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[오토저널] High-Fidelity CFD 시뮬레이션을 이용한 내연기관 연구

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2019-12-09 09:36:39

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전 세계적으로 지구 온난화와 대기 환경에 대한 관심이 고조되면서 화석 연료를 주력 동력원으로 사용하는 내연기관 자동차에 대한 규제는 날이 갈수록 강화되고 있다. 한편 전기자동차와 자율주행이 차세대 자동차 기술로 각광받고 있으며, 2015년 디젤게이트 이후 내연기관 자동차에 대한 인식이 급변하고 있다. 이러한 규제 당국의 기준 강화, 신기술의 부상, 대중적인 인식의 변화 가운데 내연기관 자동차는 유례없는 도전 과제를 직면하고 있는 실정이다.

 

자동차 산업의 중심지인 미국 역시 연비 제도, 배기 규제 및 신재생 연료 제도를 강화하고 있으며, 그 중에서 소형차량(Light-duty vehicle, 승용차 및 4톤 이하 트럭)의 평균 연비 수준은 2025년까지 54.5MPG(Mile per gallon)을 달성할 것을 요구하고 있다. 이는 2016년의 35.5MPG보다 약 1.4배 높은 것으로 매년 5%씩 향상시켜야 하는 엄격한 규제치로 볼 수 있다. 또한 미국 환경보호청은 Tier 3 배기규제를 발효시키면서 2017년을 시작으로 2025년까지 질소산화물(NOx), 탄화수소(NMOG), 입자상물질(PM)을 각각 70%, 85%, 70%씩 저감할 강도 높은 제재를 가하였다.

 

혹자는 미래 운송수단 가운데 내연기관 파워트레인은 자연스레 무대에서 자취를 감추지 않을까 우려할 수 있으나, 미국 에너지부의 산하기관인 EERE(Office of Energy Efficiency and Renewable Energy) 소속 자동차기술국(Vehicle Technology Office, VTO)은 향후 수십년간 내연기관을 탑재한 자동차(하이브리드 포함)가 여전히 주력으로써 자리매김할 것을 전망하고 있다.

 

이는 내연기관 및 전기자동차가 사용 조건(운전 거리, 작동 영역 등)에 따라 운용될 것을 의미하며 공존 관계임을 시사한다. 따라서 미국은 엔진 효율 향상을 통한 자동차 연비 개선을 목표로 선행 기술 연구에 계속해서 예산을 투자하고 있으며, 정부 주도 하에 대학, 연구소, 자동차 제작사와 정유회사 간의 공동 연구(Co-Optimization 프로그램, 오토저널 2018년 5월호 “세계자동차기술동향-미국” 코너 참고)를 통해 엔진 효율을 극대화할 수 있는 최적 연료 및 연소 기술을 개발하고 있다.

최근 컴퓨팅 기술의 발전으로 전산유체역학 시뮬레이션의 지평도 확대되고 있다. 첨단 수준의 시뮬레이션은 흔히 모델 상수의 보정 작업을 통해 실험 결과를 재현하는데 많은 노력을 들이던 이전의 것과 달리, 정밀 실험 계측을 기반한 경계조건 입력과 고정확도 모델의 조합으로 엔진 실린더 내부의 물리현상을 보다 상세하고 정확하게 기술해낼 수 있는 예측 기법이다. 미국 에너지부는 산하 국립연구소들의 슈퍼컴퓨팅 시설을 주요한 연구 자원으로 인식하고 있으며, 실험 및 시뮬레이션의 긴밀한 협력 연구를 장려하고 있다.

 

본 고에서는 우선 엔진 효율 향상을 위해 미국 내 공동 연구팀이 전망하고 있는 핵심 엔진 기술 전략을 살펴보고, 각 기술 전략에 대한 정밀 계측과 결합된 고정확도 시뮬레이션의 연구 동향을 소개하고자 한다.

