[첨단 헬로티]

 

가솔린 기관에서는 고부하 운전 시에 발생하는 노킹이라고 하는 이상 연소가 열효율 향상을 목표로 하는데 제한 요인으로 되어 있으며, 노킹 억제는 가솔린 기관의 가장 중요한 과제 중 하나이다.

노킹의 기초 현상은 미연 가스의 자착화 및 그것에 유발되는 압력 진동이라고 생각되는데, 자착화에서 압력파의 발생, 압력 진동에 이르는 과정이나, 압력 진동의 진폭에 대한 영향 인자 등 상세한 메커니즘은 밝혀져 있지 않다. 또한, 노킹은 확률적인 현상으로 수치 예측이 어렵고, 수치 모델 구축의 관점에서도 노킹이 왜 일어나는지를 밝히는 것이 중요하다.

또한, 최근의 가솔린 기관에서는 차량 연비 개선을 위해 과급 다운사이징 엔진의 개발이 추진되고 있다. 과급 다운사이징의 콘셉트는 배기량을 작게 하고, 열효율이 상대적으로 높은 중·고부하 영역을 상용함으로써 차량 연비를 개선하는 것이다. 소배기량화에 동반해 최고 출력이 저하하기 때문에 과급해서 순 평균 유효 압력을 높임으로써 이것을 보충한다.

그러나 과급 압력을 높이면, 프리이그니션(preignition)이라는 이상 연소가 발생한다는 것이 알려져 있다. 특히 저회전 영역에서 발생하는 저속 프리이그니션(Low Speed Prei-gnition, 이하 ‘LSPI’라고 부른다)은 매우 강한 노킹을 동반하는 경우가 있어 기관의 파손, 손상으로 이어지기도 한다. LSPI는 저회전 영역의 최대 토크 제약 인자로 되어 있으며, 발생기구의 해명과 억제 수법의 개발이 강하게 요망되고 있다.

이와 같이 노킹이나 LSPI 등의 이상 연소 발생을 억제하는 것은 예전부터 최근의 가솔린 엔진에 이르기까지 중요한 과제 중 하나로, 계속적으로 많은 연구 보고가 이루어지고 있다. 이 글에서는 노킹과 LSPI에 초점을 맞춘 엔진 실린더 내의 가시화 관찰·계측 예에 대해 소개한다.

노킹의 가시화 계측

1. 혼합기 온도 분포가 노킹 강도에 미치는 영향

엔진 연소의 연구 분야에서 연소실 내의 현상 이해를 위해 엔진 연소 사이클을 단발로 재현하는 급속 압축 팽창장치(Rapid Compression and Expansion Machine, RCEM)가 이용되는 경우가 많다.

RCEM은 실용 기관과는 달리, 복잡한 동밸브 기구나 크랭크 기구가 불필요하기 때문에 각종 센서의 장착 위치 자유도가 높은 연소실 내 영역의 가시화 관찰이 비교적 용이한 것 등이 이점으로, 기초적인 연소 연구에 이용된다. 여기에서는 우선 저자 등이 과거에 RCEM를 이용해 실린더 내 혼합기의 공간적인 온도 분포가 노킹의 발생과 압력 진동의 크기에 미치는 영향을 조사한 예에 대해 소개한다.

혼합기에 공간적인 온도 분포를 부여함으로써 자착화가 발생해도 강한 압력 진동을 억제하는 것을 목적으로 했다. 실린더 내의 혼합기에 온도 분포를 부여하기 위해 실린더 벽면에 강한 온도 분포를 형성했다. RCEM의 실린더 벽 온도 분포를 제어하기 위해 실린더 벽 내에 설정된 8개의 독립된 냉각수로에, 온도가 다른 냉각수를 흘렸다. 혼합기의 초기 온도는 외부 혼합 탱크 내에서 가열, 목적한 온도로 조정했다. 혼합기 탱크는 전자 밸브를 통해 RCEM의 실린더에 연결되어 있으며, 전자 밸브에 의해 하사점 부근에서 고속 충전되어 실린더 내에 강한 가스 유동 및 난류를 형성한다.

