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    신진연구자인터뷰는 기계및 건설분야의 세계적인 과학 학술지에 논문을 게재한 한국인 연구자들의 연구성과와 연구자 정보를
    여러 연구자와 기관 등에 소개하고자 기획되었습니다. 대상은 주로 대학원 석사이상의 최근 5년이내 관련분야의
    대표 학술지나 학술대회에 논문을 투고한 사람입니다. 대상문의(ariass@naver.com)

    • 김남호(Namho Kim)
      가솔린 연료 특성이 엔진 노킹 현상 및 입자상 물질 배출에 미치는 영향에 대한 연구
      김남호(Namho Kim)(Sandia 연구소)
      이메일:nhkim.0321 at gmail.com
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    1. 본인의 연구에 대해서 소개를 부탁 드립니다.

    최근 전기자동차에 대한 관심이 높아지고 있으며 판매량도 꾸준히 증가하고 있습니다. 그러나 차량의 동력원으로써 내연기관이 차지하는 비중이 더 높기 때문에 친환경 엔진 기술 개발은 여전히 주요한 과제로 자리잡고 있습니다. 전 세계에서 두 번째로 큰 자동차 시장을 형성하고 있는 북미에서는 친환경 엔진 기술의 개발에 있어서 엔진 자체의 기술 뿐만 아니라 엔진에 사용되는 연료의 특성 또한 주요한 연구 대상으로 간주하여 엔진과 연료의 동시 최적화를 위한 광범위한 프로젝트를 추진하고 있습니다. 저는 현재 이 프로젝트에 참여하여 가솔린 엔진에서 발생하고 있는 노킹 현상과 입자상 물질 배출 특성이 연료 특성에 따라서 어떻게 변화하는지, 그리고 그러한 현상이 나타나는 이유를 이해하기 위한 연구를 진행하고 있습니다.
    가솔린 엔진에서 노킹은 늘 그림자같이 따라다니며 효율 향상에 어려움을 주는 현상으로 여전히 큰 걸림돌로 남아있습니다. 노킹 (knocking) 은 문자 그대로 벽면을 두드리는 듯한 소음을 동반하는 비정상 연소 현상을 가리키며, 강도가 심한 경우 엔진의 파손을 야기할 수도 있습니다. 노킹의 발생 원인은 다음과 같습니다. 본래 가솔린 엔진에서는 연료와 공기 혼합하여 압축한 뒤 점화 플러그를 이용하여 혼합기를 연소 시킴으로써 연료의 화학적 에너지를 운동 에너지로 변환합니다. 그러나 점화 플러그로부터 전파되는 화염이 연소실 벽면까지 도달하여 연료와 공기의 혼합기가 모두 연소되기 이전에 점화 플러그로부터 가장 먼 곳에 있는 혼합기가 연소 과정과 피스톤의 움직임으로 인하여 압축/가열되어 자발화 (self-ignition 혹은 auto-ignition) 되는 경우가 있습니다. 적은 양의 혼합기가 자발화 되면 큰 문제가 되지 않지만 많은 양의 혼합기가 동시 다발적으로 자발화 되면 소음을 동반하는 노킹이 발생하게 됩니다. 가솔린 엔진의 경우, 엔진의 압축비를 높이는 것이 효율 향상을 위하여 중요하지만 압축비가 높을수록 노킹이 발생하기 쉬워지는 문제로 인하여 압축비 상향이 제한되고 있습니다.
     

