1. 서 론
2. 실험장치 및 방법
2.1 실험장치
2.2 실험방법 및 조건
3. 실험 결과
3.1 에탄올-가솔린 혼합연료의 엔진성능
3.2 에탄올-가솔린 혼합연료의 배기 배출물 특성
4. 결 론
1. 서 론
탄화수소계 화석연료를 사용하는 내연기관에서 발생하는 유해 배기가스(질소산화물, 미세입자 등) 및 온실가스 배출 저감 등의 강화되는 환경 규제에 대응하기 위해 자동차 제조사는 대체 에너지 자원의 개발과 적용, 연비와 열효율 향상을 위한 과급기(turbo-charger) 장착 등 다양한 엔진 기술 개발을 진행하고 있다[1,2,3]. 대체 연료 중 바이오디젤, 바이오에탄올, 바이오 부탄올, DME(dimethyl-ether), 수소 및 천연가스 등 다양한 형태의 연료가 압축착화(CI, compression ignition) 및 불꽃점화(SI, spark ignition)기관에 적용되고 있다. 이 중 에탄올은 가솔린과 물성이 비슷해 엔진 구조의 최소 변경으로 적용 가능한 드롭인(drop-in) 연료이자, 다양한 식물성 원료로부터 생산가능한 재생에너지이다[4,5].
에탄올은 가솔린 대비 약 3배 높은 증발잠열로 인해 연료-공기 혼합기 흡입 과정과 압축 과정 중 흡입 공기 및 연소실의 냉각효과를 얻을 수 있어 열발생이 많은 과급기가 부착된 엔진에서 체적효율 향상과 엔진 성능 향상 등을 얻을 수 있는 장점이 있다. 가솔린과 비교하여 높은 옥탄가(octane number)를 가지고 있어 내노크성(anti-knock property)이 우수하여 압축비 증가 및 점화시기 진각 등으로 열효율, 엔진성능 및 연비 향상을 기대할 수 있다. 또한 연료 내 산소를 포함(35% / wt.)하고 있어 연소 과정에서 유해 물질의 생성을 저감시킬 수 있는 친환경 연료이다. 그러나 에탄올 연료는 수분 흡수 및 차량의 연료 계통의 부식 문제가 있으며, 가솔린 연료에 비하여 증발온도가 높아 시동성능이 좋지 않고, 단위 질량당 저위발열량(low heating value, LHV)이 약 40% 낮아 동일 운전조건에서 많은 연료를 공급해 주어야 하는 단점이 있다[6,7,8].
따라서 본 연구에서는 에탄올 연료의 장점인 높은 증발잠열과 내노크성을 고려하여 열발생이 많은 turbo-charged 가솔린 기관에서 에탄올-가솔린 혼합연료의 혼합율 변화와 다양한 운전조건에서 최적의 연소 및 배기특성을 실험적으로 규명하는 것을 목적으로 한다.
2. 실험장치 및 방법
2.1 실험장치
본 연구에 사용된 실험 장치로는 터보 과급기와 수냉식 인터쿨러를 장착한 가솔린 엔진, 엔진제어 시스템, 엔진 동력계 및 제어시스템, 엔진 성능 데이터취득 및 배기 배출물 측정 시스템으로 구성되었으며, 실험장비와 장치 개략도를 Fig. 1에 나타내었다.
실험용 엔진은 압축비 9.4:1, 배기량 1,998cc인 직렬형 4기통 터보 과급 및 인터쿨러 장착 PFI(port fuel injection) SI(spark ignition) 엔진이다. 주요 제원은 Table 1과 같다. 엔진의 연료별 분사량, 분사 시기 및 점화시기 등 엔진 운전 변수를 동일하게 하기 위해 범용 ECU(EMS-4, AEM)를 사용하였으며, 배기관에 장착된 광대역 람다 센서 시스템(Inline Wide-band UEGO, AEM)을 ECU와 연동시켜 실시간 연료 분사량을 피드백 제어하는 방식으로 공연비를 제어하였다. 실험 엔진의 회전속도 및 엔진 부하를 제어하고 제동토크 등을 측정하기 위하여 수냉식 동력계(EC dynamometer, 180 kW DC/8,000 rpm)를 사용하였으며, 흡입공기량, 흡기온도, 냉각수 온도, 배기가스온도 및 연료 유량 등의 측정값을 실시간으로 취득하였고 이를 통해 연료소비율 등을 계산하여 연소 특성을 파악하였다. 엔진 운전 중 과급으로 인한 흡기온도 변화를 최소화하기 위하여 수냉식 냉각기를 설치하였으며, 실험 간 흡기압력에 미치는 영향을 최소화하였다.