실린더 헤드에는 노킹 발생 시의 압력 진동을 계측하기 위해 점화 플러그측 및 엔드 가스측의 각 위치에 피에조식 압력 센서(Kistler 6052C)를 장착했다. 실험 조건을 표 1에 나타냈다. 연료는 레귤러 가솔린에 옥탄가가 가깝고 비점이 낮으며 균일 예혼합기 작성이 비교적 쉬운 노멀 부탄을 이용, 혼합기 농도는 양론비, 흡기압력은 대기압력보다 조금 낮은 90kPa로 했다.

▲ 표 1 RCEM에 의한 실험 조건

실험 시의 벽면 온도 분포의 조건을 표 2에 나타냈다. 표의 수치는 실린더 내벽 표면에서 깊이 2mm 정도의 위치 온도에서 시스 열전대를 이용해 계측한 값이다. 각 계측점에서 평균 온도가 65℃가 되도록 표 2에 나타냈듯이 A에서 D까지의 벽면 온도 분포의 패턴을 설정했다. 점화전의 위치는 그림 중의 팬케이크형 연소실 왼쪽 끝단에 있다. 

▲ 표 2 실린더 벽면 온도 분포(Pattern A~D)

균일한 벽면 온도 분포를 부여한 A의 경우, 통내의 혼합기 온도 분포는 실린더 중심부 부근의 고온 영역에서 벽면 부근의 저온 영역으로 완만한 온도 구배를 가지는 혼합기 분포로 되어 있다. B는 점화전측을 고온으로 해 대항하는 미연측을 저온으로 함으로써 화염 전파에 의해 고온 혼합기가 소비되어 자착화 시에는 비교적 저온 혼합기가 미연 부분에 잔류하는 것을 목적으로 한 설정이다.

한편 C의 벽면 온도 분포의 패턴에서는 저온 혼합기가 먼저 소비된다(연소한다)고 생각되어, 미연 부분에 고온의 혼합기를 잔류시키는 것을 목표로 한 설정이다. D의 패턴은 점화전에서 화염 전파 방향에 대해 좌우로 온도 분포를 붙이고, 저온 및 고온 혼합기가 동시에 소비되어 화염이 진행, 말단 가스 내에도 저온·고온의 영역을 형성시키는 것을 목적으로 하고 있다. 점화 후의 화염 전파 모습, 더구나 자착화 발생 위치나 압력 진동의 모습을 관찰하기 위해 연소실의 상벽을 석영유리로 교환하고 고속 카메라(Photron SA1.1)를 사용해 직접 촬영을 했다.

그림 1에 얻어진 화상을 시계열로 나타냈다. 30000fps로 촬영해 처음으로 엔드 가스부에서 발광이 관찰된 시각을 자착화 시기로 정의했다. B 및 C의 패턴에서는 미연 가스부의 중앙 부근 1군데에서 자착화해, 0.2ms 후에는 미연부 전역으로 화염이 확대되고 있는 모습을 알 수 있다.

▲ 그림 1 RCEM를 이용한 노킹 발생 시의 직접 사진(온도 분포가 노킹 발생에 미치는 영향)

한편 A의 패턴에서는 미연 가스부의 복수 점에서 자착화가 발생하고 있으며, D의 패턴에서는 미연 영역의 끝단에서 국소적으로 자착화가 발생한 후(0.1ms 후)에, 다른 위치에서 자착화의 발생을 관찰할 수 있다. 더구나 A 및 D는 B, C와 동일한 0.2ms 후의 화상에서도 미연 영역이 존재하고 있다는 것을 알 수 있다. 자착화가 발생한 순간 및 그 후의 가시화 화상에서 엔드 가스부의 한 점에서 자착화가 발생하는 경우에 비해, 엔드 가스부의 복수 점에서 자착화가 발생하는 경우나 복수 점에서 순차적으로 자착화가 생기는 경우에 노킹 강도를 억제할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

2. 실용 가솔린 엔진의 계측 예

Karlsruhe 대학의 연구 그룹은 실제 기기의 연소실에 여러 개의 압력계와 광파이버를 여러 개 장착함으로써 상세한 노킹 관찰을 하고 있다. 그림 2는 연소실 벽멱에 여러 개의 압력계를 장착해 노킹이 발생했을 때의 압력 계측을 한 예이다. 그림 3에는 실린더 내 압력 데이터에 대한 샘플링 레이트를 변화시킨 경우의 노킹 계측 결과의 상위를 나타낸 것이다. 이것에 의해 크랭크 각도 0.4도 이상의 시간 분해능으로 계측하지 않으면, 노킹의 압력 진동 피크를 파악할 수 없다는 것을 알 수 있다. 또한, 필요한 샘플 속도는 엔진 속도나 노킹 모드에 따라 다른 것에 유의하기 바란다.