 


핵심 엔진 기술 전략

 

미국 정부, 산업체, 연구소의 조합으로 구성된 U.S. DRIVE(Driving Research and Innovation for Vehicle efficiency and Energy sustainability)는 첨단 내연기관 파워트레인을 기반한 자동차의 엔진 효율과 연료 시스템의 개선 및 환경 보호를 목적으로 공동 연구 개발을 진행하고 있다. 2018년에 발표된 로드맵에서는 목표 달성을 위한 핵심 전략으로써 희박 가솔린 연소(Dilute Gasoline Combustion), 클린 디젤 연소(Clean Diesel Combustion), 저온 연소(Lowtemperature Combustion)를 채택하였다. 여기서 희박 가솔린 연소와 저온 연소는 소형차량을 대상으로, 클린 디젤 연소는 중대형 트럭을 대상으로 적용하는 것을 전망하고 있다.


●희박 가솔린 연소

이론 공연비로 운전되는 기존의 가솔린엔진과는 달리, 과잉 공기량을 이용한 연료-희박 조건 또는 이론공연비에서 운전하되 EGR을 이용한 희박 조건에서 운전되는 엔진 기술을 의미한다. 희박 혼합기는 연소 온도를 낮추어 높은 비열비를 달성하고 벽면으로의 열손실을 저감한다. 또한 노킹을 저감할 수 있어 압축비도 증대할 수 있는 여지를 갖는다. 엔진 열효율은 이론적으로 압축비와 비열비의 함수로 정의되는데, 앞서 언급한 두 가지 희박 연소 전략은 모두 열효율을 향상시킬 수 있는 잠재력을 갖는다고 볼 수 있다.

 

EGR을 이용한 희박 연소는 이론공연비 가운데서 운전되기 때문에 기존의 삼원촉매장치로 배출가스를 후처리할 수 있는 장점을 지닌다. 한편 희박 공연비에서는 점화 불안정성이 높아지고, 화염전파속도가 느려져서 사이클 간의 성능 편차가 증가한다는 단점이 있다. 희박 연소를 통한 열효율 향상을 극대화시키기 위해서는 EGR/air dilution limit 확장, 안정적인 고급 점화 시스템, 고부하 영역의 노킹 저감 등에 관한 연구가 필요하다.


●클린 디젤 연소

디젤 연소는 연료를 실린더 압축 말기에 분사하여 고온 고압 조건에서 일어나는 화학반응을 이용하여 착화 및 연소하는 방식으로서, 고압축비와 희박 조건으로 운전된다. 이는 앞서 정의한 열효율 관점에서 분명한 강점을 갖는다고 볼 수 있다. 다만 액체 상태의 연료가 분사 이후에 기화되는 과정 중에 주변의 공기와 혼합되면서 연소되기 때문에 국부적으로 연료가 농후한 분무 중앙부에서 다량의 입자상물질이 발생한다. 그 중 많은 양이 산화되지만 연소 과정 중에 발생하는 질소산화물을 저감하기 위하여 사용되는 EGR은 입자상 물질의 산화를 방해하는 상충관계(Trade-off)가 존재한다.

 

현행 배기규제를 만족시키기 위해서는 LNT, SCR, DPF 등의 후처리장치를 반드시 장착해야 하지만 엔진 자체 배출물 수준(Engine-out emission)을 낮추는 연구 개발이 요구된다.


●저온 연소

저온 연소는 상대적으로 낮은 온도 조건에서 화염면의 전파 없이(Flameless) 혼합기를 연소시키는 신연소 기술을 의미한다. 저온 연소는 디젤 엔진 수준의 효율을 달성하게 할 뿐만 아니라 질소산화물과 입자상물질을 동시에 대폭 저감할 수 있는 장점이 있다. 여기서 저온 연소는 다양한 연소 형태를 포괄적으로 통칭하는 용어로서 사용되었고, 그 중에는 예혼합 압축 착화(HCCI), 부분 예혼합 압축 착화(PCCI), 이종 연료 기반 반응성 제어 압축 착화(RCCI) 등이 포함된다.

 

최근 소형 차량에 적용하기 위해 엔진의 저·중부하의 효율 향상을 위해 저온 연소를 구현하고, 고부하에서는 출력을 위해 기존 가솔린 연소를 사용하는 멀티 모드 연소 방식에 대한 많은 연구개발이 이루어지고 있다. 따라서 저온 연소는 운전 가능 영역의 확장, 연소음 저감, 연소 시기 및 모드 전환의 제어 등이 주요한 연구 과제로 남아있다.


