1. 서 론

최근 지구 온난화 및 탈탄소화 정책으로 엄격한 배기 가스 규제가 도입되면서 배출가스 저감과 연비 향상 관련 연구가 중요시되고 있다. IEA(International Energy Agency)에서는 혁신적인 엔진 연소 기술과 대체 연료를 통해 이러한 목표를 달성하기 위한 방향을 제시하고 있으며[1], 본 연구에서는 SPCCI(Spark Controlled Compression Ignition) 엔진[2]과 같은 스파크 점화와 압축점화의 이점을 동시에 사용하는 ACI(Advanced Compression Ignition) 엔진에 적용할 수 있는 기초 기술 개발을 목표로 한다[3,4, 5, 6]. 이러한 기술을 개발하기 위해서는 기존에 사용되어온 옥탄가를 넘어서는 연료의 특성을 이해해야 하며, 다양한 환경 조건에서 연료의 화학적 구성이 반응성에 미치는 영향을 파악하는 것이 중요하다[7,8, 9, 10, 11]. 그중에서도 beyond- RON 조건은 일반적인 스파크 점화 시스템보다 높은 온도와 압력을 의미하며, 이러한 조건에서 점화 및 연소 과정은 연료의 자동 점화 특성에 매우 민감하여 ACI 시스템용 연료의 점화 거동에 대한 포괄적인 이해가 필요하다.

Peterson 등[4]은 Spray-Guided Spark-Ignited Direct- Injection 엔진에서의 연료 혼합에 따른 점화 및 화염 발달 과정을 분석하고, 불완전 연소에 미치는 영향을 규명하였다. Fan 등[7]은 낮은 RON의 고반응성 연료가 짧은 점화 지연과 강한 노킹을 유발하는 반면, 중간 수준의 RON과 적절한 함량의 에탄올을 포함하는 연료가 연소에 더 적합하다는 결론을 도출하였다. 또한, Kim 등[8]은 Mixed- Mode Combustion 엔진에서 높은 RON과 옥탄 민감도를 가진 연료가 고부하 조건에서 우수한 효율을 나타낸다는 것을 규명하였다. Kalghatgi[10]는 기존의 RON 및 MON 기준이 ACI 엔진 요구 조건에 적합하지 않다고 언급하였다. Szybist 등[11]은 높은 농도의 아로마틱과 올레핀을 포함한 연료가 ACI 조건에서 성능 민감도가 매우 높음을 규명했으며, 연료의 화학적 성분이 엔진의 자발 점화 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 이와 같은 선행 연구들은 주로 엔진 단위에서 수행되었으며, ACI 엔진 개발에 있어 다양한 연료의 점화 및 연소 특성에 대한 연구의 중요함을 시사한다.

ECN(Engine Combustion Network)은 ACI에 적합한 최적의 연료를 식별하는 데 중점을 두었으며, 최근 수행된 연구에서는 PRF(Primary Reference Fuel) 연료와 함산소 연료를 조사하였다[12,13, 14]. Pastor 등[15]은 PRF 연료의 옥탄 함량에 따른 화염 구조와 점화 지연시간의 차이를 밝혀냈으며, 다양한 분위기 조건에서의 PRF 연료의 분무 화염에 미치는 영향을 파악하였다. Zhai 등[16]은 비정상 층류화염편 시뮬레이션과 슐리렌 및 평면 레이저 유도 형광법(Planar Laser-Induced Fluorescence, PLIF)을 활용한 OH^* 화학발광 이미지를 통해 정적 연소실에서의 PRF 연료의 점화 및 화염 안정화 특성을 분석하였으며, iso- octane을 함유한 연료는 n-heptane과 비교하여 포름알데히드(Formaldehyde, CH₂O) 생성 속도가 느리고 화염 안정화 거동이 다르다는 것을 밝혀내 연료의 화학 반응이 점화 위치와 화염 안정화에 미치는 영향을 시사하였다.