▲ 그림 2 실제 기기에서 압력 계측 위치

▲ 그림 3 데이터 샘플링 레이트의 영향

그림 4에는 노킹 발생 시의 압력을 다른 위치에 설치한 압력 센서로 측정한 결과를 나타낸다(그림 2 중의 Position 4, 5, 6). 노킹은 발생 지점에 가까운 압력계 4에서 처음으로 압력 진동으로서 관찰된다. 이것에서 떨어짐에 따라 압력 피크가 내려가고 있다는 것을 알 수 있다.

▲ 그림 4 다른 측정 위치의 압력 변화

그림 5는 노킹 발생 시의 연소 사이클을 해석하기 위해 광파이버 프로브를 여러 헤드에 설치한 예이다. 그림 6에 광파이버 프로브를 통한 발광 관측에서 얻어지는 화염 전파 및 노킹에 의한 압력파의 전파 거동이 나타나 있다. (a)는 기관 속도 3000r/min, (b)는 기관 속도 5000r/min일 때의 화염 전파의 모습(상)과 노킹에 의한 압력파 전파(아래)를 나타낸다. 그림 중 실린더 외부에 사선으로 표시되어 있는 것은 노킹의 발생 위치를 나타낸다. 높은 압력 진폭(20bar 이상)을 동반하는 노킹은 전파 화염의 벽면 도달 시기가 늦고, 미연 가스가 연소 기간 말기까지 남는 3~4의 위치에서 생긴다는 것을 알 수 있다.

▲ 그림 5 엔드 스코프의 설치 위치

▲ 그림 6 광파이버 프로브를 통한 발광 관측으로부터 얻어지는 화염 전파 및

노킹에 의한 압력파의 전파 거동

그림 7에는 수치계산으로 예측된 통내 혼합기의 온도 분포가 나타나 있다. 그림 7(a)에서 3~4 부근의 온도 구배가 높기 때문에 높은 온도 구배가 노킹을 일으키기 쉬운 것으로 추정할 수 있다. 기관 속도가 5000r/min일 때의 결과 (b)를 보면, 노킹 발생 위치가 다르다. 벽면 가까이의 온도 구배가 높은 것은 3~4의 원주 위치이고, 이어서 1~8이다. 노킹 발생은 1~8이 많다. 화염 전파가 마지막이 되는 것이 1~8 부근이기 때문에 노킹이 발생하기 쉽다고 생각된다.

▲ 그림 7 수치계산으로 예측된 통기 혼합기의 온도 분포

3. 저속 프리이그니션의 가시화

과급 가솔린 기관에서 저속 프리이그니션(LSPI)은 정상의 연소 사이클이 계속되는 가운데 돌연 발생, 화염 방전에 의한 점화 시기보다 조기에 열발생을 개시하는 현상이다. LSPI가 발생하는 결과, Super knock이나 Mega knock이라고도 부르는 매우 강도가 높은 노킹을 유발한다는 것이 알려져 있다.

그림 8에 LSPI 발생 사이클에서 통내 압력과 열발생률의 예를 동일한 운전 조건의 정상 연소 사이클의 파형과 함께 나타냈다. 기관 회전수는 1750rpm, 도시 평균 유효 압력(IMEP)는 2.2MPa이다. 점화 시기는 4deg.ATDC로 설정되어 있다. LSPI의 발생 사이클에서는 점화 방전이 이루어지기보다 조기에 열발생이 개시되고 있다는 것을 알 수 있다.

▲ 그림 8 프리이그니션 발생 사이클의 통내 압력과 열발생률

그러나 열발생 개시 시의 발열 속도는 보통 사이클의 경우보다 약간 빠른 정도이기 때문에 LSPI 발생 후의 연소 형태는 화염 전파인 것을 추측할 수 있다. 즉, 노킹을 발생시키지 않는 한계 시기에 설정된 점화 시기보다 너무 조기에 열발생이 개시하기 때문에 점화 시기를 과진각한 경우와 동일하게 노킹을 유발하는 경우가 많다. 단, LSPI의 발생 시기에는 편차가 있으며, 반드시 강한 노킹을 동반하는 것은 아니다.

