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[오토저널] 차세대 가솔린 엔진을 위한 연료 특성에 대한 연구 소개
가솔린 연료의 내노킹성 정의

페이지 정보

글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2018-11-19 13:19:43

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최근 전세계적으로 자동차의 연비 규제를 강화하고 있으며 북미 또한 동일한 추세를 따르고 있다. 현재 규제 로드맵 상으로는 2025년도까지 Fleet average 기준으로54.5mpg를 달성해야 하며 이는 자동차 제작 업체들에게 매우 큰 도전이 되는 수치이다. 북미의 경우, 가솔린 연료를 사용하는 차량의 판매량이 90% 이상이다. 따라서 강화되는 연비 규제를 만족시키기 위해서는 가솔린 차량의 연료 소비율을 줄이는 것이 중요한 과제이다. 가솔린 차량의 연비 저감을 위한 방법에는 여러가지가 있으며, 그 중에서 가솔린 엔진의 효율을 높이는 것이 여전히 핵심 포인트로 자리잡고 있다.

 

가솔린 엔진의 효율을 향상시키기 위해서는 압축비 상향이 매우 중요하다. 압축비 상향을 위해서는 노킹 현상을 억제하는 것이 필수적이며 이를 위한 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 반면에 가솔린 연료의 특성에 대한 연구는 비교적 주목을 받지 못하고 있었다. 그러나 최근 엔진 설계가 2~30년 전 대비 상당히 개선되었고 다운스피딩 혹은 엔진 다운사이징 기술의 적용으로 차량에서 주로 사용되는 엔진 운전점에도 많은 변화가 있었기 때문에 차세대 가솔린 엔진을 위한 연료 특성의 연구에 대한 필요성이 제기되었다. 이에 미국에서는 엔진과 연료의 동시 최적화를 위한 새로운 연구가 진행되어 왔다.

 

가솔린 연료 특성에 대한 구체적인 연구 배경 및 지향점은 다음과 같다. 가솔린 연료는 단일 성분이 아닌 수많은 화학종으로 구성되어 있으며 판매 지역마다 구성 성분에 큰 차이를 보일 수 있다. 수많은 가솔린 연료 중에서도 엔진의 열효율을 극대화하는 후보가 있을 것이다. 이는 개별적인 화학종이 갖는 화학적 특징들이 복합적으로 엔진 연소에 긍정적인 영향을 미치는 경우에 가능하다. 즉, 연료의 구성 성분에 차이가 존재하더라도 가솔린 엔진 연소에 영향을 미치는 층류 화염 속도 및 옥탄가, 증발 잠열 등 연소에 관련된 주요 특성들이 연소에 긍정적인 영향을 미치는 수치를 가질 때 엔진의 효율이 증대될 것이다. 따라서 엔진의 효율을 극대화시킬 수 있는 최적의 연료가 갖춘 주요 특성들을 올바르게 파악한다면 동일한 주요 특성들을 갖춘 연료들은 구성 성분에 무관하게 동등 수준의 엔진의 효율을 낼 수 있을 것이라는 가정이 도출되었다. 이 가정을 기반으로 가솔린 연료에 대한 연구가 진행되고 있으며, 주요 연료 특성이 엔진 효율 향상에 기여하는 정도를 수치화하는 Merit function을 정립하여 최적의 연료를 도출할 수 있는 기반을 마련하는 것이 연구의 여러 지향점 중 하나가 되고 있다.

 

Merit function을 정립하기 위한 다양한 연구가 있으나 본 고에서는 연료의 내노킹성 정의에 관한 연구 내용을 중점적으로 소개하려 한다. 현재 북미에서 판매되고 있
는 연료의 내노킹성은 RON(Research Octane Number)값과 MON(Motored Octane Number)값의 평균으로 계산되는 AKI(Anti-knock index)로 산출되고 있다. RON값과 MON값을 측정하는 두 기법 모두 CFR(Cooperative Fuels Research) 엔진을 사용하지만 RON 측정 방법에서는 흡기 온도와 엔진 속도를 52℃와 600rpm으로 설정하는 반면, MON 측정 방법에서는 흡기 온도와 엔진 속도를 149℃와 900rpm으로 설정하는 부분에서 차이를 보인다. RON 및 MON 측정 기법은 오랜 기간 동안 사용되어 왔기 때문에 측정 방법론이 잘 정립되어 있지만 시험 조건이 다운사이징 엔진과 같이 저속 고부하를 주로 사용하는 운전 조건을 비롯한 최신 엔진의 주요 운전 조건을 온전히 대변하지 못한다는 한계점이 지적되었다. 이에 연료의 내노킹성을 나타내기 위하여 단순히 RON과 MON값의 평균을 취하는 방법 대신 RON과 MON값의 가중 평균치를 어떻게 도출해야 하는지에 대한 연구가 진행되었다.

