[첨단 헬로티]

 

가솔린 불꽃 점화 엔진의 연비 향상, 배기 정화를 도모하기 위해 통내 직접 분사식 기관(Direct-Injection Spark-Ignition: DISI)이 개발되어 열효율을 비약적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대되고 있다.

이 DISI 엔진에서는 혼합기 제어 방식으로서 3종류의 방법이 검토되어 왔다. (a) 분무 제어, (b) 벽 제어, (c) 공기 제어의 3종류이다. 벽 제어 방식은 1996년경부터 많은 발표가 이루어져 왔다. 그러나 벽 제어의 경우, 피스톤 상부에 부착하는 연료 액막에 의해 디포짓이 발생하는 등의 문제도 있다. 한편, 분무 제어 방식은 연료 분사 인젝터로부터 분사되는 연료를 직접 점화 플러그에 내뿜는 방식으로, 점화 플러그 근방의 연료 분포를 제어하기 쉽다. 그러나 분무가 직접 점화 플러그에 부착함으로써 디포짓의 발생 요인으로서 생각되고 있다. 어쨌든 DISI 엔진에서는 열효율 향상을 목적으로 엔진 실린더 내에 연료를 직접 분사함으로써 층 모양 연료 농도장을 형성, 점화, 연소를 하고 있다. 점화 시기에 가연 혼합기가 점화 플러그 근방에 존재하는 것이 중요하다. 

이 글에서는 가솔린 불꽃 점화 엔진에서 엔진 실린더 내의 연료 농도 계측 수법에 대해 해설한다. 우선 실제로 논문, 공업적으로 사용되고 있는 계측 수법을 소개한다. 그 중에서 저자 등이 종사해 온 적외흡수법을 이용한 점화 플러그 근방 연료 농도 계측 수법을 상세하게 설명한다. 특히 분무 제어 방식의 DISI 엔진에서 연료 분무가 직접, 점화 플러그 근방에 분사되는 경우의 계측 결과를 소개한다.

엔진 실린더 내 연료 농도 계측 수법

엔진 실린더 내에서 연료 농도를 계측하는 수법은 (1) 가스 샘플링법, (2) 레이저 유기 형광, 라만 산란법 등의 레이저 계측 수법, (3) 적외흡수법의 3종류 방법으로 크게 나누어진다.

1. 가스 샘플링법

이 수법은 엔진 실린더 내에 가는 파이프를 삽입, 실린더 내의 가스를 취출하고 탄화수소 연료 농도를 계측하는 수법이다. 가스 분석기에는 FID(수소염 이온화 검출법)가 이용된다. FID 검출 속도가 향상됨으로써 시간 분해능 향상을 볼 수 있고, 계측 정도도 매우 높다. 실제로 시판된 계측장치의 구매가 가능하고, ms 오더의 샘플링이 가능해지고 있다. 오프셋형 점화 플러그에 샘플링부를 삽입, 점화 플러그 근방의 연료 농도 계측이 가능해지고 있다. 그러나 샘플링 프로브로 취득하는 영역이 불명확하기 때문에 국소적인 계측에는 약간의 과제가 있다.

2. 레이저 유기 형광, 라만 산란법 등의 레이저 계측 수법

레이저광이 물질에 조사되면 대부분의 포톤은 분자에 충돌해 산란한다. 이때 포톤이 입사광과 동일한 파장으로 산란하는 것을 레일리 산란광이라고 부른다. 한편, 포톤과 분자 사이에 에너지 수수가 이루어져, 진동수가 다른 산란광이 생긴다. 그 산란광은 입사광과 다른 파장이 되고, 이것을 라만 산란광이라고 부른다. 이와 같은 레일리 산란광이나 라만 산란광을 이용해 연료 농도 계측이 실시되어 왔다.

최근에는 LIF(Laser Induced Fluorescence： 레이저 유기 형광)법이 연료 농도 계측에 이용되고 있다. LIF법에서는 트레이서를 연료에 첨가, 트레이서 분자에 전자 상태의 천이를 생기게 하는 특정 파장의 레이저광을 조사한다. 이때 고에너지 전자 수준으로 여기된 분자가 기저 상태로 되돌아올 때에 발하는 형광을 측정, 연료 농도를 계측하는 수법이다. LIF법은 ppm 오더의 농도 계측이 가능하다. 불꽃 점화기관의 계측에 적합한 트레이서를 조사한 연구는 과거에 많이 이루어졌다. 톨루엔(C7H8) 등의 방향족 화합물은 산소에 의한 담금질 효과를 받기 어렵고, Nd-YAG 레이저의 제3 및 제4 고주파(355nm 및 266nm)나 엑시머 레이저(248nm 및 308nm) 등의 몇 가지 광원에 의해 여기할 수 있다. 또한, 연소실 내와 같은 고온·고압 하에서도 반응성이 낮고, 트레이서로서 우수하다. 

