본문 바로 가기

로고

국내 최대 정보 기계·건설 공학연구정보센터
통합검색 화살표
  • Diamond Wire Saw 3500 Primium
  • 신진연구자인터뷰

    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)

    • 김주한(Joohan Kim)
      가상 엔진 시뮬레이션 연구를 통한 고효율·저배기 내연기관 개발
      김주한(Joohan Kim)(Argonne National Laboratory)
      이메일:joohan.kim.87 at gmail.com
      377 0 1

    1. 본인의 연구에 대해서 소개를 부탁 드립니다.

    저는 학위 과정 중에 직접분사식 가솔린 엔진(Gasoline Direct Injection, GDI)의 주요 배출물 중의 하나인 입자상물질을 저감시키기 위한 노력의 일환으로써, 연소 및 입자상물질 배출 과정을 전산유체역학(Computational Fluid Dynamic, CFD)을 기반으로 모델링하고 이를 예측할 수 있는 가상 엔진 모델을 개발하는데 주력하였습니다. GDI 엔진은 연료를 실린더 내부에 직접 분사하는 방식을 채택하고 있으며, 기존의 포트 분사식(Port Fuel Injection, PFI) 엔진과 비교하여 열효율과 출력이 높다는 것이 특징입니다. 다만 실린더 벽면에 일부 점착한 연료 액막 혹은 미처 공기와 균일하게 섞이지 못한 연료로 인해 입자상물질 배출이 증가한다는 단점을 안고 있습니다. GDI 엔진에서 배출되는 입자상 물질은 연료의 물성치, 연료 분사 시점, 분사 압력, 분무 패턴, 연소실 형상 등에 크게 좌우되는 것으로 알려져 있고 인자 간의 상호관계로 실험을 이용한 최적화에는 많은 비용과 시간이 요구됩니다. 한편 고성능 컴퓨터와 고정확도 CFD 모델을 기반으로 하는 가상 엔진은 현상의 정량적 분석 및 변수 최적화에 매우 효과적이며 엔진 개발 프로세스에 매우 중요한 역할을 하고 있습니다. 제 연구에서는 가상 엔진 모델의 예측 신뢰도를 향상시키기 위하여 연료 모델, 분무 모델, 연소 모델, 배출 모델을 개발하였고 각 모델을 실험 및 문헌 데이터와 비교 검증했습니다.

    우선 연료 모델에서는 가솔린의 증발 특성과 화학 구조 특성을 고려하였습니다. 앞서 언급한 바와 같이 실린더 내부의 연료 기화 및 공기와의 혼합이 입자상물질 형성에 주요한 영향을 미치므로 증발 특성이 잘 모사되어야 합니다. 또한 입자상물질은 다환형 방향족 탄화수소(Polycyclic Aromatic Hydrocarbon, PAH)의 복합물로서 연료의 화학구조 특성도 고려되어야 합니다. 다음으로 분무 모델은 연료 공기의 혼합 및 연료 액막 점착을 예측하는데 매우 중요한 모델이며, 큰 연료 액적이 보다 작은 액적들로 쪼개지는 분열 과정, 인젝터로부터 분사되는 가솔린의 분무 도달 거리 등이 정확하게 모사되어야 합니다. 연료의 분사 이후 압축행정 말기에 점화 플러그를 통해 연소가 시작되는데, GDI 엔진은 기본적으로 가솔린 엔진의 화염전파 모드로 연료-공기 혼합기를 연소시킵니다. 이 때 연료가 국부적으로 농후한 지역에서는 층류화염속도가 느려지고 동시에 입자상물질이 활발하게 형성됩니다. 제 연구에서는 Level-set 기법의 G-equation 난류연소모델을 기반으로 연소 과정을 모사하였고, 탄화수소 복합물인 가솔린 연료의 층류화염속도를 예측할 수 있는 모델을 제안하였습니다. 마지막으로 입자상물질 모델은 배출물의 시초가 되는 PAH 농도를 예측하는 라이브러리와 입자상물질 간의 핵화, 응고, 표면 성장 및 산화 등의 에어로졸 역학으로 구성되어 있습니다. 개발된 모델들은 하나의 가상 엔진 플랫폼에 통합되어 최종적으로 GDI 엔진의 실험 데이터와 비교하였고, 연소 과정을 나타내는 실린더 압력과 입자상물질의 배출 수준을 검증하였습니다.



