1차원 시뮬레이션을 이용한 흡기 밸브 타이밍의 변화에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 연소 및 배기 특성에 관한 연구

Abstract

자동차로부터의 배출물질 중 지구 온난화의 주원인인 CO2 배출량의 저감은 환경보호 차원에서 자동차 업계의 가장 큰 관심사이다. 그 구체적인 방책으로는 궁극적으로 탄화수소계 연료를 사용하지 않는 전기자동차와 연료전지 자동차의 대중화일 것이며, 현재로서는 고성능 친환경 디젤차와 하이브리드 자동차가 그 과도기적 역할을 해주고 있다. 가솔린 엔진의 경우에는 연비 및 CO2 배출성능의 향상 능력을 지닌 가솔린 직접 분사(DISI, Direct Injected Spark Ignition or GDI, Gasoline Direct Injection) 시스템을 적용한 차량이 한 대책으로서 인식되고 있다. DISI 엔진에서는 기관의 운전조건에 알맞는 밸브 타이밍을 선정하여 출력 성능의 최적화와 배출가스 저감에 기여하므로 VVT 기술의 활용은 기관의 성능 및 청정연소를 이루기 위한 기본적인 연구 방향이 되고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 1차원 엔진 모델링에 의한 시뮬레이션을 통해 흡기밸브 타이밍 변화에 따른 DISI 엔진의 동력 및 배기 성능을 평가하여 엔진 출력을 최적화하기 위하여 각 엔진 회전속도에 적합한 흡기밸브 타이밍을 선정하였다. 엔진 출력의 최적화를 위한 각 운전조건에 맞는 최종적인 흡기밸브 타이밍을 얻기 위한 첫 번째 단계로서 기본 엔진 본래의 캠 타이밍에서 배기밸브 타이밍은 고정시키고 흡기밸브를 열림 타이밍 기준으로 BTDC 0°에서 BTDC 45°까지, 5도 간격으로 변화시켜 성능 해석을 하였다. 이를 통하여 우수한 동력성능을 보여주는 흡기밸브 타이밍을 1차적으로 선정하였다. 다음 단계로서 1차적으로 선정되어진 흡기 밸브 타이밍을 중심으로 1도씩 변화를 주어 5개의 진각값 그리고 5개의 지각값에 대하여 보다 정밀한 분석을 하였다. 이와 같은 동력과 배기 성능 및 연료소비율의 시뮬레이션 해석 결과를 토대로 최적 흡기밸브 타이밍을 도출하였다. 저·중속 조건에서는 기준 타이밍보다 진각된 값을 채택하였으며, 5500rpm 이상의 조건을 위해서는 기준 타이밍보다 지각된 타이밍을 선정하여, 적합한 흡기밸브 타이밍을 적용함으로써 출력 상승을 얻을 수 있었다. 결론적으로 엔진 출력을 최적화하기 위해서는 엔진 회전수에 따른 각기 다른 밸브 타이밍의 적용이 요구되며, 다양한 타이밍 조건에서의 성능 해석은 엔진 개발에 있어 매우 중요한 과정임을 알 수 있었다. 또한 이를 위해 VVT 기술의 적용은 필수적일 것이다. 본 연구에서와 같이 엔진 모델링에 의한 시뮬레이션을 이용한다면, 실제 엔진 실험에 앞서 엔진 제어 변수들에 따른 경향 분석을 통하여 엔진 실험시에 각 제어 변수의 초기 대입값에 대한 선정 범위를 좁힐 수 있고, 결국 최종적인 엔진 적용값을 얻기 위해 요구되는 실험기간과 비용 및 인력을 최소화하는데 기여할 것이다.