Base 디젤 엔진 대비 DME 엔진의 성능을 파악하기 위하여 엔진의 운전은 각 엔진회전수의 전부하조건으로 하였다. DME 엔진의 성능 최적화를 위한 parameter 확인 실험을 위하여 Tables 3, 4와 같이 인젝터 노즐 홀 크기, 인젝터 노즐 홀 수, 인젝터의 개변압, 연료 분사시기 등을 변화시켰다. 인젝터 노즐 홀 크기의 경우 DME의 저위발열량이 디젤에 비해 약 1.54배 낮은 것을 고려하여 많은 연료가 나올 수 있도록 홀 단면적이 약 1.78배 큰 인젝터 노즐을 사용하였다. Base 디젤엔진에 사용된 인젝터가 22 MPa 이상으로 연료압이 상승하였을 때 인젝터 니들이 올려져 연료가 분사되도록 개변압(injector open pressure)이 설정되어 있는데, DME 연료의 경우 압축성연료이기 때문에 동일한 개변압을 적용할 경우, 더 많은 일이 소요될 수 있어 디젤 인젝터보다는 낮은 15, 16, 18 MPa로 개변압을 설정하였다. Goto 등도 베이스 디젤 엔진의 인젝터에서 사용하는 개변압력인 16.2/19.8 MPa보다 낮은 11.8 MPa의 개변압력을 가지는 인젝터를 사용하였다⁸⁾. 디젤 엔진의 분사시기가 7 CAD BTDC로 설정되어 있는데, DME는 압축성 연료이기 때문에 압축압력이 형성되는 데 시간이 더 걸리는 것을 고려하여 더 이른 시기에 분사가 되도록 설정하였다.

기계식 디젤 엔진에서 분사 시기는 플런저를 구동시키는 캠샤프트를 회전시킴으로써 변경이 가능하다. 다만 엔진 구동 전에 변경을 시켜야 하며, 엔진 구동 중에는 변경이 불가능하다.

DME 엔진의 분사 시기 영향을 실험할 때, 개변압력과 분사시기가 변경되었는데, 개변압력의 경우 인젝터 내부에 있는 스프링의 탄성력을 맞추는 데 있어서 오차가 발생하여 16 MPa로 맞춰진 것이며, 분사시기의 경우 앞서 설명한 것과 같이 플런저를 구동시키는 캠사프트를 회전시켜 맞추는 과정에서 발생한 오차이다.

Fig. 4는 base 디젤 엔진의 전부하 출력과 DME 엔진으로 개조하기 위하여 노즐 크기 0.28 mm, 개변압 15 MPa, 분사시기 14 CAD BTDC로 변경한 후의 전부하 출력을 분사홀수에 따라 측정한 결과이다. 이때 홀수 외의 실험조건은 같게 하였다. 인젝터 노즐 홀수가 5개인 경우에 2,700, 2,900 rpm에서 10% 정도 최대 출력이 낮지만 나머지 엔진회전수 조건에서는 base 디젤 엔진과 동등 이상의 출력을 보이고 있다. 인젝터 노즐 홀수가 4개인 경우에는 전 구간에서 전부하 출력성능이 많이 떨어지고 있는데, 이는 인젝터 홀수 감소로 인하여 충분한 연료가 분사되지 못하였기 때문이다. 기계식 연료펌프의 특성상 5홀 인젝터에 맞춰서 연료 분사량을 조절해 놓게 되면 엔진 회전수와 스로틀량에 따라 기계식 고압연료 펌프에서 인젝터로 보내는 연료량이 일정하기 때문이다. 따라서 비례적으로 계산을 하였을 때 인젝터 홀수가 5개에서 4개로 1개 감소하게 되면 20%의 연료가 덜 나가게 된다. 실제 결과에서는 5홀 인젝터를 사용한 경우보다 4홀 인젝터를 사용한 경우에 출력이 12-17% 정도 감소하였다.

Fig. 4. 
The effect of # of nozzle hole on power

배출가스 중에서는 디젤 엔진에서 가장 문제가 되고 있는 배출가스 중에 하나인 질소산화물(nitrogen oxides, NOx)에 대한 비교를 Fig. 5에 나타내었다. DME 엔진의 경우 PM 발생이 거의 없으므로 base 디젤 엔진과 비교하는 것은 무의미하기 때문에 본 연구에서는 PM 배출량 비교를 하지 않았다. NOx 의 경우 base 디젤 엔진에서 DME 엔진보다 많이 배출되고 있었다. DME가 연소실에 분사되면서 빠르게 증발하게 되면서 증발잠열에 의한 냉각효과와 빠른 혼합에 의한 농후 혼합기가 적게 발생하여 NOx 발생량이 감소한 것으로 판단된다¹⁾. 5홀 인젝터를 사용한 DME 엔진과 4홀 인젝터를 사용한 DME 엔진을 비교하였을 때는 4홀 인젝터를 사용한 경우에 더 적은 NOx 발생량을 보였다. 앞서 설명한 것과 같이 4홀 인젝터를 사용한 경우에 연료 분사량이 적어지면서 NOx 발생량도 함께 감소한 것이다.