본 연구는 고속 가시화 및 압력 측정기법을 활용하여 beyond-RON 조건에서의 PRF80(80% iso-octane, 20% n-heptane) 분무 화염 계측 실험을 수행하였으며, 화염의 저온 및 고온 점화 현상과 연소특성에 대한 이해를 높이는 것을 목적으로 한다. PRF80 연료는 다양한 엔진 조건에서 연료 반응성을 체계적으로 분석하는 데 적합하여 ACI 연구에서 주로 사용된다[16]. 또한, PRF80은 ECN에서 표준 연료로 사용되어 실험 결과의 비교와 신뢰성을 높일 수 있다. 기존 연구들이 저온 및 고온 점화 지연 시간과 화염 구조에 중점을 두었다면, 본 연구에서는 PRF80의 점화 과정에서 발생하는 저온 화염과 고온 화염의 천이 과정, 그리고 다환 방향족 탄화수소(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs) 생성 과정까지 심층적으로 분석하였다. 355 nm PLIF와 100 kHz 슐리렌을 동시에 적용하여 연소실 내에서 시공간에 따라 변화하는 저온 및 고온 점화 현상을 상세하게 계측하고 분석하였다. 또한, 연소실 온도 조건에 따른 분무 실험을 통해 분위기 온도가 분무 화염에 미치는 영향을 분석하였고, CH₂O의 생성 및 소멸, PAH의 생성 과정, 열방출 특성 등을 상세히 관찰하였다. 이를 통해 다양한 분위기 온도 조건에서 연료의 화학적 반응성을 파악하고 연소 효율 향상과 배출가스 저감에 기여할 수 있는 기초 데이터를 제공하고자 한다.

2. 실험 장비 및 분석 기법

Fig. 1은 실험에 사용된 샌디아 예연소식 정적 연소 챔버(Sandia pre-burn constant-volume combustion chamber)를 보여주며[17,18, 19], PRF80 연료를 고압용 실린지 펌프(Teledyne 30D)를 이용하여 커먼레일 단일 홀 피에조 Spray A-3 인젝터[20]를 통해 분사했다. 피에조 Spray A-3 인젝터(#02C08031)는 K-factor가 3.2인 단일 수렴형 노즐로 설계되었으며, 노즐의 출구 직경은 약 94 μm로 측정되었다. Table 1은 실험 조건을 나타내며, Spray A 조건에서 분위기 온도를 899 K에서 1100 K로 변화시키며 분무 실험을 수행하였다. Fig. 1에서처럼 슐리렌 및 PLIF를 동시에 적용하여 고압 PRF80 연료의 저온 및 고온 점화 현상을 가시화하였으며, 연소실 내 압력 측정을 통해 고온 점화 지연시간을 측정하였다. PLIF는 고속 355 nm 펄스 버스트 Nd:YAG 레이저 시스템(QuasiModo^TM, Spectral Energies, LLC)을 이용하였고, 50 kHz 조건에서 CH₂O 및 PAH를 매우 높은 시공간 해상도로 계측하였다. 또한 슐리렌의 경우, 고속 펄스 발광 다이오드(Light Emitting Diode)를 이용하여 100 kHz의 촬영 속도로 분무 침투, 저온 점화 및 고온 화염을 가시화했다.

Fig. 1.

Experimental setup with 355 nm PLIF and schlieren configuration [20].

고속 카메라를 이용하여 획득한 PRF80 분무 화염의 CH₂O LIF 이미지는 저온 및 고온 점화 현상을 보다 면밀히 분석하기 위해 후처리 과정을 수행하였다. 증발된 포르말린 용액으로부터 생성된 CH₂O 증기를 이용하여 가열된 연소실 내에서 시간에 따른 레이저 시트 강도 분포를 기록하였으며, 이러한 레이저 시트 강도 분포는 평균 레이저 강도 변동과 펄스 버스트 내 시간적 강도 변동을 보정하는 데 활용되었다. 또한, 연속된 프레임 간의 평균 배경을 산출하여 이를 이용한 동적 배경 보정을 수행함으로써 원시 형광 이미지에서 불필요한 배경 신호를 제거하였다. 이러한 동적 배경 보정과 레이저 시트 강도 분포 보정을 통해 PLIF 이미지의 시·공간적 비균일성을 최소화하였다. 레이저 에너지는 측정 후에 보정이 이루어졌으며, 단일 버스트 내 ±5%의 변동과 버스트 간 최대 8%의 에너지 변동이 관찰되었다. 그뿐만 아니라, 원시 이미지의 노이즈를 제거하기 위해 2차원 미디언 필터링을 적용하였다.