그림 9에 엔드 스코프를 통해 촬영한 LSPI 발생 시의 고속도 직접 사진의 일례를 나타냈다. -10deg.ATDC의 고속도 직접 사진으로부터 통내를 부유하는 적열한 발광 입자를 착화원으로 해서 점화 시기보다 빠르게 화염 전파가 개시하고 있다는 것을 알 수 있다. 또한 -8deg.ATDC에서는 흡기 밸브 부근의 관찰 시야 외부로부터의 화염 전파, -6deg.ATDC의 사진에서는 다른 입자를 착화원으로 하는 화염 전파를 관찰할 수 있다. 즉, LSPI는 국소적인 열원 혹은 국소적인 착화를 기점으로 해서 점화 시기보다 빠른 시기에 화염 전파가 유발되는 현상으로, 너무 조기의 화염 전파 개시가 노킹을 유발한다는 것을 알 수 있다. 또한 LSPI는 국소적인 현상인데, 발생 부위는 1군데로 한정되지 않고 복수의 발생원이 존재하는 경우도 있다. 

▲ 그림 9 부유 입자에 의해 유발된 프리이그니션 발생 과정의 고속도 직접 사진

엔진 실제 기기를 이용한 계통적인 실험에 의해 통내의 윤활유 거동에 영향을 미치는 파라미터가 LSPI의 발생 빈도에 강하게 영향을 미친다는 것이 확인되어 왔다. 그 중에서 윤활유와 LSPI의 관계나 윤활유의 착화특성이 주목받고 있다. 여기에서는 통내에 윤활유 방울의 착화에 기인하는 LSPI 발생기구를 검증하는 것을 목적으로, 수치 시뮬레이션과 통내 가시화 관찰을 한 결과에 대해 소개한다.

그림 10에 피스톤 톱랜드부에 형성된 윤활유 막이 통내에 비산하는 거동을 VOF법을 이용해 수치해석한 결과를 나타냈다. 그림에 나타냈듯이 톱랜드부에 부착한 액막은 피스톤의 감속 시에 작용하는 관성력에 의해 상방향으로 이동한다. 피스톤 면떼기부를 넘고 피스톤 정수면에 머물러 액막을 형성한 후에 연소실 내에 비산한다. 여기에서 액체 방울이 비산하는지는 피스톤 정면에 액막이 올라가는지의 여부로 결정되고, 액막이 두껍고 액막의 표면 장력이 작을수록 액체 방울이 비산하기 쉬우며 조기에 비산한다는 것을 알 수 있었다.

▲ 그림 10 윤활유 방울의 실린더 내 비산 거동의 수치해석 결과

Kassai 등은 석영제 실린더를 가지는 통내 가시화 엔진을 이용해 레이저 유기형광법을 적용함으로써 윤활유의 연소실 내 비산 거동을 가시화하고 있다. 그림 11에 윤활유 비산의 가시화 결과를 나타냈다. 수치해석의 예측과 동일한 윤활유의 비산 거동이 가시화 엔진 실린더 내에서 관찰되고 있다. 즉, 연료에 희석되어 점성력과 표면 장력이 저하한 윤활유가 피스톤 감속 시에 유막으로 작용하는 관성력에 의해 피스톤 정면에 올라가 통내로 비산한다는 것을 알 수 있다.

▲ 그림 11 피스톤 톱랜드에 부착한 윤활유막 거동의 가시화 결과

윤활유 방울의 통내 비산, 비산한 윤활유 방울의 자착화에 기인하는 LSPI의 발생 과정을 검증하기 위해 윤활유에 형광제를 혼입, 형광법을 이용한 통내 윤활유 방울의 관찰을 시도했다. 그림 12에 결과를 나타냈다. 해당 사이클에서는 +4deg.ATDC로 설정한 불꽃 점화 시기보다 빠른 -10deg.ATDC에 명확한 열발생을 볼 수 있었다. 열발생이 관찰되기 전의 -11deg.ATDC에서 관찰 시야의 오른쪽 아래로부터 왼쪽 위를 향해 발광하면서 부유하는 입자가 관찰됐다. 이어지는 -7.5deg.ATDC, -4.0deg.ATDC의 화상에서 입자 주변에 밴드 패스 필터를 통과한 화염의 자발광으로 보이는 약한 발광이 관찰되고 있다. 계속된 조사가 필요한데, 윤활유 방울이 통내에 비산, 비산유 방울의 자착화에 기인해 발생하는 LSPI의 존재를 시사한다고 생각한다.