 

연료의 내노킹성을 나타내기 위하여 기존 연구에서 제안되었던 옥탄지수(OI : Octane Index)라는 정의가 사용되었다. OI 를 나타내는 수식은 다음과 같다.

 

OI = RON - K * S (수식 1)
S = RON – MON (수식 2)

 

위 수식에서 S는 Octane sensitivity로 정의되었으며 K는 RON과 MON 값의 가중 평균치를 좌우하는 가중치에 해당한다. 여기서 K값을 0.5로 정의하면 OI는 AKI와 동일한 값을 갖게 된다.

 

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K값 도출을 위하여 4가지 연료가 선정되었으며 연료에 따른 특성은 <표 1>에 도시된 바와 같다. 1~3번 연료는 주요 구성 성분이 서로 다르지만 동등 수준의 RON값을 갖도록 준비되었다. 1번 연료의 경우에는 RON과 MON값이 매우 유사한 반면, 2번과 3번 연료는 S(Octane sensitivity, 수식 2 참조) 값이 비교적 높은 10 정도가 되도록 구성되었다. 4번 연료는 실제 북미 시장에서 판매되고 있는 E10 연료의 표본으로 사용되는 연료이다. 2번과 3번 연료는 별개의 실험을 통하여 구성 성분이 다르더라도 동등 운전조건에서의 노킹 특성이 큰 차이를 보이지 않는 것으로 보고되었다.

 

K값 도출을 위하여 다양한 실험 조건에서 연구가 진행되었다(실험 조건 및 K값 계산 방법에 대한 자세한 내용은 참고문헌 4 참조). <그림 1>에 도시된 결과에 따르면 흡기 온도가 상온보다 높게 가열된 경우에 K값이 가장 높은 것으로 나타났다. 반면 Skip-firing 조건(20 사이클동안 연소 후 80 사이클 동안 모터링을 하는 전략)에서 실험을 진행하여 연소실 내부 온도가 Steady state(정상 상태) 조건보다 보다 낮게 유지된 경우에는 K값이 음의 값을 갖는 것으로 나타났다.

 

음의 K값에 대한 결과는 다른 문헌에서도 찾아볼 수 있다. 참고문헌 6에서는 2012년형 차량 여러대를 이용하여 급가속 조건에서 연료별 노킹 특성을 평가하였다. 시험에 사용된 차량에 탑재된 엔진은 자연흡기 혹은 과급 엔진, 그리고 포트분사식 혹은 직분사식 연료 분사 장치를 사용하는 엔진 등으로 다양하게 구성되었다. 차량 시험 결과에 따르면 K값은 차종별로 다르게 나타났으나 모두 음의 값을 갖는 것으로 보고되었다.

 

K값이 음수인 경우 동등 수준의 RON값을 갖는 조건에서 S값이 높을수록 OI값은 더 커지게 된다. 즉, Octane sensitivity가 높은 연료가 내노킹성이 더 높다는 것을 의미한다. 본 결과를 시험에 사용된 연료에 적용한다면 2번과 3번 연료가 1번 연료보다 내노킹성이 더 높게 나타난다. 통상적으로 사용되어 왔던 AKI를 기준으로 연료의 내노킹성을 비교할 때와는 전혀 다른 결과이다. 실제로 음의 K값이 연료의 내노킹성을 나타내는 데에 실효성이 있는지에 대한 여부는 별개의 엔진 실험 결과를 통해서도 확인할 수 있다. 다기통 엔진에서 과급 조건에서의 연료별 내노킹성을 평가한 자료에 의하면 RON = 100, S = 0 인 이소옥탄을 사용할 때보다 RON과 S 값이 각각 ~100, ~11 수준의 값을 갖는 연료를 사용할 때 점화 시기를 최적값(MBT : Maximum Brake Torque)에 더 가깝게 유지할 수 있는 것으로 확인되었다.