고속 슐리렌 데이터를 이용하여 고온 점화 지연시간과 화염 부상 길이(Flame Lift-Off Lengths, FLOL)를 측정하였다. 특히, 고온 점화 지연시간 측정 결과는 연소실 압력 측정 기반의 점화 지연시간과 상호 비교하여 슐리렌 기반의 점화 지연 측정 기법을 검증하였다. 또한, 분위기 온도에 따른 연소실 압력 변화와 열방출량을 비교하였다. 열방출량을 분사된 연료의 질량과 저위 발열량으로 정규화하여 분위기 온도에 따른 연소 효율을 분석하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

Fig. 2는 연소실 분위기 조건(1019 K, 22.8 kg/m³, 15 vol.% O₂)에서의 PRF80 분무 화염의 CH₂O LIF와 슐리렌 고속 가시화 결과를 보여준다. 본 연구에서 사용한 계측 기법은 저온 점화에서 고온 점화로의 천이 과정 동안 생성되고 소멸하는 CH₂O의 시공간에 따른 변화를 매우 상세하게 측정한다. CH₂O는 연료의 저온 분해 반응을 나타내는 대표적인 중간 생성물이며, Fig. 2에서처럼 약 170 μs ASOI(After Start of Injection)에서 연료 희박 영역인 분무 제트의 가장자리에서 먼저 생성된다. 267 μs ASOI에서는 저온 화염(Cool flame)이 제트 헤드부로 빠르게 전파된다. 후속 프레임(567-987 μs)에서 CH₂O LIF 신호는 계속 증가하여 분사 후 수백 μs 안에 제트 헤드에 도달하고 유지된다. 570 μs와 870 μs에서 알 수 있듯이, 제트의 중심선 근처의 연료과잉(Fuel-rich) 영역에서 CH₂O의 농도가 매우 높다. 이를 같은 시간대의 슐리렌 결과와 비교하면, 슐리렌 이미지의 제트 헤드 부분이 연화되는 현상을 볼 수 있다. 이 현상은 저온 점화에 의해 제트의 온도와 주변 분위기 온도 간의 온도구배가 거의 없어지면서 나타낸다. 이러한 연화 현상은 n-dodecane 연료에 대한 기존 연구에서도 관찰되었다[21]. 약 980 μs에서는 광범위한 당량비 범위에서 고온 점화가 발생하며, 이는 CH₂O의 신호 및 영역 감소를 통한 소멸 과정으로 확인할 수 있다. 고온 점화 과정에서 발생하는 확산 화염의 매우 높은 온도로 인해 슐리렌 이미지(870-990 μs)에서 연화된 제트 헤드 영역의 명암차가 다시 뚜렷해진다. 특히, 1327 μs에서 제트 하류 40 mm 지점 근처에서는 CH₂O가 거의 완전 연소되고, 1527 μs에서는 최종적으로 화염이 안정화된다.

Fig. 2.

Temporal evolutions of low- and high- temperature ignition events with CH₂O PLIF (left column) and schlieren (right column) of high- pressure PRF80 spray flames under conditions of 1019 K, 22.8 kg/m³, and 15 vol.% O₂ at 167 to 1527 μs. The blue dashed lines in the schlieren images represent the CH₂O area.

