희박연소엔진에 대해서 자세히 알아보자
희박 연소엔진(Lean burn Engine) 정의
희박 연소 엔진은 삼원 촉매 적용을 위하여 연료분사용 인젝터를 전자 제어하여 공급연료의 공연비를 이론공연비(λ=1.0)로 조절하고 EGR 밸브를 채용하여 CO, HC, NOx를 동시에 저감 하는 시스템이다. ∙
이 기술이 도입된 80년대에는 획기적인 저배기기술로 평가를 받았으나 이제는 이 기술이 두 가지 측면에서 새로운 도전을 받고 있다. 첫째는 배기규제가 계속하여 강화되어 왔고 이제는 이 시스템으로 더 이상 배기규제(ULEV)를 통과할 수 없는 단계에 도달하였다.
둘째는 2005년경부터 자동차 유해배출가스 규제 성분에 CO2가 포함될 것으로 예상하고 있으며 이를 위해서는 저연비 기술로 CO2의 생성량을 줄이는 것이 가장 효율적인 대책으로 알려져 있다. 이런 측면에서 보면 디젤엔진이 가솔린에 비해 20-30% 유리하며 따라서 디젤엔진 시장 잠식에 대한 대책이 필요하다. ∙
따라서 가솔린엔진에서 배기가스를 감소시키면서 연료 소비를 줄이는 기술이 필연적인 개발 방향이며 이를 구현할 수 있는 방법은 희박 연소가 가장 가능성 있는 기술로 제시되어 있다. 혼합기에 공기를 과잉 공급하여 연소시키는 희박 연소는 상대적으로 펌핑 손실이 적고, 정상 연소보다 비열비가 증가함으로써 엔진 열효율이 향상된다.
그리고 연소최고온도가 낮아짐으로써 질소산화(NOx)가 현저히 감소되며 완전연소로 인한 일산화탄소(CO)가 감소하여 유해 배출가스가 줄어든다. ∙그러나 초희 박연소는 공연비가 희박해짐에 따라 연소가 불안정하게 되어 토오크 변동을 초래하는 단점을 가진다.
따라서 초희박연소를 실현하기 위해서는 희박 연소시 연소 안정성에 관한 기반기술의 확립이 선행되어야 한다. ∙자동차용 엔진의 작동 영역은 매우 다양하며 특히 고 부하시에는 최대의 토크를 발휘할 수 있도록 하여야 하기 때문에 희박 연소엔진도 고부하에서는 공연비가 농후하며 중 저부하 영역에서 희박한 공연비를 공급한다.
희박 연소엔진의 발전과정
희박 연소를 실현하기 위한 초기의 방법은 균 질급기(homogeneous charge)와 성층 급기(stratified charge)의 크게 두 가지로 나누어 70년대 초반부터 발전되어 왔다. ∙성층급 기방식에서는 전체적으로는 혼합기가 희박하나 점화플러그 근처에서는 공연비가 농후한 혼합기를 유도하는 혼합기의 성층화를 통해 점화가 용이하게 이루어지도록 하고 있다.
성층 급기 엔진에는 별도의 부연 소실을 설치하여 여기에 공연비가 농후한 혼합기를 공급하고 설치된 점화플러그로써 점화하여 연소시킴으로써 희박 혼합기가 공급된 주연소실에 연소 화염이 분출되게 하여 화염전파를 촉진시키는 방법이 주로 사용되었으며 혼다의 CVCC (compound vortex controlled combustion)과 도요다의 TGP (turbulence generating port)가 초기 기술의 대표적인 예이다. ∙
균질급 기방식에서는 연소실 전체에 균일한 공연비를 공급하는 방식으로서 공연비가 희박함에 따라 연소를 위한 초기 점화 에너지가 증가하게 되므로 점화장치를 대폭적으로 개선하여야 한다. 고전류, 고에너지, 방전 시간 단축 혹은 지속을 통한 방법이나 플라스마 제트, 다중 점화 방식 등으로 연료의 발화와 화염 진행을 향상하고 있다.
또한 연소실 설계변경을 통하여 열손실을 줄이고 연소율을 높이기 위한 연소실 내부 유동개선이 주요 설계인자로서 연구되고 있다. 이를 위해 흡기포트의 형상 설계, 스월 컨트롤 밸브(SCV), 스퀴시 면적 확대 등이 희박 엔진에 적용되어 왔다.
희박 연소엔진 현황
희박 엔진에서는 CO와 NOx는 상당히 줄어드나 HC는 도리어 증가한다. 즉 질소산화물은 공연비가 커짐에 따라 증가하다가 급격히 감소하는 경향을 보이며 30% 이상의 저감효과가 있는 반면, 미연소 탄화수소는 이론공연비보다 희박해질수록 감소하다가 어느 한계 이상에서는 다시 증가한다.