    2. 본인의 대표 논문을 소개해주세요.

    - J. Kim and K. Min, “Modeling Laminar Burning Velocity of Gasoline Using an Energy Fraction-Based Mixing Rule Approach”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 2018.
    (https://doi.org/10.1177/0954407018768396)

    - J. Kim, N. Kim and K. Min, “Numerical investigation of soot emission in direct-injection spark-ignition engines using a detailed soot model framework”, SAE Technical Paper, SAE 2016-01-0580, 2016.
    (https://doi.org/10.4271/2016-01-0580)

    - J. Kim, G. Kim, H. Lee and K. Min, “Numerical analysis of pollutant formation in direct-injection spark-ignition engines by incorporating the G-equation with a flamelet library”, SAE Technical Paper, SAE 2014-01-1145, 2014.
    (https://doi.org/10.4271/2014-01-1145)


    3. 고효율과 저 배기를 만족시키 위한 가솔린 엔진의 가장 중요한 개발 방향이 무엇이며, 특히 점화 계통에서 어떤 기술이 요구되나요?

    엔진의 열효율은 압축비와 비열비의 함수로 정의됩니다. 압축비가 높을수록 혹은 연료-공기 혼합기의 비열비(k)가 공기(k=1.4)와 비슷할수록 열효율은 증가합니다. 따라서 고압축비와 공연비가 희박한 조건에서 연소되는 엔진이 이론적으로 높은 열효율을 갖는다고 볼 수 있습니다. 다만 연료-희박 조건에서는 배기가스를 정화시키는 삼원촉매가 질소산화물 환원 작용을 충분히 하지 못하는 한계가 있습니다. 따라서 이론공연비에서 운전되는 다운사이징 가솔린 엔진에 대해 많은 연구 개발이 진행되고 있습니다. 이는 PFI 엔진보다 고압축비를 갖는 GDI 엔진에 터보차저를 이용하여 엔진 작동점을 효율이 좋은 영역(sweet spot)으로 이동시켜 연비 향상을 극대화하는 기술입니다.

    한편 다운사이징 엔진의 장점을 살리기 위해서는 노킹(knocking)이라는 숙제를 풀어야 합니다. 노킹은 전기 점화(spark ignition)가 만든 화염면으로 연소되기 전에 연료의 자발화로 인해 엔진에 기계적인 무리 혹은 파손을 야기할 수 있는 물리 현상입니다. 고부하 조건에서 압축비를 높이거나 터보차저로 과급하게 되면 특히 고부하 조건에서 실린더 내부에 고온·고압 환경이 형성되고, 이 때 노킹현상이 발생할 가능성이 높습니다. 따라서 다운사이징 가솔린 엔진은 노킹을 억제하면서 고압축비·터보차저의 장점을 살리는 것이 매우 중요합니다. 최근 디젤 엔진에서 주로 사용되어 오던 EGR(Exhaust Gas Recirculation)을 가솔린 엔진에도 적극적으로 사용하여 연소 온도를 낮추고 있습니다.

    EGR이 들어간 희박 연소(dilute combustion)는 특성상 화염전파속도를 낮추고 점화·연소 불안정성이 뒤따르는 한계가 있습니다. 이를 극복하기 위하여 최근에는 예연소실 점화(pre-chamber ignition), 저온 플라즈마 점화(low-temperature plasma ignition), 코로나 점화(corona ignition), 레이저 점화(laser ignition) 등의 고급 점화시스템이 개발되고 있습니다. 그 중에서 예연소실 점화 방식은 기존의 점화플러그를 사용하되 예연소실의 연료-공기 혼합기를 점화시키는 것으로 기타 방법들보다 가격이 싸고 접근 방법이 용이합니다. 예연소실에서 연소된 난류 제트가 오리피스(orifices)들을 통해 분출되고, 제트는 기연 가스를 포함하기 때문에 고온 상태이며 넓은 점화 면적으로 빠른 연소율을 확보하는데 기여합니다. 결론적으로 EGR 희박 연소로 운전되는 다운사이징 가솔린 엔진은 고효율 파워트레인으로 자리매김할 것으로 전망되며, 안정적인 점화를 위한 고급 점화 시스템의 개발이 지속적으로 이루어져야 할 것입니다.