Fig. 3는 준정상 상태에서 관찰된 PRF80의 화염에서 CH₂O 및 PAH 형성 및 소멸 과정을 보여주며, Fig. 4는 시간에 따른 생성, 분기 및 소멸 과정을 보여주는 LIF 강도를 표시한다. Fig. 3에서 흰색 원으로 표시한 분리된 CH₂O 와류(Pocket 1)는 하류로 이동함에 따라 강도가 명확하게 감소하는데, 이는 분위기 가스와의 혼합과 연료과잉 부분 예혼합화염(Fuel-rich partially premixed flame) 때문이다. 이러한 CH₂O 소멸 영역에 대한 측정 결과를 통해, 기존 문헌[22,23]에서 제안된 분무 화염 모델에 나타난 연료과잉 부분 예혼합화염 영역의 위치를 예측할 수 있다. 40 mm의 제트 하류 위치에서부터 LIF 신호가 다시 나타나는데, 이는 CH₂O에 의한 신호가 아니라 PAH의 생성 때문이다. 일반적으로 355 nm 레이저 파장은 3-4개의 벤젠고리를 가진 PAH를 여기시킨다[21,24]. Fig. 3에서 자홍색 원으로 표기한 Pocket 2가 PAH 생성 영역을 나타낸다. 흰색 원의 CH₂O와 달리, 자홍색 원으로 표시된 PAH는 크기와 강도가 빠르게 증가한다. CH₂O와 PAH가 공간적으로 분리되어야 한다는 특정 기준은 없지만, Fig. 3에서 이들이 공간적으로 분리되어 있음을 확인할 수 있다. Fig. 4에서는 LIF 신호가 크게 증가하며, PAH 신호 강도가 CH₂O 신호 강도보다 약 4배 정도 더 높다는 것을 확인할 수 있다. 이는 이전 연구 결과[25,26]와 일치하며, PAH 형광 신호가 CH₂O에 기인하는 신호보다 훨씬 강하게 관찰되었음을 보여준다.

Fig. 3.

Temporal sequences of the formation, structure separation, and consumption of large-scale CH₂O and PAH pockets during quasi-steady state period (2007 to 2167 μs aSOI) under conditions of 1019 K, 22.8 kg/m³, and 15 vol.% O₂.

Fig. 4.

LIF signal changes in the radial direction at different axial locations.

다양한 분위기 조건에서 열방출률(Apparent Heat Release Rate, AHRR)을 비교하기 위해 고속 압력 측정을 수행했으며, 연소실 내 가스의 팽창에 따른 압력상승과 AHRR을 측정했다. 열방출률은 정적 연소 챔버의 부피를 비열비에서 1을 뺀 값으로 나눈 후, 압력의 시간 변화율을 곱하여 산출하였다[17]. Fig. 5는 필터링한 압력상승 데이터와 AHRR을 899-1100 K 범위의 분위기 온도에 대해 ASOI 시간의 함수로 나타낸 것이다. Fig. 5의 상단 그래프에서 별 기호는 고온 점화 지연시간을 나타내며, 이는 압력 데이터에서 피크 값의 시간과 대체적으로 잘 일치함을 보여준다. 분위기 온도가 낮을수록 압력과 AHRR이 천천히 증가하며, 이는 저온 열방출(Low-Temperature Heat Release, LTHR) 때문이다. 분위기 온도에 관계없이, 고온 점화 직전에 압력 구배 곡선의 급격한 변화로 인해 나타난 다수의 변곡점들이 관찰되었다. 또한, 낮은 분위기 온도 영역에서 LHTR이 지속적으로 나타나는 것을 AHRR을 통해서 확인할 수 있다. 이는 가시화 결과와 비교해 볼 때 CH₂O를 생성하는 저온 반응이 CH₂O를 소비하는 고온 반응으로 전환되기 전의 열방출 특성임을 알 수 있다.

Fig. 5.

Temporal profiles of pressure measurements (top) and apparent heat-release rates (bottom) for various ambient temperatures. Star symbols denote the times for second-stage ignition.

