논문#1 논문명 가솔린 직접 분사식 엔진에서의 실린더 내 화염 거동과 입자배출물 특성 저자 김태훈, 전준호 심각한 환경오염문제와 규제로 인하여 디젤기관의 수요가 줄고 강화되는 CO2 규제와 고효율, 저배기를 만족하기 위하여 GDI 기관을 개발 양산하고 있다. GDI 엔진은 고압축비와 고출력을 가능하게 하고 희박연소를 통하여 연료저감을 향상시킬 수 있는 기관이다. 그러나 GDI 엔진에서 발생하는 입자성 물질(Particulate matter)이 기존 가솔린 엔진에 비해 다량으로 발생하고 후처리 장치를 장착한 디젤기관보다 더 많은 PN(Particulate Number)이 배출되어 이에 따른 환경 규제가 강화되고 있다.

유로6 규제는 2014년부터 23nm 이상의 고형 입자성 물질(Solid particles)에 대해서 배출 개수를 6×1012/km로 제한하고 있으며 2017년부터는 강화된 규제로 6×1011/km를 적용하여 배출 규제를 적용하고 있다. 미국과 국내의 경우 현재까지는 배출 질량 농도 규제만 이루어지고 있으나 GDI 기관에서의 입자성 물질 개수 배출 규제를 강화할 예정이다. 강화되는 배출 규제에 대응하기 위하여 가솔린 직접분사 엔진에서의 입자성 물질 저감에 대한 다양한 기술들이 개발되고 있다.

최근에는 기존 디젤기관과 같이 배기라인에 GPF를 장착하여 입자 배출물 저감을 시도하려는 연구들이 진행되고 있다. 이와 함께 효과적인 입자배출물 저감을 위해 GDI 기관에서 발생되는 입자배출물의 크기, 생성원인과 메커니즘, 특성에 대한 연구들이 함께 수행되고 있다.

본 연구는 직분사 가솔린 엔진에서의 희박연소와 이론공연비 연소 모드에서 연소, 화염 거동 및 입자물질의 특성에 대해서 시험을 하였다. 다단분사를 통한 고속 고부하에서의 안정적인 희박연소가 가능하며 이를 통해 이론공연비 연소에 비해 최대 10 %의 연료소비를 감소할 수 있다. 입자성물질의 질량 농도는 이론공연비 연소에서 배출되는 큰 입자의 개수 농도가 희박연소보다 다량으로 배출되며 전형적인 Bimodal 농도 분포와 다르게 입자크기별 개수 농도가 유사한 평평한 형태의 농도 분포 특성을 가진다.

화염확산 거동은 이론공연비에서는 운전조건과 관계없이 예혼합연소 거동을 보이는 반면 희박연소에서는 농후한 혼합기의 연소로 인해 강한 화염이 급격하게 발생하고 확산 화염의 거동을 나타낸다. 연소모드에 따른 입자배출물은 입자 크기가 50nm 이상인 경우 연소특성에 대한 영향을 받는 반면 50 nm 이하의 경우 초기 분사된 연료에 의한