    4. 전기자동차와 모터의 발전으로 자동차에서 현재의 내연기관이 대체될 것으로 전망되고 있는데. 그럼에도 불구하고 현재의 내연기관이 앞으로 개선이나 발전될 여지가 있는건지 궁금합니다.

    최근 자율주행과 더불어 전기자동차 혹은 전동화가 자동차 산업계의 가장 큰 화두로 떠오르고 있습니다. 이에 반하여 디젤게이트나 국내 미세먼지 이슈와 결부하여 내연기관에 대한 대중의 인식이 점차 변하고 있습니다. 그러나 MIT에서 발표한 “On the Road toward 2050”[1]이나 미국 에너지부에서 공동 연구팀이 발표한 로드맵[2]에서는 여전히 향후 수십년간 내연기관은 자동차의 주력 동력원으로 사용될 것을 전망하고 있습니다. 또한 내연기관 자동차, 하이브리드, 플러그인 하이브리드, 전기자동차 등 다양한 차종이 공존하며, 운전 거리와 조건에 따라 선택적으로 사용될 것으로 예상하고 있습니다. 한편 전기자동차를 제외한 나머지 동력원은 모두 내연기관을 탑재하므로 고효율·저배기화에 대한 연구 개발이 지속적으로 진행되어야 합니다. 수십년 전의 기술 수준과 비교했을 때 현재의 내연기관은 GDI, cooled EGR dilution 등의 신연소 컨셉을 탑재하였고, 인젝터 및 터보차저 등과 같은 핵심 부품들은 정밀 제어가 가능해지고 과도 응답성이 개선되었습니다. 엔진은 복합 시스템으로 운전 인자 및 부품 간의 최적화 정도가 그 효율 향상에 지대한 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 점을 인식하여 미국 에너지부는 소형 자동차에 대하여 엔진 시스템만을 단독적으로 연구했을 때 2015년의 효율 대비 2025년에 25% 개선을 목표로 하지만, 각 엔진에 최적화된 연료도 함께 연구한다면 35% 향상을 목표로 삼고 있습니다.




    5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

    현재 소속된 아르곤 국립 연구소에서는 슈퍼컴퓨팅 리소스를 이용하여 High fidelity 엔진 시뮬레이션을 지향하는 다양한 연구를 진행 중에 있습니다. 학위 과정 중에는 엔진 이론과 현상에 대한 정확한 이해를 키우고 실험과 협력하여 모델을 개발하는 법을 배웠다면, 앞으로는 비약적으로 발전하고 있는 컴퓨팅 기술을 적극적으로 활용할 수 있는 방법에 대해 모색하고 엔진 시뮬레이션의 신뢰도를 높이는데 주력할 생각입니다.


    6. 본인이 영향을 받은 다른 연구자나 논문이 있다면?

    석사과정을 지내던 당시 가솔린 엔진의 점화 모델을 연구하면서 Rainer Dahms (Sandia National Laboratories)가 발표한 spray-guided GDI 엔진의 점화 현상을 모델링한 논문[3]을 접하게 되었습니다. 해당 논문은 광계측 엔진에서 PIV, chemiluminescence 측정 기법을 동원하여 빠른 유속장이 간섭하는 점화 현상을 이해하고, 난류와 연소 이론을 기반으로 모델링을 진행한 뒤 정성적/정량적으로 검증한 연구 내용을 담고 있습니다. 본 논문은 실험과 해석의 조화를 잘 보여주고 있으며 당시의 저에게 통합적인 연구에 대한 동기 부여를 해준 논문입니다.


    7. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소, 지도교수에 대해 소개 부탁 드립니다.