Fig. 6은 분사된 연료 질량과 저위 발열량의 곱으로 정규화된 총 열방출과 연소 효율을 나타낸다. 일반적으로, 정적 챔버에서의 연소 효율은 총 열방출량을 발열량으로 나누어 평가할 수 있다[17]. 분위기 온도가 상승함에 따라 연소 효율은 증가하는 반면, 가장 낮은 분위기 온도인 899 K에서 연소 효율이 가장 낮게 나타난다. 분위기 온도가 높아질수록 열방출이 시작되는 시점과 최댓값에 도달하는 시간이 단축되며, 열방출 속도가 증가하는 경향을 보인다. 1100 K 조건에서는 열방출이 약 4 ms에 거의 최댓값에 도달하는 반면, 899 K 조건에서는 열방출이 느리게 증가하여 약 8 ms에 최댓값에 도달하며, 최댓값에 도달하는 시간이 더 길어진다. 고온에서는 연료의 분해 및 산화 반응이 더 빠르게 일어나므로 열방출 속도도 더 빠르다. 이는 연료의 화학적 반응과 열방출 특성이 온도에 매우 민감하게 영향을 받는다는 점을 명확히 시사한다. 이러한 결과는 엔진 설계와 개발 등 다양한 실질적 응용에 중요한 데이터를 제공할 수 있다[27,28].

Fig. 6.

Temporal traces of normalized total heat release for several ambient temperatures.

Fig. 7은 본 실험과 CMT에서 가열 흐름 챔버를 이용하여 측정한 분위기 온도에 따른 저온 및 고온 점화 지연시간을 비교한다. 저온 점화 지연시간은 국부적으로 나타난 CH₂O 형광강도가 고온 점화 직전에서 최대 형광강도의 10%를 초과하는 시간으로 정의하였다. 저온 점화 지연시간은 모든 분위기 온도에서 대체로 0.5 ms 이하로 매우 빠르며, 분위기 온도가 높아질수록 더 짧아지는 경향을 보여주었다. 고온 점화 지연시간은 899 K 근처에서는 약 3 ms로 측정되었으나, 온도가 1100 K에 가까워질수록 약 0.5 ms 이하로 현저히 짧아지며, 분위기 온도가 증가함에 따라 더 적은 폭으로 감소하는 양상을 나타냈다. 저온 및 고온 점화 지연시간의 차이는 분위기 온도가 높아짐에 따라 매우 빠르게 감소하는 경향을 보였으며, 높은 분위기 온도에서는 두 지연시간이 모두 짧아지면서 차이가 줄어들었다. ECN 지침[20]에 따른 고온 점화 지연시간의 실험적 정의는 연소실 압력의 상승 구간에서 3 kPa 초과할 때의 시점이다. 본 실험과 CMT[15]에서 측정한 고온 점화 지연시간 값들을 비교했을 때, 제한된 온도 범위 내에서는 유사한 감소 경향을 보였다. 그러나 일부 분위기 온도에서는 차이가 있었다. 899 K와 935-950 K 부근에서의 실험 결과를 각각 비교해 보면, 935-950 K에서는 CMT 결과와 경향이 잘 일치하지만 가장 낮은 온도 조건인 899 K에서는 차이가 있다. 이는 899 K 조건에서의 분무 실험이 어렵기 때문으로, 일반적으로 저온 환경에서는 화학 반응 속도가 느려져 점화 현상이 불확실하고 반복 측정이 어려워 점화 지연시간을 정확하게 측정하는 것이 어렵다[29]. 본 실험의 오차 분석을 통해 분위기 온도가 낮아질수록 고온 점화 지연시간의 온도 민감도가 증가함을 확인하였으며, 이는 분위기 온도의 미세한 변화에도 점화 지연시간이 크게 변동할 수 있음을 시사한다[29].

Fig. 7.

Comparison of 1^st-stage (low-temperature) and 2^nd-stage (high-temperature) ignition delay times in experimental results relative to ambient temperature.