LIF법의 이점으로서 비접촉이고 흐름을 흩트리지 않는 것, 응답 시간이 빠르고 시간 분해능이 높은 것, 레이저 시트를 이용함으로써 공간 분포를 얻을 수 있는 것 등을 들 수 있다. 더구나 트레이서 입자 형광의 온도 의존성을 이용함으로써 연료 농도뿐만 아니라 온도 분포를 계측하는 것도 가능하다. 결점으로서는 레이저광을 입사하기 위한 가시화창과 형광을 관측하는 가시화창이 필요하고, 실제 엔진과 비교해 운전 조건에 제한이 있는 것이나 트레이서를 연료 중에 첨가해야 하는 것 등을 들 수 있다.

3. 적외흡수법

적외흡수법은 어떤 파장의 빛(강도 I0)은 측정부 길이 L로 몰 농도 c의 가스 띠 속을 통과할 때, LambertBeer의 법칙에 따라 그 광강도가 I로 감쇠하는 것을 이용하고 있다. 

여기에서 I/I0는 투과율, ε는 몰 흡광계수이다. 즉, 측정부 길이가 일정할 때 투과율을 측정하면 몰 농도 c를 구할 수 있다. 

저자 등이 개발한 시스템에서는 가솔린 엔진의 실린더에 삽입되는 점화 플러그에 적외흡수법을 이용한 센서를 설치, 점화 플러그 근방의 탄화수소 연료 농도를 계측한다. 연료 농도 계측에는 파장 3.392μm의 적외 He-Ne 레이저를 이용하고, 점화 플러그에 매립한 광학계까지 광파이버로 이들 적외광을 이끌었다. 이 시스템은 점화 플러그 근방의 국소적인 농도를 측정하는 것을 목적으로 하고 있으며, 점화 플러그에 설치된 광학계는 미러에 의한 더블 패스 방식으로 정도를 확보했다.

실린더 내 온도·압력에 의한 영향의 대응으로서는 몰 흡광계수의 온도·압력의존성을 조사, 계측 정도를 향상시켰다. 현재까지 모터사이클 엔진, 로터리 엔진 등에 이 시스템을 적용, 점화 플러그 근방의 연료·공기의 혼합기 형성 과정, 점화 시기의 공연비와 초기 연소 시간의 관계 및 연소 사이클마다의 변동 요인 등에 대한 지식을 얻었다. 또한, 분무 제어식 DISI 엔진에서도 연료 농도 계측을 실시하고 있다. 이상과 같은 엔진 실린더 내의 연료 농도를 계측하는 수법의 특징을 표 1에 정리했다.

▲ 표 1 엔진 실린더 내의 연료 농도 계측 수법

적외흡수법에 의한 분무 제어 방식 

연료 직분기관의 계측 예

이하에서는 저자가 실시해 온 계측 수법인 광학계를 점화 플러그에 설치, 적외흡수법에 의해 연료 농도 계측을 실시한 계측 예를 소개한다. 우선 그림 1에 더블 패스 방식의 광학계를 가지는 광학계 조립형 점화 플러그의 개략을 나타냈다. 이 광학계는 자동차용 가솔린 엔진의 점화 플러그에 광학계를 매립한 형상으로 되어 있으며, 점화 플러그를 이 광학계 조립형 점화 플러그로 치환함으로써 실제 기기에 개조를 가하지 않고 점화 플러그 근방의 연료 농도를 측정할 수 있다. 또한, 전극을 가지고 있기 때문에 농도 측정 시에도 기관의 통상 운전이 가능하다.

▲ 그림 1 광학계 조립형 점화 플러그

광학계로서는 2개의 광파이버, 사파이어 렌즈, 금속 미러로 구성하고 있다. 사파이어 렌즈는 연소 가스가 파이버에 접촉하는 것을 방지하면서 금속 미러에 의해 반사된 적외광을 수광 파이버에 대한 입사 효율을 높이고 있다. 더블 패스 방식의 광학계를 채용해 측정부 길이를 11.0mm로 길게 함으로써 측정 정도의 향상을 지향하고 있다. 이 광학계는 기존 개발한 것에 대해, 광학렌즈 형상, 광파이버 지름을 재검토함으로써 계측부의 광강도 손실을 보다 적게 하고 있다. 

