를 이용하여 엔진오일의 착화성능에 대해 해석했다.

분무 연소해석은 엔진압축행정 10°BTDC 시점의 압력 및 온도 조건을 모의해서 이루어졌다. <그림 3>은 엔진오일의 혼합률 증가가 이소옥탄분무의 착화특성 및 휘염형성에 미치는 영향을 나타낸다. 세탄가가 낮은 이소옥탄의 경우 엔진오일을 첨가하지 않으면 착화가 일어나지 않지만 20% 정도의 엔진오일을 첨가함으로써 착화가 활발하게 일어나는 것을 알 수 있다. 또한 실험결과에 맞추어 조정한 CFD결과를 통해 본 연구에 이용된 엔진오일의 착화지연이 N-heptane보다도 매우 짧다고 밝혔다. 이상의 결과를 통해 엔진오일의 착화성능이 LSPI를 일으키는 주요인일 것이라고 추정하였다. 또한 향후 이의 상세 메카니즘을 밝혀나가는 것이 LSPI의 제어를 통한 엔진열효율 향상의 중요과제가 될 것이라 밝혔다.

과급SI엔진에 있어서의 LSPI의 가시화해석 (일본자동차부품종합연구소)

2014년 일본자동차기술회(JSAE) 춘계대회에서 일본자동차부품종합연구소(부품총연)는 엔진 내부 가시화 기술을 이용하여 LSPI 생성 메카니즘을 고찰한 연구결과를 발표했다. 부품총연은 엔진내부 전체를 보다 광범위하고 선명하게 가시화할 수 있는 새로운 가시화엔진을 개발하고 고속카메라를 이용해 LSPI 사이클 전후에 엔진내부에 일어나는 현상을 관측했다. <그림 4>는 LSPI 발생 이전 및 발생 시의 실린더 내 압력파형과 (a)-(c) 시점에서의 연소실 내 화상을 나타낸다.

결과를 통해 LSPI의 생성메커니즘을 이하와 같이 고찰하였다. 엔진 운전 중, 실린더 라이너 및 피스톤에 부착된 엔진오일 침적물이 실린더 내에 유입된 후 부유하며, 이 침적물이 첫번째 사이클에서는 주연소과정 중에 가열된 후 배기행정 중에 소화된다. 하지만 침적물 표면에는 산화반응이 지속되어 다음 사이클의 압축행정 중에 산화반응속도가 증가해 주변 혼합기를 착화시킨다고 주장하였다<그림 5>.

이 가설은 앞서 언급한 엔진오일의 자착화에 의한 LSPI의 발생설과는 다른 관점의 것으로서, 실제로 오일이 스스로 착화하여 LSPI를 발생시키는 것인지, 아니면 복수의 사이클에 걸친 과정을 통해 혼합기를 간접적으로 착화시키는 것인지 엔진오일의 착화메카니즘에 대한 보다 기초적이고 상세한 연구가 필요하다고 밝혔다.

다운사이징 컨셉의 한계를 향상시키기 위한 연구 : LSPI의 상세해석(치바대학)

2014년 내연기관 심포지엄에서 치바대학은 과급 다운사이징 엔진의 LSPI 발생 메커니즘을 상세 해석한 3편의 논문을 발표했다. 엔진성능실험, 오일액적 및 침적물의 연소실 유입에 관한 수치해석, 가시화엔진을 통한 연소실 내 연소 및 오일거동 추적을 통해 앞서 언급한 오일액적 자착화설, 부유침적물 유도착화설에 대한 상세 검토를 수행했다. 결과를 통해, 엔진연소실 내부에 LSPI를 일으키는 요인은 다양하며 오일액적의 자착화, 부유침적물 유도착화가 동시다발적으로 일어나 LSPI를 야기한다고 밝혔다<그림 6>. 또한 부유침적물 유도 착화의 상세과정을 밝혔는데, CaCO3을 함유한 벽면침적오일 입자가 연소실에 유입되고, LSPI 발생 이전 사이클에 연소되어 CaO 고체입자로 변화되며, CaO 고체입자가 다음사이클의 압축행정 중에 CO2를 흡착하여 발열함으로써 혼합기의 착화를 유도한다고 밝혔다.

치바대학은 LSPI 생성 메카니즘의 해명에 더불에 LSPI의 발생을 억제하여 얻을 수 있는 엔진최대출력에 대한 조사를 수행했다. LSPI의 발생을 억제할 수 있는 최적의 분사시기 및 냉각수온도, Ca를 함유하지 않은 엔진오일을 적용하고, 연소실 내 온도상승을 억제하기 위해 밀러사이클 및 저압 EGR을 적용하였을 경우 4기통 1.6ℓ엔진의 1,500rpm 운전조건에서 3MPa의 IMEP를 달성할 수 있다고 밝혔다.

고압연료 분사시스템을 이용한 직분가솔린 엔진의 노킹개선(도요타자동차)

도요타자동차는 2013년 일본자동차기술회(JSAE) 추계대회에서 직분 가솔린엔진의 노킹제어를 통해 엔진열효율을 향상시킨 연구결과를 발표했다. 노킹을 억제하기 위해 압축행정 후반부에 연료를 분사하고, 이로 인한 분무운동량의 저하를 보상하기 위해 디젤인젝터를 이용하여 40MPa의 고압분사를 적용하였다. Single-cone 및 Double-cone 형성 분무<그림7>를 Base Cavity 및 Small Cavity 피스톤에 적용하여 컨셉의 유효성 및 최적화 테스트를 수행하였으며, 결과를 통해 Double-cone 형성 분무를 Small Cavity Piston에 50°BTDC 시점에 분사할 경우, 기존의 PFI방식에 비교해서 BMEP를 대폭 향상시킬 수 있음을 밝혔다. 이 결과는 지각분사에 의한 엔진노킹의 저감 및 연소속도의 향상에 기인한다고 밝혔다.

본 고에서는 최근 일본의 엔진노킹 해석 및 제어관련 연구동향에 대해서 살펴보았다. 가장 주목할 만한 것은 과급직분 가솔린엔진의 LSPI 발생 원인에 대한 기초 연구가 자동차메이커 및 대학을 중심으로 매우 활발하게 이루어지고 있다는 점이며, 현상에 대한 이해를 통해 개선대책을 점차 세워가고 있다는 점이다.

이번 연구동향 조사를 통해 느낀 한 가지 중요한 점은, 지금과는 한층 다른 엔진 열효율을 이루어내기 위해서는 엔진 내에 일어나는 물리현상에 대한 철저한 이해가 수반되어야 한다는 점이며, 이를 위해서는 정적연소기, RCEM, 가시화 엔진, 다기통 엔진 등 다양한 연구기법을 총동원해 충분한 기초연구를 수행해야 한다는 점이다.

전 호에 소개한 바 있는 일본의 대형국가 프로젝트 ‘SIP 혁신적 연소기술’에서 엔진노킹 제어기술은 하나의 중요한 테마로 설정되어 있으며, 향후 가솔린엔진의 50% 열효율 달성을 목표로 엔진노킹에 대한 기초연구를 꾸준히 수행해 나갈 예정이다. 필자는 앞으로도 엔진노킹 관련 연구동향에 대해 지속적으로 보고할 예정이다.

글 / 문석수 (일본산업기술종합연구소)
출처 / 오토저널 15년 3월호 (http://www.ksae.org)