| 초록 |
개솔린 직분사 엔진은 기존의 포트분사방식에 비해 높은 효율을 달성할 수 있기 때문에 그 활용도가 높아지고 있다. 하지만 직분사 엔진의 가장 큰 단점 중 하나는 높은 PM (Particulate Matter) 배출 특 성으로, PM 의 유해한 건강 영향과 엄격한 배기가스 규제를 고려할 때 반드시 저감 되어야 한다. 엔진 내부에서의 PM 생성 과정에 대해서는 아직 근본적인 이해가 부족하지만, 실린더 내부에 생성된 국소적 인 연료농후 혼합기에서의 PAH 생성으로부터 시작된다고 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 직분사 엔진의 중요한 운전조건인 분사시기에 따른 혼합기의 조성과 연소 과정중의 PAH 생성에 대해 CFD 시뮬 레이션을 통해 분석하였다. 시뮬레이션을 위해 개솔린 (96.6 RON, 88.9 MON, 1.85 H/C 비율)의 대리연료로는 n-heptane / isooctane / toluene = 10.06 / 64.65 / 25.29 vol% 를 개발하여 사용하였다. 1.6L 개솔린 직분사 엔진의 2000 RPM, 9.5 bar BMEP 운전 조건에서 세가지 분사시기 (Baseline = 300°, SOI1 = 240°, SOI2 = 180° BTDC) 에서 혼합기의 균일성과 PM 전구체 생성에 대한 정량적/정성적 비교 분석을 실시하였다. 우선 분사 시기가 늦어짐에 따라 스파크 타이밍 직전의 혼합기의 균일도가 떨어지고 특히 실린더 벽 근처에 국소적으로 연료가 농후한 지점이 생기는 것을 확인할 수 있었다. 또한 연료 농후 구역에서 PM 전구체인 acetylene 과 pyrene 이 급격히 생성됨을 보일 수 있었다. 이러한 시뮬레이션 결과는 분사 시기가 늦어질수록 스파크 타이밍 전까지 연료와 공기가 섞일 절대적인 시간이 줄어들기 때문에 혼합 기의 균일도가 떨어지고 당량비가 1.5 보다 연료 농후 혼합기의 비율이 증가한다는 것을 나타낸다. 또 한 분사 시점이 baseline 에서 멀어질 수록 연료 스프레이가 피스톤에 부딪히며 유도된 유동이 공기와 연료의 균일한 혼합에 적합하지 않기 때문에 국소적으로 농후한 혼합기가 생성됨을 알 수 있었다. 한 편, 액체 연료가 증발하기 이전 실린더 벽에 부딪히며 fuel film 이 생성되는데, 그러한 fuel film 이 압축행정 중 서서히 증발하면서 실린더 벽 가까운 지역에 생기게 된 연료 농후 지역에서 PAH 가 생성 됨을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 개솔린 직분사 엔진에서 PM 생성을 최소화 하기 위해서는 연료의 증발과 공기와의 혼합에 필요한 물리적 시간, 연료 스프레이로 인한 실린더 내부 유동, 피스톤/실린더 벽 에 생기는 fuel film 특성들을 모두 고려하여 분사시기를 최적화 해야 한다는 것을 나타낸다. |