▲ 그림 12 윤활유 방울의 형광 화상

또한. 그림 13에 피스톤 크레비스부에서 높은 휘도로 발광하는 입자 모양의 물질이 통내로 비산, 입자군을 착화원으로 해서 LSPI가 발생한 사이클의 고속도 직접 사진을 나타냈다. 발광하는 입자가 무엇인가는 밝혀져 있지 않지만, 동일한 LSPI의 발생 패턴은 복수의 보고 예가 있으며, 가시화 엔진에서 관찰된 윤활유 방울의 시간 거동(그림 10, 그림 11)과의 유사성에서 윤활유 방울의 착화에 기인하는 LSPI일 가능성이 지적되고 있다. 

▲ 그림 13 피스톤 크레비스 부근에서 발생한 프리이그니션의 고속도 직접 사진

지금까지 여러 종류의 실험이나 수치해석의 결과에 의해 연료 희석된 윤활유의 비산과 자착화가 LSPI를 유발할 가능성이 지적되어 왔다. 그러나 LSP 발생 시의 온도, 압력 조건에서 착화 지연은 엔진의 사이클에 대해 상대적으로 길고, 급속 압축 팽창장치를 이용해 단일 윤활유 방울의 착화 조건을 조사한 결과에 의하면 LSPI의 발생 조건 상당의 기관 회전수, 기름방울 온도에서는 LSPI를 유발하기 어렵다는 것이 나타났다.

한편, 윤활유가 연료를 포함하는 경우, 윤활유의 착화 지연이 단축되는 것도 보고되어 있으며, 윤활유의 착화 과정에서 금속계 첨가제의 함유나 연료에 의한 희석이 화학적, 물리적으로 어떻게 기여하는지, 연료실 내의 윤활유 거동과 함께 상세한 이해가 요망된다. 

연료실 벽면에서 박리, 고온화된 디포짓 조각에 기인하는 LSPI의 발생도 확인됐다. 그림 14에 연료실 벽면에서 박리된 디포짓이 유발한 LSPI 발생 시의 고속도 사진을 나타냈다. 사진 중앙부의 백색 환상의 이미지는 엔드 스코프와 동축 상에 입사한 빛이 엔드 스코프 전면의 석영제 관찰창에 반사된 것이다. 그림의 1단째는 흡기 행정 중, 2, 3단째는 압축 행정 중의 고속도 직접 사진이다. 흡기 행정 중, 전 사이클 중에 벽면에서 박리된 디포짓 조각이 소기되지 않고 통내에 잔류해 부유하고 있는 모습을 관찰할 수 있다. 그 후 압축 행정 후반, 상사점 전 11deg 쯤, 착화 플러그 부근에서 디포짓 조각을 착화원으로 해서 LSPI가 발생하고 있는 모습을 포착할 수 있다.

▲ 그림 14 잔류한 디포짓이 유발한 프리이그니션의 고속도 직접 사진

Lauer 등은 LSPI의 가시화 관찰 결과로부터 간헐적으로 몇 사이클 이어지는 LSPI 중 1사이클째의 LSPI는 윤활유 방울의 착화에 기인하고, 2사이클째 이후에 발생하는 LSPI에 대해서는 앞서 발생한 LSPI에 동반하는 강한 노킹에 의해 박리된 디포짓 조각에 기인한다고 보고하고 있다.

맺음말

이 글에서는 가솔린 기관에서 극복해야 할 가장 중요한 과제 중 하나인 노킹과 저속 프리이그니션에 대해 저자 등이 실시한 연구, 최근의 보고 예를 소개하면서 이상 연소의 가시화, 계측에 대해 정리했다. 여기에 소개한 결과에 대한 상세한 내용은 참고 문헌을 참조하기 바란다. 또한 여기에 소개한 것은 일부 예로 한정되어 있으며, 연료 영향, 상세 화학 반응기구에 기초하는 수치해석, 이상 연소를 피하기 위해 제안되어 온 연소 제어 기술 등에 대해서도 많은 연구 예가 있다는 것을 덧붙여 둔다. 

치바대학 대학원 공학연구과

本 記事는 日本 「計測自動制御學會」가 發行하는 「計測と制御」誌와의  著作權協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.