Fig. 8은 고속 슐리렌 데이터를 기반으로 측정한 다양한 분위기 조건에서의 PRF80 분무 화염의 FLOL와 CH₂O 생성 시작 지점을 나타낸다. FLOL은 슐리렌에 의해 검출된 고온 점화의 열팽창 특성을 이용하여 슐리렌 시각화를 기반으로 측정되며, CH₂O 생성 위치는 저온 점화 지연시간의 정의와 동일하다[30]. 고온 점화 지연시간 결과와 마찬가지로, FLOL은 약 899 K에서 1100 K까지의 분위기 온도가 증가함에 따라 약 60 mm에서 30 mm 이하로 길이가 감소하였다. 낮은 분위기 온도에서는 급격히 감소하다가, 분위기 온도가 증가할수록 감소 폭이 점차 줄어드는 비선형적인 추세를 보였다. 정적 연소실과 가열 흐름 챔버를 이용해 측정된 CMT의 FLOL 값과 비교했을 때, 899 K에서 본 실험의 측정값과 일관성이 확인되었다. CH₂O 생성 시작 지점 또한 분위기 온도가 높아질수록 길이가 짧아지는 경향을 나타냈으며, FLOL에 비해 보다 선형적인 감소 추세를 보여주었다. FLOL와 CH₂O 생성 위치 간의 거리 차이는 분위기 온도가 증가하면서 점차 줄어들다가 거의 일정해지는 양상을 나타냈다.

Fig. 8.

Comparison of CH₂O inception length (indicated by the yellow line) and FLOL from experimental data with respect to ambient temperature.

4. 결 론

본 연구에서는 초고속 가시화 기법을 통해 PRF80 연료의 분무 화염에서의 저온 및 고온 점화 현상, CH₂O의 소멸 과정 및 PAH 생성 과정을 정확히 계측하였으며, 점화 및 연소특성에 대한 심도 있는 분석을 수행했다. 50 kHz의 CH₂O LIF와 100 kHz의 슐리렌 고속 가시화 기법을 이용한 실험 결과, PRF80 분무 화염에서의 저온 점화는 연료 희박 영역인 제트 가장자리에서 발생하고 제트 헤드부로 빠르게 전파한다. 이러한 전파 과정을 저온 화염 전파(Cool flame propagation)라고 하며, 난류-화학 반응 상호작용(Turbulence-Chemistry Interaction)으로 고려된다. 고온 점화는 제트 헤드에서 시작하여 연료 과잉 영역으로 빠르게 전파한다. CH₂O는 주로 저온 점화에서 형성되며, 고온 점화가 발생하면서 제트 헤드에 있던 CH₂O가 먼저 소멸되기 시작하고, 제트의 하류에서는 PAH가 생성된다. 고온 점화 이후 CH₂O보다 더 높은 형광강도와 크기로 PAH가 생성되었고, 최종적으로 화염이 안정화되는 과정을 관찰할 수 있었다. 저온에서 고온 점화로의 천이 과정 동안 저온 열 방출로 인한 온도 구배 감소에 따른 슐라랜 이미지의 연화 효과가 관찰되었다. 분위기 온도가 높아질수록 CH₂O 및 PAH의 생성 위치는 상류에서 발생하는 경향을 보였다. AHRR 및 총 열방출량 분석을 통해 LTHR이 고온 점화 직전에 지속적으로 나타남을 확인하였으며, 분위기 온도가 상승할수록 열방출 시작 시점과 최대값 도달 시간이 단축되는 경향을 보였다. 이는 연소 과정에서 열방출 특성이 분위기 온도에 민감하게 영향을 받는 중요한 변수임을 시사한다. 고속 슐리렌 데이터를 활용하여 점화 지연시간과 FLOL을 측정한 결과, 분위기 온도가 높아질수록 저온 점화와 고온 점화 지연시간의 차이는 지속적으로 감소한 반면, FLOL과 CH₂O 생성 위치 간의 길이 차이는 온도가 높아질수록 감소하였다가 거의 일정하게 유지되는 양상을 나타냈다. 향후 연구에서는 본 실험 결과를 토대로 전산 유체 해석 결과와 비교 및 분석을 수행하여, 이를 바탕으로 저공해 고효율 엔진 연소 기술에 적용 가능한 대체 연료의 점화 및 연소 모델 개발에 기여하고자 한다.