Table 1.
Specifications of test engine
또한, 배기 배출물 특성을 파악하기 위하여 배기가스 후처리 장치인 삼원촉매 전단에서 배출가스를 포집하여 배기가스 분석기(MEXA-551JK, Horiba)를 사용하여 CO, HC, NOx등의 배기 배출물을 취득하였다.
2.2 실험방법 및 조건
본 연구에서는 에탄올 연료의 혼합율에 따른 특성을 파악하기 위하여 총 6종류의 연료를 사용하였으며, 에탄올의 혼합비율(체적비)에 따라 E100, E80, E60, E40, E20으로 표기하였고, 순수가솔린은 G100으로 표기하였다. E20은 20%의 에탄올과 80% 가솔린을 부피비(volumetric ratio)로 혼합한 것을 의미한다. 실험에 사용된 에탄올과 가솔린의 물성치는 Table 2에 나타내었다.
Table 2.
Physical properties of test fuel
실험 조건은 Table 3과 같으며, 사용 연료에 따른 특성을 파악하기 위하여 공기과잉률(λ, excess air ratio)을 1.0으로 고정한 상태에서 엔진회전속도를 1,500 rpm에서 5,500 rpm까지 1,000 rpm 간격으로 총 5가지 엔진회전속도에서 전부하(WOT, wide open throttle)상태에서 실험을 수행하였다. 본 실험에 앞서 각각의 연료에 대하여 점화시기를 TDC에서 BTDC 40°까지 5° 간격으로 변화시키며 제동토크를 측정하였고, 최대토크를 나타내는 최소 진각 점화시기를 MBT 타이밍으로 선택하여, 본 실험에서 모든 점화는 MBT 타이밍에서 이루어지도록 하였다. MBT는 에탄올 혼합율 20% 증가할수록 약 4∼5도 진각하였으며, 엔진회전속도가 1000 rpm 증가 할수록 2∼3도 진각된 점화시기를 적용하였다. 흡기온도 및 냉각수의 온도변화로 인한 실험 결과에 영향을 최소화하기 위하여 각각 50±1℃와 85±1℃로 일정하게 유지하였다.
Table 3.
Experimental conditions
3. 실험 결과
3.1 에탄올-가솔린 혼합연료의 엔진성능
Fig. 2는 공기과잉률 1.0에서 가솔린 연료와 바이오에탄올 및 혼합연료의 엔진 회전 속도 변화에 따른 제동토크를 나타낸 것이다. 엔진 회전 속에 따른 제동토크를 살펴보면 모든 연료가 3,500 rpm에서 최대 제동토크를 나타내었으며, 회전속도와 에탄올 혼합율이 증가할수록 제동 토크가 가솔린에 비하여 증가하고 다소 높은 값을 보였으며, E100의 경우 가장 높은 값을 나타내었다. 이는 에탄올 연료의 특성인 높은 옥탄가를 고려하여 MBT 타이밍을 에탄올 혼합율이 증가할수록 점화시기를 진각했기 때문이다. 또한, 바이오에탄올의 높은 증발잠열로 인해 동일한 공기과잉률 조건에서 엔진 회전수가 증가할수록 흡입 과정 중 가솔린 연료에 비하여 엔진의 체적효율이 향상되어 흡입공기량이 증가하고 압축행정에서 압축비가 증가하는 현상으로 판단된다. 이로 인해 바이오에탄올 혼합연료의 연소 성능이 가솔린 보다 향상되었다고 판단할 수 있다[9,10]. 또한 바이오에탄올의 낮은 발열량을 고려하여 연료공급량(연료분사기간)을 증가시키고 이에 따른 에탄올 연료 내 포함된 산소량이 증가되어 실제 공기과잉률이 더욱 희박해진 것과 3,500 rpm 이상 고속 운전 영역에서 연소반응 시간이 짧아지는 점을 고려할 때, 연소가 제대로 이루어지지 않는 실화나 부분 연소 등의 영향을 바이오에탄올 연소가 가솔린 연료에 비하여 작게 받으며 연소 성능이 우수해진 것으로 판단된다[11].