 

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앞서 설명한 결과를 엔진의 작동점 기준으로 풀이하면 다음과 같다. RON과 MON 측정 방법에서 연소실 내의 미연 가스(Unburned gas)의 온도 압력의 관계를 도시하면 <그림 2>와 같이 나타난다. 동등 압력 기준으로 보면 RON 측정 방법에서의 온도가 MON 측정 방법에서의 온도보다 낮은 것을 알 수 있으며 이는 흡기 온도의 차이에서 비롯된다. RON과 MON 측정 기법에서의 온도-압력 선도를 기준으로 엔진 작동점을 3가지 영역으로 구분 지을 수 있다. Beyond RON이라 표기된 영역은 연소실 압력은 높지만 온도가 비교적 낮은 부분이며 주로 다운사이징 엔진의 고부하 조건이 영역에 해당된다. 반면 Beyond MON이라 표기된 영역은 연소실 압력이 낮지만 온도가 비교적 높은 조건에 해당되며 주로 내부 EGR을 많이 사용하는 부분 부하 조건에 해당되는 작동 영역이라 할 수 있다. 앞선 결과에서 비정상상태 실험을 통하여 미연 가스의 온도를 낮추는 전략에서 음의 K값을 얻은 것은 운전 영역이 Beyond RON 조건으로 옮겨져서 OI 값을 나타내기 위해서는 RON과 MON간의 내분(Interpolation)이 아닌 Beyond RON 방향으로의 외분(Extrapolation)이 필요하게 된 것이라 해석할 수 있다. 이와 같이 엔진 작동 영역에 따라서 내노킹성을 평가할 때 필요한 K값이 변화하는 것으로 보고되어 주요 연료 특성 및 그에 따른 효율 향상 효과를 규정하는 Merit function에 사용되는 K값은 다운사이징 엔진과 같이 과급을 하는 엔진과 과급을 하지 않는 자연흡기 엔진에 따라서 변화될 전망이다.

 

엔진의 효율 향상을 위한 기술은 지속적으로 발전하고 있다. 그러나 엔진에 사용되는 연료에 관해서는 엔진 관련 신기술에 비하여 비교적 많은 관심을 받지 못해왔다. 20년 전과는 달리 엔진의 효율을 1% 향상시키는 것이 더 어려워진 상황에서 신기술 개발 뿐만 아니라 최상의 성능을 내기 위하여 엔진이 어떠한 연료를 필요로 하는지에 대한 연구가 필요할 것이다.

 

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앞으로도 높은 내노킹성이 가솔린 엔진에 사용되는 연료에 지속적으로 요구되는 사항임은 분명하다. 그러나 본 고에서 소개된 연구 결과와 같이 기존에 사용되던 AKI 혹은 RON값과 MON값 중 하나의 값으로는 연료의 내노킹성을 올바르게 평가할 수 없는 조건이 존재하므로 노킹이 주요하게 다뤄져야 하는 엔진 작동점에서 연료의 내노킹성을 나타낼 수 있는 방법론이 필요하다.

 

연료 특성의 최적화를 통하여 엔진의 효율을 극대화하는 것에는 아직까지 많은 난관이 남아있다. 특히 연료 특성의 최적화에는 큰 어려움이 있다. 예를 들면 연료의 내노킹성을 강화하면 층류 화염 속도를 비롯한 타 연료 특성에 악영향을 미칠 수 있기 때문이다. 그러나 가솔린 연료에 대한 지속적인 연구와 함께 자동차 제작사와 정유사 간의 긴밀한 협업이 이루어진다면 향후 엔진의 효율 향상을 극대화할 수 있는 최적의 연료 도출 및 보급을 실현할 수 있을 것으로 기대된다. 

 

글 / 김남호 (샌디아 국립연구소)
출처 / 오토저널 18년 5월호 (http://www.ksae.org) 
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