수소 첨가 스파크 점화(SI) 엔진의 연료 종류에 따른 연소 및 연비 특성에 대한 수치해석 연구

Abstract

전 세계적으로 강화되고 있는 자동차 연비 규제에 대응하기 위해 많은 기업과 연구소에서는 관련 기술 개발에 지속적인 노력을 기울이고 있다. 그중 대체 연료를 적용하는 기술은 최근 화석 연료 사용량의 급증으로 인해 발생하는 화석 연료의 유한성에 관한 우려와 함께 큰 관심을 받고 있다. 특히 LPG 연료와 수소 연료는 자동차 연료로서의 장점들로 인해 주목받고 있다. LPG 연료의 경우 저공해 연료로 인정받아 세계적으로 많은 기술 개발이 이루어지고 있으며 수소 연료의 경우 연소 시 이론적으로 오직 만을 발생시키는 청정 연료이자 단위 질량 당 높은 저위발열량, 빠른 연소 속도, 넓은 가연 범위 등의 특징으로 인해 주목받고 있다. 본 연구에서는 SI 엔진에 가솔린 연료와 LPG 연료를 사용하는 각각의 경우에 대해 수소를 첨가하는 연구를 진행하였다. 또한, 실제 실험을 통한 연구 수행으로 발생할 수 있는 다양한 위험성 및 연구 수행의 어려움 등을 방지하고 연구기간 및 연구비용의 절감 효과를 기대할 수 있도록 수치해석 기법을 적용하여 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 1-D 시뮬레이션 상용 소프트웨어인 AMESim을 사용하여 SI 엔진의 시뮬레이션 모델을 구현하였으며 실제 엔진 실험의 결과를 통해 구현한 시뮬레이션 모델의 신뢰성을 검증하였다. 신뢰성 검증이 완료된 시뮬레이션 모델에 가솔린 연료와 LPG 연료를 적용하였으며 추가적으로 수소 첨가 모델링 과정을 수행하였다. 이때 본 연구에서는 첨가된 수소를 탄화수소계 연료를 이용한 개질 반응을 통해 취득한 것으로 고려하였다. 최종적으로 가솔린 연료를 적용한 가솔린 엔진 모델과 LPG 연료를 적용한 LPG 엔진 모델에 수소를 첨가하여 수치해석 계산을 진행하였으며 시뮬레이션 모델의 수치해석 계산 결과를 통해 SI 엔진의 수소 첨가에 의한 연소 특성 및 연비 특성을 파악하였다.