Fig. 3은 엔진의 회전속도와 에탄올 혼합비율에 따른 배기가스 온도를 나타낸 것이다. 배기가스 온도는 배기 매니폴드와 실린더헤드 사이에 장착된 열전대를 이용하여 측정하였다. 배기가스 온도는 엔진의 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었으며, 에탄올 혼합비율이 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었고, 에탄올 혼합비율 20% 증가할수록 배기가스 온도는 평균 약 3%씩 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 또한, 엔진의 회전속도가 높아짐에 따라 혼합연료의 배기가스 온도 감소폭이 더욱 증가하는 결과를 확인하였다. 이러한 결과는 에탄올 연료의 높은 산소함유량과 내노크성으로 인한 점화시기 진각, 높은 증발잠열에 의한 연료-공기 혼합기의 냉각 효과, 그리고 에탄올의 낮은 단열 화염 온도가 복합적으로 영향을 미친 이유라 판단된다[12].
Fig. 4는 엔진회전속도와 에탄올 혼합비율에 따른 에탄올-가솔린 혼합연료의 제동연료소비율(BSFC, brake specific fuel consumption)을 나타낸 것이다. 엔진의 회전속도가 높아질수록 모든 연료의 BSFC는 감소하는 결과를 나타내었으며, 에탄올-가솔린 혼합연료의 연료소비율은 감소하지만 혼합율이 증가할수록 BSFC는 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 이는 엔진회전속도가 증가할수록 연소 성능이 급격히 상승하는 결과와 동일한 영역에서 제동토크 증감 및 변화의 폭이 가솔린에 비하여 적은 것을 확인할 수 있었다. 하지만 3,500 rpm 이상의 영역에서는 혼합기 형성 및 연소반응 기간의 급격한 감소로 인한 부분 연소 등으로 인해 출력 손실을 고려하더라도 높은 회전속도로 인하여 증가하는 출력 특성으로 인하여 BSFC는 향상되는 것으로 판단된다.
또한, 에탄올 연료의 혼합비율이 높을수록 연료소비율이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 에탄올의 단위 질량당 발열량이 가솔린 연료의 60% 수준에 불과하여 동일한 엔진 운전조건에서 에탄올의 연료 분사량이 증가하였기 때문이라고 판단할 수 있다. E100과 G100 비교 시 전 영역에서 평균 약 10% 전후의 차이를 보이고 있지만, 에탄올 연료의 낮은 발열량으로 인한 분사량 40% 증가를 고려한다면 에탄올 연료 연소가 상대적으로 연료소비율이 우수함을 알 수 있다.
3.2 에탄올-가솔린 혼합연료의 배기 배출물 특성
엔진의 회전속도 변화와 에탄올 혼합률 변화에 따른 HC, CO 및 NOx등의 배기 배출물 특성을 Fig. 5(a)∼(c)에 각각 나타내었다. Fig. 5(a)의 HC 배출량의 경우 시험 연료 중 E100의 배출량이 가장 낮음을 알 수 있고, 5,500 rpm에서 약 7% 정도의 차이를 확인하였다. 바이오에탄올 연료의 혼합율이 증가할수록 엔진회전속도 전 영역에서 배출은 감소하는 특성을 나타내고 있으며 이는 HC 바이오에탄올 연료 내 포함된 산소량 증가로 보다 안정적인 연소가 일어나고, 실화 또는 부분 연소 등이 적게 발생하며 연소실 내 직접 연료를 분사함으로 인한 연료의 증발 특성이 향상된 것으로 판단된다[13].