    노킹 발생 억제를 위하여 다양한 기술들이 있으나 노킹에 대한 저항성을 나타내는 옥탄가가 높은 연료를 사용하는 것도 하나의 방법입니다. 그러나 최근 연구소에서 진행된 연구에 따르면 옥탄가가 동등하더라도 연료의 구성 성분에 따라서 노킹 특성이 크게 변화하는 것으로 확인되었습니다. 이는 옥탄가의 측정이 이루어지는 실험 조건이 실제 엔진이 작동되는 조건을 모두 대변하지 못하는 것과 연료의 구성 성분의 화학적 반응 특성이 엔진 작동 조건에 따라서 차이를 보이기 때문입니다. 가솔린 연료의 구성 성분은 각 국가별로, 그리고 계절별로도 차이가 나기 때문에 글로벌하게 판매되고 있는 엔진의 경우, 연료 성분의 변화에 따라서 노킹 특성이 달라져서 성능에 영향을 미칠 수 있으므로 연료 특성이 노킹에 미치는 요인에 대한 연구가 추가적으로 필요한 상황입니다. 연료의 구성 성분과 노킹 특성의 관계에 대하여 보다 더 깊은 이해를 위하여 실험적 기법 뿐만 아니라 화학 반응 메커니즘을 이용한 해석도 동시에 진행하고 있습니다.
    2010년도 이후부터 널리 사용된 GDI 엔진은 기존 PFI(혹은 MPI) 엔진 대비 출력이 높고, 더 높은 압축비 사용이 가능하여 효율도 높습니다. 그러나 입자상 물질의 배출량이 증가하는 문제점이 있는 관계로 전세계적으로 많은 연구가 진행되고 있습니다. 입자상 물질이 생성되는 주 요인은 연료와 공기가 완전히 균일하게 섞이지 못하는 현상이 꼽히고 있습니다. 연소실 내부 유동의 강화 및 인젝터 기술의 발전 등으로 보다 균일한 혼합기 형성이 가능해짐으로 인하여 입자상 물질 배출량이 대폭 줄어들고 있지만 앞서 설명한 노킹 현상이 연료에 따라 변화할 수 있는 것과 같이 입자상 물질 또한 연료 특성에 따라서 배출량이 크게 변화됩니다. 이에 연료의 특성의 변화에 따라서 연소실 내부에서 일어나는 현상이 어떻게 변화하는지 이해하기 위하여 연소실 내부를 직접 관측할 수 있는 엔진 및 다양한 계측 방법을 이용하여 연구를 진행하고 있습니다.

     

    2. 본인의 대표 논문을 소개해 주세요.

    1) D. Vuilleumier, N. Kim, M. Sjöberg, N. Yokoo, T. Tomoda, K. Nakata, “Effects of EGR Constituents and Fuel Composition on DISI Engine Knock: An Experimental and Modeling Study”, SAE Technical Paper, 2018-01-1677.
    2) J. Chung, N. Kim, H. Choi, K. Min, “Study on the effect of injection strategies on particulate emission characteristics under cold start using in-cylinder visualization”, SAE Technical Paper, 2016-01-0822.
    3) N. Kim, S. Cho, H. Choi, H.H. Song, K. Min, “The efficiency and emission characteristics of dual fuel combustion using gasoline direct injection and ethanol port injection in an SI engine”,
    SAE Technical Paper, 2014-01-1208.
    4) N. Kim, S. Cho, K. Min, “A study on the combustion and emission characteristics of an SI engine under full load conditions with ethanol port injection and gasoline direct injection”, Fuel 158, 725-732.



     

    3. 최근에 BMW 화재사건 등으로 EGR(배기가스 저감장치)가 주목을 받고 있습니다. EGR은 어떤 원리로 구현되는지?

    EGR이란 exhaust gas recirculation의 줄임말로 배기가스 재순환을 의미합니다. 이름이 뜻하는 바와 같이 엔진 연소실에서 압축-연소-팽창 과정을 마치고 배출되는 배기가스를 다시 엔진 흡기관에 순환시키는 기술입니다. 엔진에서 배출되는 배기가스에는 연료와 공기가 연소되어 생성되는 이산화탄소 (CO2)와 물 (H2O)을 비롯하여 공기 중에 존재하는 질소 (N2)를 포함하고 있으며, 때에 따라서는 산소(O2)를 포함하는 경우도 있습니다. 질소와 이산화탄소, 물은 흡기관으로 재순환되어 다시 엔진 연소실에 공급되면 연료를 산화시키는 연소 화학 반응에 직접적으로 참여하지 않지만 연소 과정 중의 온도를 낮추는 효과가 있습니다. 연소 과정에서 생성되는 질소산화물 (NOx)은 연소 과정 중의 온도에 따라서 그 생성량이 크게 좌우되며, 온도가 높을수록 생성량이 기하급수적으로 증가하게 됩니다. 이에 연소 과정 중의 온도를 낮춤으로써 질소산화물을 크게 저감할 수 있으며 이것이 EGR을 사용하는 목적입니다.



     

    4. 연구 중에 어떤 극복해야 할 문제가 있었고 이를 어떻게 해결하셨는지?

    엔진은 상당히 복잡한 시스템이며 결과를 설명하기 위한 인과관계가 명확하지 않은 경우가 상당히 많습니다. 비록 다양한 해석 툴이 존재하고 실험 결과에 대한 이해를 제공할 수 있지만 실험과 해석을 혼자서 진행하는 것은 매우 어렵기 때문에 항상 팀워크가 중요하게 작용하였습니다. 또한 실험을 주로 진행하는 사람은 해석 툴에 대한 이해가 부족하거나, 반대로 주로 시뮬레이션을 진행하는 사람은 실험 과정에 대한 이해가 부족한 경우가 종종 있었습니다. 이러한 경우 원활한 토의를 진행하는 것이 쉽지 않았습니다. 시간이 걸리더라도 차근차근 상대 분야에 대하여 기초 지식을 쌓는 것을 함께 협업하는 연구원들과 진행함으로써 실험과 해석 사이에 존재하는 격차를 줄이고 문제점들을 함께 해결해 나갈 수 있었던 것 같습니다.