    저는 서울대학교 기계항공공학부의 민경덕 교수님 지도 하에 차세대자동차연구센터에 소속된 동력공학연구실에서 대학원 연구를 진행하였습니다. 차세대자동차연구센터는 현대기아자동차에서 센터건물과 엔진 및 NVH 관련 장비를 기증하여 설립되었으며, 산업자원부의 “하이브리드 자동차 파워트레인/NVH 시스템 기반 구축 사업”을 통해 세계 최고의 연구 장비를 갖추었습니다. 제가 몸 담았던 동력공학연구실은 자동차의 주 동력원인 내연기관, 하이브리드, 연료전지에 대해 실험 및 해석적 기법을 동원하여 심도 깊은 연구를 펼치고 있고, 약 20여명의 석박사과정이 협력하여 연구에 매진하고 있습니다. 저의 스승인 민경덕 교수님은 MIT의 Prof.  Heywood 아래서 박사학위를 취득하시고 다임러 벤츠의 중앙연구소에서 연구원으로 일하신 후 서울대학교에 부임하셨습니다. 교수님과의 미팅을 할 때면 연구 주제에 대한 예리한 분석과 통찰력으로 논의를 이끌어 내시고, 주어진 주제를 완성시킬 때까지 계속해서 질문을 던지시는 등 남다른 열정을 보여주셨던 것이 늘 기억에 남습니다.




    8. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

    제가 있던 연구실은 실험과 해석을 함께 연구할 수 있는 환경이 갖추어져 있었고, 가솔린과 디젤 엔진은 단기통에서 다기통에 이르기까지 폭넓은 분야를 아우르고 있었습니다. 대부분의 연구실은 실험 또는 해석 기법 중 하나에 집중하는데, 통합적인 연구 환경에서 저는 실험과 시뮬레이션을 모두 심도 있게 연구할 수 있었습니다. 특별히 동료 연구원과 모델을 검증하기 위한 실험을 어떻게 해야할 지 함께 구상하였고, 실험을 같이 진행하면서 엔진 데이터의 감각을 익혔으며, 모델의 통전적인 검증을 위해 다양한 실험을 진행하고 결과를 논의하였던 것들이 가장 기억에 남습니다. 지피지기 백전백승과 같이 모델 검증에 필요한 것은 무엇이며, 혹은 해당 현상을 해석하기 위해서는 어떤 모델이 필요한지를 체득할 수 있던 값진 시간이었습니다.




    참조 문헌


    [1] On the Road toward 2050: Potential for Substantial Reduction in Light-Duty Vehicle Energy Use and Greenhouse Gas Emissions, J. Heywood and D. Mackenzie, Editors. 2015, Massachusetts Institute of Technology.
    [2] USDRIVE, “Advanced Combustion and Emission Control Roadmap”, 2018
    [3] Dahms, R.N., et al., Understanding ignition processes in spray-guided gasoline engines using high-speed imaging and the extended spark-ignition model SparkCIMM. Part A: Spark channel processes and the turbulent flame front propagation. Combustion and flame, 2011. 158(11): p. 2229-2244.

    • 페이스북아이콘
    • 트위터 아이콘

    전체댓글 1

    사용자 프로필 이미지
    |2018.12.24
    오늘 최근의 BMW화재는 EGR쿨러의 용량부족으로 보일링(냉각수가 끓는) 발생 -> EGR 쿨러 균열 -> 냉가수 누수 ->냉각수의 에틸렌 성분+배기가스퇴적물 -> 스몰더링 현상으로 불티발생 ->불티가 흡기다시관으로 유입 -> 흡기다기관 퇴적물에 불 -> 불티가 흡기다기관 벽에 붙어 천공 유발 -> 천공된 구멍으로 불꽃이 새어 나감 -> 엔진룸 화재 으로 결론을 내린거 같네요. 설계할때 이런 부분까지 고민하기가 어려울꺼 같기도 하고, 이걸 재현하는것도 매우 힘들거 같네요. 시뮬레이션으로도 이런 문제를 재현할수 있을런지?
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자

    서브 사이드

    서브 우측상단1