Fig. 5(b)의 CO 배출의 경우, 에탄올 혼합비율과 엔진회전속도가 증가할수록 배출량이 선형적으로 감소하는 경향을 나타내었다. E100의 배기가스 중 CO의 발생량 또한 가솔린 연료를 적용할 때 보다 현저히 감소하였으며, 엔진 회전속도가 증가할수록 그 차이는 증가하였다. 전부하 조건에서 연료 중 에탄올이 낮은 배기 가스 온도를 유발하며, 이로 인해 가솔린 연료보다 현저히 낮은 CO가 발생되는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 희박 연소 시 CO의 발생량이 감소한다. 연료 내 산소를 35% 포함하고 있는 에탄올의 혼합으로 E100의 산소농도가 가솔린 보다 높아져 CO 감소 효과가 나타난 것으로 판단된다[14]. Fig. 5(c)와 같이 NOx 배출의 경우 실험이 수행된 엔진회전속도 전 영역에서 바이오에탄올 및 혼합연료의 배출량이 가솔린의 배출량에 비하여 작으며, 엔진 회전수가 증가할수록 배출량이 증가하는 결과를 보였고, 에탄올 혼합률이 증가할수록 질소산화물은 감소하는 결과를 확인하였다. 이는 바이오에탄올의 높은 증발잠열로 인한 흡입행정 말기에 실린더 내부의 온도가 감소하고 폭발행정 중 열발생이 가솔린 연료에 비하여 작은점과 에탄올의 낮은 단일화염온도가 복합적으로 영향을 미쳐 NOx의 배출량이 가솔린 연료에 비하여 적은 것으로 판단된다. 이러한 결과는 Fig. 3의 배기가스온도의 결과에서도 확인할 수 있으며, 또한 실험 수행 중 사용한 냉각제 사용량을 고려하면 가솔린 비율이 높아질수록 증가하는 결과를 고려할 때 타당한 결과라고 판단된다. E100과 G100의 연소 비교 시 전 영역에서 약 10∼15% 정도 E100에서의 발생량이 낮게 나타났다.
4. 결 론
본 연구에서는 터보차져(turbo-charged) SI 엔진을 대상으로 에탄올-가솔린 혼합 연료의 비율 및 엔진 회전수 변화에 따른 연소 및 배기 특성 변화를 종합적으로 분석하였으며, 주요 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
1.모든 실험 연료는 엔진 회전속도 3,500 rpm에서 최대제동토크를 보였다. 에탄올 혼합율과 회전 속도가 증가함에 따라 제동토크는 E0 대비 증가하는 경향을 보였으며, E100 적용 시 가장 높은 제동 토크 결과를 확인하였다.
2.배기가스 온도는 엔진 회전 속도가 증가함에 따라 상승하는 일반적인 경향을 보였으나, 에탄올 혼합 비율이 증가할수록 감소하는 경향이 명확하게 나타났다. 특히, 에탄올 혼합 비율이 20% 증가할 때 마다, 배기가스 온도는 평균 약 3%씩 감소하는 경향을 확인하였으며, 엔진의 고회전 조건에서 혼합 연료의 배기 온도 감소 폭이 더욱 두드러졌다.
3.제동연료소비율은 엔진 회전속도가 높아질수록 감소하는 결과를 보였다. 에탄올-가솔린 혼합 연료를 사용할 경우 연료 소비율이 감소하는 결과를 나타냈으나, 혼합율이 증가할수록 BSFC는 증가하는 역의 경향을 동시에 확인하였다.
4.모든 연료 중 E100 연소 시 HC 배출량이 가장 낮았으며, 5,500 rpm에서 가솔린 대비 약 7%의 차이를 보였다. 바이오에탄올 혼합율이 증가할수록 엔진 회전속도 전 영역에서 HC 배출은 감소하는 특성이 나타났다. CO는 에탄올 혼합비율 및 엔진 회전속도가 증가할수록 선형적으로 감소하는 경향을나타냈으며, E100의 CO 발생량은 가솔린 연료 대비 현저히 감소하였고, 이 차이는 엔진 회전속도가 증가할수록 커지는 결과를 확인하였다.
5.질소산화물(NOx)은 실험 전 영역에서 바이오에탄올 및 혼합연료의 배출량이 가솔린 대비 작게 나타났다. NOx는 엔진 회전수가 증가할수록 증가하는 결과를 보였으나, 에탄올 혼합율이 증가할수록 감소하는 결과를 나타내어, 에탄올 혼합이 NOx 저감에 기여할 수 있음을 확인하였다.
