Emission Characteristics of a GDI Vehicle Fueled with Gasoline and E10 under Different Acceleration Rates

기술 요약: 다양한 가속율 조건 하에서 가솔린 및 E10 연료를 사용하는 GDI 차량의 배출 특성

문제 제기
가솔린 직분사(GDI) 엔진은 포트 분사(PFI) 엔진에 비해 우수한 열효율과 출력을 제공하지만, 불충분한 공기-연료 혼합 및 연소실 벽면으로의 연료 충돌로 인해 높은 입자상 물질(PM) 배출로 알려져 있다. 에탄올 혼합물(E1 აเช่น E10)은 그을음 형성을 억제하기 위한 재생 가능한 대안으로서 점점 더 많이 채택되고 있다. 그러나 기존 문헌들은 에탄올이 GDI 입자 배출에 미치는 영향에 대해 상충되는 결과를 제시하고 있다. 일부 연구는 에탄올의 산소 함량과 희석 효과 덕분에 배출을 감소시킨다고 주장하는 반면, 다른 연구들은 높은 증발 잠열, 점도 및 표면 장력으로 인한 불량한 원자화 때문에 배출을 증가시킨다고 지적한다. 또한, 실질적인 주행 사이클의 핵심 요소인 다양한 가속율 하에서 에탄올 혼합의 구체적인 영향은 여전히 불분명하다. 본 연구는 다양한 가속 프로파일에 따라 에탄올 첨가가 입자 수, 질량, 크기 분포 및 조성에 어떻게 영향을 미치는지 조사함으로써 이러한 모순을 해결하고자 한다.

연구 방법론
본 연구는 삼원촉매(TWC)를 갖추고 입자 필터는 없는 중국 5단계(China V) 배출 규격 충족 1.5L 터보차저 GDI 차량(쉐보레 말리부)을 활용하였다. 연구는 상용 베이징 #92 가솔린과 E10 혼합물(가솔린 90%, 부피 기준 에탄올 10%)을 비교하였다.

가속의 영향을 분리하기 위해, 차시스 다이내모미터 상에서 각 6분간 지속되며 총 주행 거리 3.2km를 이동하는 세 가지 뚜의 서로 다른 주행 사이클을 설계하였다. 각 사이클은 오직 가속율만 달랐다:

• ACR1.2: 1.2 km·h⁻¹·s⁻¹
• ACR3.6: 3.6 km·h⁻¹·s⁻¹
• ACR6.0: 6.0 km·h⁻¹·s⁻¹
  감속은 모든 사이클에서 6.0 km·h⁻¹·s⁻¹로 고정되었다.

배출물 측정은 다음과 같이 이루어졌다:

• 과도 상태 분석: Cambustion DMS500 고속 입자 분석기(10 Hz 주파수)를 사용하여 실시간 입자 수와 크기 분포를 측정하였다.
• 전체 분포: SMPS(Scanning Mobility Particle Sizer)를 사용하여 가스 백에 수집된 희석된 배기 샘플로부터 전체 크기 분포를 측정하였으며, 계산된 입자 손실률은 약 83%였다.
• 질량 및 조성: 테플론 멤브레인을 사용하여 입자 질량을 측정하였고, Quartz 멤브레인을 NIOSH5040 방법인 Sunset Lab OC/EC 분석기를 통해 분석하여 유기 탄소(OC) 및 원소 탄소(EC) 비율을 결정하였다.
• 나노 구조: 고해 resolution 투과 전자 현미경(HRTEM)을 사용하여 그을음 입자의 층간 간격을 분석함으로써 탄화 정도를 나타내는 지표를 확인하였다.

주요 결과
연구 결과, 에탄올 첨가의 효과는 가속율 및 그에 따른 엔진 작동 조건(속도 및 부하)에 따라 크게 달라지는 것으로 나타났다:

1. 입자 수 및 질량:

   • 저가속 (ACR1.2): E10은 가솔린에 비해 유의미하게 높은 입자 수와 질량 배출을 생성하였다. 이는 특히 차량 속도가 46 km/h(변속 지점)를 초 exceed할 때 발생하였는데, 이때 엔진 부하는 증가하지만 속도는 상대적으로 낮았다.
   • 고가속 (ACR6.0): E10은 사이클 전반에 걸쳐 가솔린보다 유의미하게 낮은 입자 수와 질량 배출을 나타냈다.
   • 중가속 (ACR3.6): 연료 간의 차이가 덜 뚜렷했으며, E10은 특정 저속 가속 단계에서만 더 높은 배출을 보였다.

2. 변동 메커니즘:

   • 저가속 (ACR1.2) 하에서 엔진은 더 낮은 속도와 낮은 실린더 내 온도에서 작동한다. 에탄올의 높은 증발 잠열은 가솔린 성분의 증발을 억제하여, 실린더 벽면에 대한 연료 필름 형성을 증가시키고 혼합 품질을 악화시킨다. 이러한 물리적 효과가 지배적이 되어 연소를 악화시키고 배출을 증가시킨다.
   • 고가속 (ACR6.0) 하에서 엔진은 높은 부하와 속도, 높은 실린더 내 온도에서 작동한다. 이러한 조건은 더 나은 혼합과 증발을 촉진하여, 에탄올의 화학적 이점(산소 함량, 희석 효과)이 지배적으로 작용하게 함으로써 그을음 형성을 억제한다.

3. 입자 조성 (OC/EC):

   • 모든 주행 사이클에서 E10은 가솔린보다 낮은 OC/EC 비율을 보였으며, 이는 유기 탄소 대비 원소 탄소(그을음)의 비율이 더 높음을 나타낸다.
   • 에탄올 첨가는 ACR1.2 동안 EC 배출 계수를 증가시켰으나, ACR6.0 동안에는 감소시켰다.
   • HRTEM 분석 결과, E10 그을음 입자는 가솔린 그을음에 비해 더 작은 층간 간격을 가졌다. 이는 더 높은 수준의 탄화와 더 정돈된 탄소 층 구조를 나타내며, 특히 물리적 효과가 지배적인 조건에서 E10 입자의 더 강렬한 그을음 과정과 감소된 산화 활성을 시사한다.

의의 및 주장
본 논문은 에탄올의 영향이 균일하지 않고 가속 프로파일에 의해 결정된다는 것을 보여줌으로써, 이전 문헌들의 상충되는 결과에 대한 합리적인 설명을 제공한다고 주장한다. 본 연구의 결론은 다음과 같다:

• 에탄올 첨가가 GDI 입자 배출을 보편적으로 감소시키는 것은 아니다. 저가속율 하에서는 혼합물 준비를 방해하는 물리적 특성(높은 잠열)으로 인해 배출을 악화시킬 수 있다.
• 고가속율 하에서는 에탄올의 화학적 특성이 배출을 효과적으로 감소시킨다.
• E10의 그을음 나노 구조는 순수 가솔린보다 더 흑연화(높은 탄화도)되어 있으며, 이는 관찰된 더 낮은 OC/EC 비율과 상관관계가 있다.

저자들은 가속율이 다양하게 변하는 실제 주행 시나리오에서 에탄올 혼합물의 환경적 이점을 정확하게 평가하기 위해서는 이러한 과도적 거동을 이해하는 것이 필수적이라고 단언한다.