    5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

    최근 진행하고 있는 연료의 특성에 따른 노킹과 입자상 물질 배출량 변화에 대한 연구에 있어서 관측되는 현상에 대한 이론적인 인과관계를 찾는 것과 각각의 요인들이 복합적인 결과에 기여하는 정도를 정량화 하여 추후 친환경 엔진 기술 개발에 기여하는 것이 가장 큰 목표입니다. 현재 박사 후 과정을 진행하고 있는 Sandia National Lab.의 엔진 연소 그룹은 엔진 연소실 가시화에 특화되어 있으며 다양한 레이저 계측 방법에 대한 노하우를 보유하고 있으므로 본 연구를 진행하는 데에 있어서 큰 도움을 받을 수 있을 것으로 기대합니다.

     

    6. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소, 지도 교수에 대해 소개 부탁 드립니다.

    박사학위를 취득한 서울대학교 동력공학연구실에서는 가솔린 엔진과 디젤 엔진 연소에 대한 연구를 비롯하여 인젝터 (연료 분사기)의 가시화, 차량용 연료 전지에 대한 기초연구를 진행하고 있습니다. 실험 뿐만 아니라 0D 및 1D, 3D 해석을 함께 진행할 수 있는 역량을 갖추고 있어서 주어진 문제에 대한 실험 및 이론적 접근이 가능한 연구실입니다. (http://engine.snu.ac.kr/) 저의 지도교수님이셨던 민경덕 교수님께서는 대학원 연구실 구성원보다 늘 열정이 가득하셨던 분이며 연구 분야에 대한 전문 지식 뿐만 아니라 인생의 선배로서 많은 조언을 아낌없이 주셨습니다. 또한 시간이 오래 걸리더라도 기본적인 이론을 이해하고 한 단계씩 적용하는 것이 최종적으로 문제 해결에 더 크게 기여함을 가르쳐 주셨습니다.

     


    현재 박사 후 과정으로 있는 Sandia National Lab - CRF (Combustion Research Facility)에서는 엔진 연소 뿐만 아니라 연소 화학, 반응성 유동, 여러 계측 방법론 등 연소 전반에 걸쳐서 다양한 연구가 진행되고 있습니다. 엔진 연소 그룹에서 사용하고 있는 시험용 엔진은 모두 연소실 내부를 가시화 할 수 있도록 설계되어 있는 것이 특징입니다. 이 곳 Sandia National Lab – CRF 에서는 신연소 기술에 관련한 물리 현상을 연구하는 랩이 여러 곳 있으며 각각 랩을 담당하고 있는 PI (principal investigator) 아래 1~2명의 박사 후 과정이 있습니다. 모두 각자의 일에 바쁜 나날을 보내고 있지만 언제나 풍성한 조언과 토론하는 것을 통하여 함께 새로운 것을 배워가는 분위기가 형성되어 있습니다.

     


    7. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

    엔진 연소실을 가시화하는 실험은 일반 엔진 실험에 비하여 더 많은 시간과 노력을 요구합니다. 그러나 실제 엔진에서 일어나는 현상을 눈으로 직접 보게 될 때 큰 보람을 느낄 수 있는 것 같습니다. 어떤 이야기를 글씨만 가득한 소설책으로 접하는 것과 영화를 통하여 보는 것의 차이라 이야기 할 수 있습니다.

     


     

    8. 이 분야로 진학하려는 후배(또는 유학 준비생)에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

    최근 내연기관의 존재가 크게 위협받고 있는 것은 사실이지만 여전히 실수요가 높으며 향후 20~30년간 자동차의 주 동력원으로 사용될 것으로 전망이 되고 있습니다. 연비 규제 등이 강화됨에 따라서 내연기관의 전동화 (electrification)가 진행되고 있으나 플러그인 하이브리드, 마일드 하이브리드 등의 하이브리드 자동차도 내연기관을 기본으로 하고 있기 때문에 앞으로도 친환경 엔진 기술에 대한 연구가 필요할 것이라 믿습니다.


     

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    전체댓글 1

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    |2018.09.27
    자동차의 내연기관은 여러가지 전자적인 부분들이 결합이 되었지만. 본질적인 원리는 발명된 이래로 크게 바뀌지 않은거 같네요. 아직 모터를 사용하는 전기자동차가 내연기관만큼 성능이 나쁘거나 효율이 낮아서 일까요?
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