Fig. 5. 
The effect of # of nozzle hole on NOx emission

본 연구에 사용된 인젝터 중에서는 DME 연료의 낮은 발열량과 압축성 문제로 인해 인젝터 홀수는 상대적으로 많은 5홀이 더 적당한 것으로 판단된다.

디젤 엔진의 기계식 연료 시스템은 고압연료 펌프에서 고압으로 가압된 연료가 인젝터로 공급되고, 연료 압력에 의한 스프링으로 눌려있던 니들이 연료압력에 의해 들어 올려지면서 연료가 노즐을 통해 분사된다. 스프링의 힘을 조절하여 니들이 올라가는 압력을 변경할 수 있는데, 이를 통해 낮은 압력에서 연료가 분사되게 할 수 있으며, 높은 압력에서 연료가 분사되게 할 수 있다. 실험에 사용된 base 디젤 엔진의 인젝터는 22 MPa에서 연료가 분사되도록 되어 있다. 본 연구에서는 DME 인젝터의 기본 개변압을 15 MPa로 설정하였다. 이는 두 가지 이유에서인데, 첫째, DME를 연료로 사용하는 경우 DME 연료의 압축성 성질에 의해 연료의 압력을 높이는데 더 많은 시간이 필요하여 개변압을 base 디젤 엔진과 동일하게 하는 경우, DME 연료의 분사시기가 너무 늦어질 수 있기 때문이다. 개변압을 낮추게 되면 이른시기에 연료가 분사될 수 있다. 둘째, DME 연료의 낮은 발열량 때문에 개변압을 낮추게 되면 분사기간이 길어질 수 있어 더 많은 연료를 분사할 수 있게 되어 디젤 연료를 분사할 때와 같은 발열량을 얻을 수 있기 때문이다.

Fig. 6은 base 디젤 엔진과 DME 인젝터 개변압 변화에 따른 전부하 출력성능을 보여주고 있다. 개변압이 낮은 경우에 일부 저속 운전 구간에서 출력이 높았다가 고속에서 낮은 결과를 보였다. 개변압력이 높은 경우 연료와 공기의 혼합이 잘 이루어지게 되어 고속에서 짧은 순간에 연소되기 쉬워지면서 발생한 현상으로 판단된다.

Fig. 6. 
The effect of nozzle open pressure on power

Fig. 7은 base 디젤 엔진과 DME 인젝터 개변압 변화에 따른 NOx 배출량 변화를 보여주고 있다. 엔진에서의 NOx 발생은 대부분 thermal NOx로서 고온의 연소온도 분위기에서 발생한다^9,10). 앞서 출력에서와 같이 개변압력이 높은 조건에서 저속에서는 NOx 발생량이 상대적으로 낮았다가 고속에서 다시 높아지는 현상을 보이는데, 이 역시 연료와 공기의 혼합이 잘 되기 때문에 연소가 활발히 일어나게 되어 나타난 결과로 판단된다.

Fig. 7. 
The effect of nozzle open pressure on NOx emission

Base 디젤 엔진의 경우에는 분사시기가 7 CAD BTDC로 고정되어 있으며, DME 엔진은 앞서 설명한 것과 같이 압축성 성질에 의해 늦게 분사될 가능성이 있기 때문에 더 이른 시기에 분사되도록 하였다. 분사시기는 13, 15, 17 CAD BTDC로 변경하여 실험을 진행하였다. 인젝터 홀 수는 5홀이며, 개변 압력은 16 MPa로 하였다.

Fig. 8은 분사시기에 따른 전부하 출력성능을 비교하고 있다. 분사시기가 진각될수록 고속 구간에서의 출력이 높아지다가 17 CAD　BTDC에서 다시 출력이 감소하는 결과를 보였다.

Fig. 8. 
The effect of fuel injection timing on power

Fig. 9는 분사시기에 따른 NOx 배출량을 보여주고 있다. 디젤 엔진의 경우 분사시기가 빨라질수록 예혼합기가 많아져 연소온도가 높아지게 되어 NOx 발생량이 더 많아지는 특징을 가지고 있다. Fig. 9에서도 DME의 분사시기를 진각시킬수록 NOx 배출량이 증가하는 모습을 확인 할 수 있다.

Fig. 9. 
The effect of fuel injection timing on NOx emission

DME 엔진의 출력과 NOx 발생량을 고려해 볼 때 본 연구에 사용된 DME 엔진의 분사시기는 15 CAD BTDC가 적당한 것으로 판단된다.