가솔린엔진의 연비와 배출가스에 대한 규제가 더욱 강화되고 있으며 화석연료의 고갈되어짐에 따라 열효율이 높고, 배출가스 배출량이 낮은 동력시스템 개발이 필요한 시점이 도래하였다. 가솔린 엔진의 열효율은 오토사이클에 의하면 압축비를 높일수록 향상된다. 그러나 압축비의 향상은 연소실 내 온도 상승을 유발하여 노킹 발생률을 증가시키는 문제를 야기하고 있어 이에 대한 해결이 필요하다. 가솔린 엔진에서 노킹이 발생할 경우 점화시기 진각 등의 방법으로 해결하고 있으나, 엔진 출력 및 효율이 낮아지는 단점이 있다. 따라서 엔진의 출력 및 효율 수준은 유지하면서 노킹 현상을 피하기 위해서 많은 연구자들이 노력하고 있다. 노킹 현상을 방지하여 압축비를 높일 수 있는 방법 중 하나가 ‘물 분사전략(water injection strategy)’이다. 연소실 또는 흡기포트에 물을 개별 분사함으로써 물의 증발 잠열을 이용하여 실린더 내 연소 가스의 온도를 낮추고, 이를 통해 노킹이 발생하는 운전영역에서 노킹현상을 완화할 수 있다. 또한 점화시기의 진각으로 연소 환경을 개선하여 배출가스를 저감시킬 수 있으며 나아가 동일 용량의 엔진에서 압축비를 더욱 증가시켜 연비와 출력을 개선할 수 있다.
이 연구에서는 각 흡기 포트에 물과 에탄올-물 혼합물을 연료소비량 대비 다양한 분사량으로 분사하였을 때 나타나는 연소 특성에 대해 조사하였다. 연구에 사용된 엔진은 1998cc의 배기량을 가지고 있는 터보 GDI 엔진이며, 이 엔진은 압축비 10.2를 가지고 있는 스퀘어 엔진이다. 흡기포트에 물과 에탄올-물 혼합물을 분사할 수 있도록 흡기 매니폴드를 일부 수정하였다. 엔진속도는 2000, 3000, 4000RPM으로 하였으며 부하는 75, 110, 140, 160, 200, 240Nm으로 고정하여 실험을 진행하였다. 물과 에탄올-물 혼합물은 7bar의 분사압력으로 연료 소비량 대비 10~50%까지 10% 단위로 증가시켰으며 분사 시기는 흡기 밸브가 열리는 시기와 동일하게 분사하였다. 물과 에탄올-물 혼합물을 분사함에 따라 감소되는 부하는, 조건에 따라 고정한 부하가 될 수 있도록 스로틀 밸브를 조절하였으며, 점화시기는 노킹이 발생하기 직전까지 진각시켰다. 물과 에탄올-물 혼합물 분사에는 상용 12홀 MPI 인젝터를 사용하였다. 물 분사량을 증가시켜가며 분사할 경우 분사량이 증가할수록 점화시기의 진각 정도는 점점 증가하였으며 그에 따라 최고 연소 압력이 나타나는 지점이 TDC에 점점 더 가까워졌으나, 점화시기가 진각됨과 동시에 증발잠열에 따른 연소 지연으로 점화시점~CA10까지의 길이가 길어져 진각한 점화시기 만큼 최고연소압력 지점을 이동시킬 수는 없었다. 물 분사량이 증가할수록 길어지는 점화지연기간에 비하여 전체 연소기간에는 큰 변화가 나타나지 않았으며 최고 연소 압력이 나타나는 지점이 TDC에 가까워짐에 따라 연소 효율이 점점 더 개선되었기 때문에 연비가 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 엔진속도가 빨라질수록 물 분사에 의한 연비 개선 효과는 더 크게 나타났으며, 낮은 부하에서보다 높은 부하에서 더 큰 효과를 확인 할 수 있었다. 에탄올-물 혼합물을 분사하였을 때는 순수 물만 분사하였을 때 보다 더 큰 연비 향상 효과를 확인할 수 있었다. 이는 순수 가솔린의 소비량만 고려했을 경우로, 분사된 혼합물에서 에탄올이 연료의 역할을 하기에 가솔린의 소모량이 줄어든 것이며, 에탄올-물 혼합물을 분사하지 않았을 경우보다 최종적으로 투입된 열량은 더 크다. 물과 에탄올-물 혼합물을 분사한 두 가지 경우 모두 질소산화물과 미연탄화수소의 발생량이 동시에 저감하는 것을 보였고, 혼합물의 경우 함산소 연료인 에탄올에 의해 혼합물을 분사하지 않았을 때보다 미연탄화수소의 발생량이 줄어들었으며 분사량이 증가할수록 미량 증가하는 것을 확인하였다. 연구를 통해 물과 에탄올-물 혼합물의 분사에 의한 연비 개선 효과를 얻을 수 있었으며, 분사전략 최적화(분사시기, 분사위치 등)를 통해 연비개선이 극대화됨을 판단할 수 있었다.