이와 같은 HC 증가는 과희박 혼합기가 점화되지 못하거나 또는 연소기 간이 과도하게 길어지는 데에 기인한다고 볼 수 있다. ∙희박 연소에 의해 NOx 배출농도가 상당히 저감 되기는 하지만 ULEV 규제 수준에는 못 미친다. 이를 해결할 수 있는 방안으로 lean NOx 촉매를 개발하고 있으나 아직은 개발 가능성이 불확실하다. ∙또한 디젤엔진과 경쟁할 수 있는 연료소비율 수준이 요구되고 있으나 현재의 흡기포트 연료공급방식 희박 연소엔진으로는 λ=1.5(A/F=23)까지가 기술의 한계로 인식되고 있어 30-100:1의 공연비 영역에서 연소하는 디젤엔진과의 연비 경쟁에는 한계가 있다. ∙
이와 같은 이유로서 연소실내에 직접 연료를 분사하여 성층연소를 추구하는 DISC(direct injection stratified charge) 엔진으로 개발되어 온 Porsche의 KS, Ford사의 PROCO, Texaco의 TCCS 시스템들이 새로운 인젝터 개발, 발전된 엔진 및 제어기술의 적용으로 신 개념의 초 저 연비 엔진으로 연구되고 있다. 대표적인 예로서 최근 일본에서 개발된 가솔린 직접분사식(GDI) 엔진에서는 λ=3.0(A/F=40∼50)의 공연비까지 연소가 가능한 것으로 발표되고 있다.
1995년에 일본의 미쯔비시자동차에서 가솔린 엔진에서 연소실내에 연료를 직접 분사하는 방식으로 49 G93 모델 엔진을 자동차에 장착하여 발표하면서 가솔린 직접 분사식 엔진(gasoline direction injection; GDI)이 큰 관심을 끌게 되었다. 이듬해인 1996년에 도요다 자동차가 계속하여 D-4 GDI 엔진 장착 차량을 발표함으로써 본격적인 GDI 엔진 개발 경쟁이 시작되었다.
GDI 엔진은 기존의 가솔린엔진이 사용하던 흡기포트 연료공급방식(port fuel injection; PFI)에서 진전하여 디젤엔진과 같이 연소실내에 연료를 직접 공급하는 방식으로서 지금까지 디젤엔진에 비해 취약점으로 지적되어 오던 높은 연료소비율 문제를 획기적으로 개선할 수 있는 기술로 평가되고 있다. ∙
연소실내 직접분사식 엔진기술은 1920년 이후부터 DISC(직접분사식 성층 연소) 엔진으로 연구되어 왔으며 이는 전기 점화(가솔린) 엔진과 압축착화(디젤) 엔진의 장점을 결합한 hybrid engine의 개념이다.
즉, 압축행정중에 연소실에 연료를 직접 분사함으로써 가솔린 엔진에서 흔히 발생하는 노크와 자발화를 방지하고, 분사되는 연료의 양으로 엔진 출력을 조절할 수 있어 엔진의 트로틀을 항상 최대 상태로 고정한 상태에서 운전하므로 공기흡입 시 발생하는 일손실을 줄일 수 있다. ∙DISC엔진의 최대 목적은 희박 연소를 실현하기 위한 방법으로도 사용되었다.
희박 연소엔진의 미래
전체 혼합기는 희박하지만 점화플러그 근처는 농후한 혼합기를 공급함으로써 희박 연소엔진에서 발생하기 쉬운 실화를 방지하며 연소 초기의 연소 속도를 증가시켜주도록 하였다. 엔진 내부에서 공기의 성층화를 만들기 위한 방법으로는 기계적인 하드웨어 방법과 제어 방식의 변경을 통한 방식이 동시 혹은 독립적으로 적용되고 있다. ∙
직접분사식 엔진에서는 성층화를 도모하고 배기가스개선을 위하여 연료분사각도, 액적 크기, 분사 기간 요소들의 최적화가 중요하다. ∙
DISC 엔진으로 연구된 시스템은 다양하며, 예연소실에 직접 분사하는 Porsche의 KS, 피스톤 보울에 분사하는 방식인 Ford의 PROCO, 실린더 내부에 직접 분사하여 스월 유동에 의해 성층화를 유도하는 Texaco의 TCCS 시스템 등이 있다. 호주의 Obital 사에서 2-행정 엔진에 2 유체 분사기를 사용하여 최초의 상용화 엔진을 개발하였고 연료를 피스톤면에 충돌시켜 성층화를 유도하는 일본의 OSKA 시스템도 주목을 받고 있다.
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