광학계 전체의 개략을 그림 2에 나타냈다. 출력 8mW, 파장 3.392μm를 가지는 적외 He-Ne 레이저로부터 나온 적외광은 콜리메이터 렌즈에 의해 적외투과형 광파이버에 입사되고, 파이버 중을 전송되어 계측부로 이끌어진다. 사파이어 렌즈를 통과한 적외광은 연소실 내를 통과한 후 금속 미러에 의해 반사되고, 또 다른 한편의 적외투과형 광파이버로 이끌어진다. 적외광은 밴드 패스 필터를 통과한 후 적외 수광소자(MCT 광기전력 소자)로 이끌어진다. 

▲ 그림 2 적외흡수법에 의한 광학계

적외 수광소자로 광전 변환이 이루어지고, 이 신호를 해석함으로써 계측부의 연료 몰 농도(공연비) 측정을 한다. 콜리메이터 적외 He-Ne 레이저를 포함하는 발광부 및 밴드 패스 필터, 적외 수광소자를 포함하는 수광부는 제진대 상에 설치되어 있다. 

적외흡수법에 의해 연료 농도를 계측하기 위해서는 식(1) 중의 연료는 몰 흡광계수 ε가 필요하다. 고옥탄 가솔린의 흡광계수를 그림 3에 나타냈다. 여기에서 그림 3의 가로축은 온도를 나타내고, 세로축은 몰 흡수계수를 나타내고 있다. 실험값을 플롯으로, 실험값에서 구한 압력·온도에 관한 근사식 (2)로부터 계산한 결과를 선으로 나타냈다. 이들 값을 이용해 광학계 조립형 점화 플러그에 의해 검출한 투과율로부터 Lambert-Beer의 법칙에 의해 연료 농도를 계측하는 것이 가능해진다. 

▲ 그림 3 고옥탄 가솔린의 몰 흡광계수 및 그 근사식

여기부터는 실제 기기 엔진의 계측 예를 소개한다. 사용한 엔진은 보어×스트로크가 70×58mm, 배기량 223cc, 압축비 9.5의 냉각 4사이클 단기통 2밸브의 자동 이륜차용의 것이다. 배기관의 스로틀 밸브 직후에 분사 밸브를 장착, 가솔린을 흡기관에 분사하고 있다. 실린더에는 압력 변환소자를 장착하고 있다. 

연료로 레귤러 가솔린을 이용한 경우의 투과율 및 광학계 조립형 점화 플러그에 의해 얻어진 점화 시기 직전의 공연비를 나타냈다(그림 4). 설정 공연비는 17.0，엔진 회전수는 2000rpm이고, 연료 분사 시기(θinj)를 흡기 행정 중 상사점에서 30도 전과 120도 후로 변경함으로써 연료가 가솔린 내 유입하는 모습을 변화시켰다. 그림 4에 나타낸 EVC 등은 EVC(배기 밸브 클로징 시기), IVC(흡기 밸브 클로징 시기), EVO(배기 밸브 오픈 시기), IVO(흡기 밸브 오픈 시기)를 나타내고 있다. 

▲ 그림 4 점화 플러그 근방의 투과율 및 공연비(A/F비)

우선 통상의 연료 분사 시기인 흡기 상사점 전 30도의 경우, 흡기 행정 중에서는 실린더 내에 유입한 연료가 점화전 근방을 통과하기 때문에 크랭크 각도 300도 부근에서 투과율이 감소한다. 압축 행정 후반에 실린더 내 압력 상승에 동반해 투과율은 감쇠해 간다. 점화 후에는 화염이 측정부를 통과해 미연 가스가 없어지기 때문에 투과율이 급격하게 증가한다. 연료 분사 시기를 늦춘(흡기 상사점 후 120도) 경우, 흡기관에서 유입한 연료 증기는 크랭크 각도 180도 쯤에 점화전 부근을 통과한다. 통상 분사와 비교해 점화전 근방을 연료 증기가 통과하는 시기는 늦다. 피스톤에 의한 압축에 동반해 투과율은 감쇠하고 있다.

크랭크 각도 -80도 ATDC 상사점 전에서 TDC(상사점)까지 투과율 및 층류 유량계에 의해 구한 공기 유입량으로부터 구한 점화전 근방 공연비를 그림 4 (b)에 나타냈다. 여기에서 점선은 설정한 공연비(17.0)을 나타내고 있다. 통상의 연료 분사 시기의 경우, 점화전 부근에는 설정 공연비보다 약간 희박한 혼합기가 존재, 점화 시기에서 설정 공연비에 근접하고 있다. 

한편, 연료 분사 시기를 늦춘 경우 점화전 부근에는 약간 희박한 혼합기가 존재, 피스톤에 의한 압축에 동반해 점화전 근방 공연비(A/F비)는 설정 공연비보다 과농도의 상황으로 되어 있다. 점화 시기를 늦춤으로써 점화전 근방은 연료 농도가 짙고, 벽 근방에서는 희박한 혼합기가 존재하는 층상 혼합기가 형성되어 있다고 생각된다. 이와 같이 이 계측 시스템을 이용함으로써 점화전 근방의 혼합기 형성 과정을 파악하는 것이 가능하다.