한 가지 흥미로운 사실은 핵심 기술 로드맵에 현재 당면 과제로서 각 전략의 유동 및 연소 과정에 대한 기초 이해(Fundamental knowledge)가 첫 번째로 열거되었다. 이는 엔진 연구 개발에서 물리 현상의 기초 이해가 필수불가결 하다는 것을 단적으로 보여주는 대목이다. 이러한 인식을 반영하듯 다음 장에 살펴볼 시뮬레이션 연구도 상당히 ‘사이언스’를 다루는 듯한 인상을 남긴다.

 


시뮬레이션 연구 동향

 

엔진 효율 향상을 위해 다양한 연구 과제들이 정부와 산업체의 지원 하에 진행되고 있으며, 우수한 연구 자원을 바탕으로 기술 개발부터 경제성 파급 효과 분석에 이르기까지 폭넓은 연구가 이뤄지고 있다. 본 고에서는 특별히 희박 가솔린 연소와 저온 연소 구현에 필요한 기초 현상 이해를 위해 고정확도 시뮬레이션을 이용하는 연구 동향을 살펴보고자 한다.

 

●병렬 간섭 모델을 이용한 LES 속도 향상
희박 연소 가솔린 엔진은 점화 불안정성, 실화(Misfire), 느린 화염전파속도 등으로 사이클 간 편차가 크다. 엔진 운전의 안정성을 확보하기 위해서는 사이클 편차를 유발하는 요인을 분석하고 엔진 지오메트리 혹은 운전 조건의 최적화가 필요하다. 이와 같은 연구에 LES(Large Eddy Simulation) 기법이 주로 사용되었으나 연소가 포함된 수십 혹은 수백 사이클을 시뮬레이션하기 위해서는 고성능 클러스터에서도 상당한 시간이 요구된다. Ameen 등은 Consecutive LES(N cycles)를 분할하여 m개의 n cycles LE(N=n*m)로 나누고, m개의 LES 그룹의 초기 속도장에 간섭(Perturbation)을 주어 계산하는 병렬 간섭 모델(PPM)을 제안하였다.

 

PPM은 모터링 조건에서 입자 영상 유속계 데이터와 비교하여 검증되었고 100 사이클 미만의 계산에 대해서 Consecutive LES보다 약 8배 빨리 결과를 얻을 수 있었다.

 

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연소 조건에서도 주요 인자인 실린더 압력, 화학종 및 유동장, 연소기간 등의 사이클 간 편차를 Consecutive LES와 동등하게 예측할 수 있었고, 50 사이클 미만의 계산시간을 약 1/10로 단축할 수 있었다. 따라서 슈퍼컴퓨터에서 PPM을 이용하면 수천 사이클을 짧은 시간 내에 계산할 수 있고, 사이클 간 편차에 대한 정량적인 요인 분석에 한층 더 가까이 갈 수 있을 것으로 기대된다.

 

●저온 플라즈마 점화 모델링
희박 연소 조건에서 기존의 점화플러그가 안정적인 점화를 일으키는데 한계를 보이면서, 저온 플라즈마(LowTemperature Plasma, LTP) 점화 시스템이 자동차 제작사들로부터 많은 관심을 받고 있다. 기존 점화플러그의 전극은 고온 플라즈마에 의한 부식이 일어나고 사용연한이 제한된다는 단점도 안고 있다. 이에 비해 저온 플라즈마 점화는 비평형 플라즈마(Non-equilibrium)의 일종으로, 나노 초 단위의 펄스를 인가하여 산소 원자(O)와 같은 Active radical과 Excited species를 다량 발생시키고, Kinetic, Thermal, 그리고 Transport 방식으로 전극 사이의 연료-공기 혼합기를 점화시키는 방식을 가리킨다. 이는 기존 점화플러그가 고온의 아크 방전을 통해 점화플러그 주위의 혼합기를 가열하는 Thermal 방식으로 점화시키는 것과 다르며, 전극 사이의 온도가 낮아 전극 부식이 적게 일어나고 희박 공연비 조건에서도 안정적인 점화를 얻을 수 있는 장점이 있다. 따라서 희박 연소 가솔린 엔진의 차세대 점화 시스템 중의 하나로 여겨지고 있다. 그러나 기존 엔진 시뮬레이션의 Time step(0.1~1μs)에 비해 펄스 기간이 매우 짧고 플라즈마에 의한 화학종 및 온도장을 모사할 수 있는 모델링 기법이 부재하다.