Gasoline engine fuel economy and exhaust emission regulations are becoming more intense. With the depletion of fossil fuels, demand for environmentally friendly automobiles has increased, and it is time to develop a power system with high thermal efficiency and low emissions. In order to improve the thermal efficiency of the gasoline engine, it is necessary to increase the compression ratio as shown in the equation for calculating the thermal efficiency of the otto-cycle. However, the increase of the compression ratio causes the problem of increasing the knocking rate due to the increase of the temperature in the combustion chamber. When knocking occurs in a gasoline engine, advancing spark timing is solved, but the engine power and efficiency are lowered. Therefore, many researchers are trying to avoid knocking while maintaining power and efficiency level of engine. One of the ways to increase compression ratio by preventing knocking is water injection strategy. By separately injecting water into the combustion chamber or the intake port, the latent heat of vaporization of water is used to lower the temperature of the combustion gas in cylinder, thereby reducing knocking in operation region where knocking occurs. Also combustion environment can be improved by advancing spark timing to reduce the exhaust gas emissions, and further, compression ratio can be increased in engine of the same capacity, so that fuel consumption and power can be improved.
In this study, the combustion characteristics of water and ethanol - water mixture injected into each intake port at various injected amounts relative to fuel consumption were investigated. The engine used in study is a turbo GDI engine with a displacement of 1998cc, which is square engine with compression ratio of 10.2. The intake manifold was partially modified to allow injection of water and ethanol-water mixture into each intake port. Engine speed was 2000, 3000, 4000RPM and the load was fixed at 75, 110, 140, 160, 200, 240Nm. Mixture of water and ethanol - water was increased by 10% by 10 ~ 50% of fuel consumption at 7 bar injection pressure. Injection timing was same as when intake valve was opened. Throttle valve was adjusted so that load decreased as water and ethanol - water mixture was injected into a fixed load depending on experimental conditions. Spark timing was advanced just before knocking occurred. A commercial 12-hole MPI injector was used for water and ethanol-water mixture injection. As the injected amount increases, degree of advancement of spark timing gradually increases as injection quantity increases. As a result, point at maximum combustion pressure appears is getting closer to TDC, although spark timing is advanced but also combustion delay, from spark timing to CA10, increases due to latent heat of vaporization. So maximum combustion pressure point can not be shifted by the advanced spark timing. As water injection amount increased, the ignition delay did not change significantly over entire combustion period and confirmed that the combustion efficiency improves as the point at which maximum combustion pressure appears near TDC improves the fuel efficiency. As engine speed increased, the effect of improving fuel efficiency by water injection was greater, and a larger effect was observed at higher loads compare to lower loads. When ethanol - water mixture was injected, it was confirmed that fuel efficiency improvement effect was greater than that when only pure water was injected. Considering only consumption of pure gasoline, consumption of gasoline is reduced because ethanol acts as fuel so final amount of heat input is greater than the ethanol-water mixture is not injected. In both cases of injecting water and ethanol-water mixture, amounts of nitrogen oxides and unburned hydrocarbons were reduced at the same time. In case of mixture, amount of unburned hydrocarbons was decreased and it was confirmed that as mixture injection amount increased, the amount of the gas was slightly increased. Through this study, it is possible to obtain fuel efficiency improvement by injecting water and ethanol - water mixture, and it can be considered that fuel efficiency improvement can be maximized by injection strategy optimization (injection timing, injection position, etc.).