이 수법은 고시간 분해능의 계측이 가능하기 때문에 사이클마다의 계측도 가능하다. 그림 5에 점화 시기의 점화전 근방 공연비과 연소 질량 비율로부터 구한 초기 연소 기간과의 관계를 나타냈다. 점화전 근방 공연비가 가능한 경우 초기 연소 기간은 짧아지고, 공연비가 희박해짐에 따라 초기 연소 기간도 길어진다. 이와 같이 이 계측 수법을 이용함으로써 사이클 변동을 고려하는 것이 가능해진다. 

▲ 그림 5 점화 시기의 공연비(A/F비)와 초기 연소 기간(θ(0-10))의 관계

다음으로 분무 제어식 DISI 엔진의 계측 예를 나타낸다. 그림 6은 분무 제어식 DISI 엔진 내의 연료 분무 밸브와 점화 플러그 배치를 나타내고 있다. 이 측정에는 단기통의 4스트로크 사이클 DISI 엔진을 이용했다. 보어, 스트로크는 각각 86mm이고, 압축비는 9.6：1이다. 연료 분무 밸브는 펜트 루프형 실린더 헤드 정점에 위치하고 있으며, 광학계 조립형 점화 플러그는 배기 밸브의 장소에 위치하고 있다. 스프레이 가이드 시스템은 점화 플러그 부근에 층 모양 혼합기를 형성한다. 실험 조건은 NMEP=400kPa, (A/F)0=40으로, 연료 분사 시기를 변경해 실험을 했다.

▲ 그림 6 분무 제어식 DISI 엔진의 광학계 조립형 점화 플러그의 레이아웃

그림 7에 연료 분사 시기를 3조건(EOI:52，48，44deg.BTDC)으로 변화시켰을 때의 투과율, 실린더 내 압력, 공연비를 나타냈다. 여기에서 EOI(End of injection)는 분사 종료 시기를 나타내고, ATDC(After top dead center)는 하사점을 나타내고 있다. 이것은 100사이클의 평균값이다. 각각의 연료 분사 시기에 대응해 투과율의 감쇠 시기가 변화했는데, 공연비는 최소 8~12로 어느 것이나 농도 짙은 혼합기가 점화 플러그 근방에 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 분사 기간 중 점화 플러그 부근을 연료가 통과하면 투과율은 감소한다. 점화 후 측정 영역을 화염이 통과, 연료가 연소함으로써 투과율은 급격하게 증가한다.

▲ 그림 7 실린더 내 압력, 투과율 및 계측한 공연비(A/F비)

이와 같이 저자 등이 개발한 광학계 조립형 점화 플러그를 이용함으로써 분무 제어식 DISI 엔진의 점화 플러그 주변의 증발 연료 농도를 계측할 수 있었다. 설정 공연비 40과 같은 초희박 운전에서도 점화 플러그 주변에는 분사 기간 중 가연 혼합기가 존재하는 것을 나타냈다.

맺음말

이 글에서는 엔진 실린더 내의 연료 농도 계측 방법에 관해 해설했다. 실제로 제품화되어 있는 가스 샘플링법과 LIF법 및 저자 등이 개발한 적외흡수법을 이용한 실용 엔진 점화 플러그 근방 연료 농도 계측 시스템에 관해 설명을 했다. 특히 저자 등이 개발한 점화 플러그 조립형 연료 농도 계측 시스템을 이용한 계측 사례를 설명했다.

가솔린 등 탄화수소계 연료의 몰 흡광계수에는 분위기 압력·온도의존성이 있다. 엔진에서는 분위기 압력·온도가 시시각각 변화하므로 적외흡수법을 이용해 연료 농도를 정량적으로 평가하기 위해서는 연료의 몰 흡광계수 압력·온도의존성을 고려할 필요가 있다. 점화 플러그에 광파이버를 이용한 광학계를 설치, 실용 기관의 계측을 가능하게 했다.

또한, 더블 패스 방식을 채용, 센서 광학계, 측정부 길이 등을 최적화함으로써 장시간 게측이 가능하고 실용 엔진이나 분무 제어식 DISI 엔진에서 점화 플러그 근방 혼합기 형성 과정 및 그 사이클 변동을 파악하는 것이 가능하다. 이들 기술을 유효하게 이용함으로써 엔진의 고효율(저연비)화가 가능해지고, 지구온난화 등의 환경 대책에도 기여할 수 있을 것으로 생각하고 있다. 

河原 伸幸

오카야마대학 대학원 자연과학연구과

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.