 

Scarcelli 등은 LTP 현상 자체를 모델링하고 이를 샌디아 국립 연구소의 Calorimeter에서 계측한 데이터와 비교하는 연구를 진행하였다. <그림 1>에서 해석 결과를 실험 계측 이미지와 비교하였을 때, 산소원자의 분포, 스트리머의 두께 및 전파 속도 등이 잘 모사 되었음을 볼 수 있다. 이를 바탕으로 플라즈마 데이터를 엔진 CFD해석 프로그램에 입력하여 점화 과정을 시뮬레이션 할 수 있었다. 이는 희박 연소 가솔린 엔진에 차세대 점화 시스템을 최적화하는데 요긴하게사용될 수 있을 것으로 보인다.

 

●X-ray 정밀 계측 기반 노즐 내부 유동 모델링
저온 연소의 일종으로 가솔린 압축 착화(GCI) 엔진은 상대적으로 점화지연이 긴 가솔린 연료를 압축 착화 방식으로 연소시키는 기술이다. 그러나 일반적으로 가솔린은 디젤보다 포화 증기압이 낮고 인젝터 내부 Cavitation을 일으킬 가능성이 높다. Cavitation은 유량이 각 노즐 Orifice로 균일하게 가는 것을 방해할뿐더러 실린더 내부 혼합기장에도 국부적으로 농후한 지역을 형성할 여지가 있다.

 

아르곤 국립연구소와 아람코 연구센터 - 디트로이트의 공동 연구의 일환으로, Torelli 등은 노즐 내부유동의 Shot to-shot variation을 분석하기 위해 아르곤 국립 연구소의 Advanced Photon Source의 X-ray 설비를 이용하여 노즐 실제 지오메트리와 인젝터 니들의 Radial motion을 계측하였다. 8공 디젤 인젝터 내부 유동해석을 진행하였고, 니들이 흔들리는 거동(Wobbling motion)이 Shot-to-shot variation에 어떤 영향을 미치는지 분석하였다. Wobbling motion은 리프트가 낮을 때 Orifice간 유량 편차를 크게 일으켰고, 상대적으로 간극이 넓은 곳으로 고속 제트가 발생하고 인젝터 Sac에 충돌하여 Orifice 입구에서 Cavitation을 유발하는 것을 확인할 수 있었다<그림 2>. 해당 연구는 초정밀 계측과 고정확도 시뮬레이션의 결합을 통해 정량적으로 인젝터 Shot to-shot 편차의 인자를 규명하는 좋은 예라고 볼 수 있다.

 

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앞으로도 내연기관은 자동차 시장에서 중요한 역할을 할 것이며, 따라서 열효율 향상을 위한 연구 개발은 지속되어야 한다. 수십년 전과 달리 열효율 증대를 위해서는 보다 많은 노력이 필요하고 시뮬레이션과 실험의 상호 협력은 어느 때보다도 중요하다. 미국 에너지부 산하 국립연구소는 슈퍼컴퓨팅 개발을 선도하고 있고, 현재 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터는 오크릿지 국립 연구소의 Summit이 그 타이틀을 거머쥐었다. 전세계 슈퍼컴퓨터 Top 500 중 10위권에 5개의 미국 국립연구소가 이름을 올렸고, 2021년에는 Exascale 슈퍼컴퓨터 Aurora가 아르곤 국립 연구소에서 가동될 예정이다. 이와 같이 슈퍼컴퓨터에 투자하는 것은 인공지능, 딥러닝, 빅데이터 뿐만 아니라 제반 국가산업의 경쟁력 제고에 이바지하기 위함이다. 우리나라 경제의 중추 역할을 하는 자동차 산업의 역량을 실험과 시뮬레이션 간의 긴밀한 협업으로 강화하고, 선진국과 어깨를 나란히 할 그 날이 오기를 기대해본다.

 

 

글 / 김주한 (아르곤 국립연구소)

출처 / 오토저널 2018년 12월호 (http://www.ksae.org)  

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