2행정 SI 엔진의 운용 조건을 고려한 연료-윤활유 혼합비 가변 제어 특성 연구 = A study on variable fuel-lubricant mixture ratio control characteristics considering the operating conditions of two-stroke SI engine

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A two-stroke spark-ignition (SI) engine has long been used in practical applications due to its structuralsimplicity, high power density, and low weight. However, because it relies on the combustion of a premixedfuel–lubricant blend, it inherently suffers from lower combustion efficiency and relatively high levels ofcombustion residues and exhaust emissions caused by oil burning. With increasingly stringent environmentalregulations and tighter limits on carbon-based emissions, a reevaluation of conventional two-stroke engineoperating methods is now required. The limitations of the fuel–lubricant mixing approach are not confined toenvironmental concerns; they also directly affect fuel-consumption efficiency and engine durability. When themixture ratio deviates from an appropriate range, excessive fuel supply can result in incomplete combustion,reducing both power and fuel economy, whereas insufficient lubrication may lead to wear or even mechanicalfailure. Such issues can degrade engine reliability during long-term operation and increase maintenance costs,ultimately limiting industrial applicability. These challenges are even more critical in emerging applicationfields—such as drones, light aircraft, and compact power generators—where lightweight structure, efficiency,and environmental performance must all be satisfied simultaneously. Under these conditions, operating atwo-stroke SI engine based solely on empirically determined mixture ratios, as traditionally practiced, is nolonger sufficient to meet both performance demands and environmental regulations. Nevertheless, mostend-users continue to set mixture ratios based on manufacturer recommendations or personal experience, andquantitative analyses of how mixture-ratio variations actually affect engine behavior and emissioncharacteristics remain relatively limited. Furthermore, although the effects of mixture ratio and emissionbehavior may differ depending on the fuel-injection method, many previous studies have focused exclusivelyon carburetor-based systems. Therefore, this study experimentally investigates how variations in the fuel–lubricant mixture ratio and fuel-injection method influence key operational characteristics of a two-stroke SIengine—such as power output and combustion stability—as well as major exhaust species including CO, HC,and CO₂. The objective is to derive an optimal mixture-ratio range that enhances both performance andemissions. Ultimately, the findings aim to serve not only as a means of improving operating conditions, butalso as foundational data for simultaneous performance optimization and environmental improvement of two-stroke engines. Moreover, the resulting data can support future applications such as UAV power-traindevelopment, compact internal-combustion engine design, environmental-regulation compliance strategies, andefficient operating-condition optimization. Through the experiments, the power and exhaust characteristics of atwo-stroke engine under various fuel–lubricant mixture ratios were analyzed. For carburetor engines, it wasconfirmed that the proportion of lubricant significantly affects engine output. In contrast, the electronicallycontrolled fuel-injection system reduced fuel consumption by approximately 3% compared with the carburetorsystem and increased power output by about 8.6%, owing to more precise fuel-delivery control. Under thesame injection method, the greatest increase in output occurred when the mixture ratio changed from 20:1 to30:1. However, in the electronic-fuel-injection mode, scratches on the cylinder wall and piston were observedonce the mixture exceeded 40:1, indicating insufficient lubrication. Finally, exhaust-gas analysis showed thatemissions generally improved as the mixture ratio increased, with the most significant improvement occurringbetween 10:1 and 30:1. Beyond 30:1, further improvements were marginal. Overall, the study concludes that amixture ratio of approximately 30:1 is the most suitable for the main operating region of the engine,balancing performance, lubrication, and emission characteristics.

국문 초록 (Abstract)

2행정 SI(Spark Ignition) 엔진은 구조의 단순성, 높은 출력밀도, 낮은 중량 등의 여러 장점이 있어 오랜 기간 실용적으로 활용되어 온 엔진이다. 하지만 연료와 윤활유를 혼합하여 연소하는 방식의 특성상 연소 효율이 낮고, 윤활유의 연소로 인해 연소 잔류물과 배출가스 발생량이 상대적으로 높다는 단점이 존재한다. 특히 최근 환경규제 및 탄소 유해가스 배출 억제를 위한 기준이 강화됨에 따라, 기존 2행정 엔진의 운전 방식에 대한 재검토가 필요한 시점이다. 또한, 연료와 윤활유를 혼합하여 연소하는 방식의 한계는 환경적인 문제에 국한되지 않고, 연료 소비 효율 저하와 엔진 내구성 문제로도 직결된다. 연료와 윤활유 혼합비가 적정 수준을 벗어나면, 연료 과다 공급에 따른 불완전 연소로 출력 및 연비가 저하 되거나, 반대로 윤활 부족으로 인한 마모 또는 고장이 발생할 수도 있다. 이와 같은 문제는 장기간 운전 시 엔진 신뢰성 저하와 유지보수 비용 증가로 이어지며, 실제 산업적 활용성에도 큰 제약이 될 수 있다. 특히 최근 개발되고 있는 드론, 소형 항공기, 소형 발전기 등 차세대 응용 분야에서 경량성, 효율성, 환경성을 동시에 요구하고 있어, 2행정 SI 엔진을 채택하여 사용할 때 기존과 같은 경험적 혼합비 설정만을 가지고 엔진을 운용하기에는 성능과 환경규제를 동시에 만족하기 어렵다. 그럼에도 불구하고 현재 수요처에서는 제조사의 권장 수치 또는 운용자의 경험에 의존하여 혼합비를 설정하는 경우가 대다수이며, 혼합비 변화가 실제 엔진 작동 특성과 배출 특성에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 정량적 분석은 상대적으로 부족한 실정이다. 또한, 연료 분사 방식에 따라 혼합비의 효과 및 배기가스의 배출 특성이 달라질 수 있음에도 불구하고, 기존 연구는 기화기 방식에 국한된 경우가 많았다. 따라서 본 연구에서는 연료와 윤활유 혼합비율과 연료 분사 방식에 따라 2행정 엔진에 미치는 출력, 연소 안정성 등의 주요 작동 특성뿐만 아니라 CO, HC, CO2 등 주요 배출가스의 생성 특성에 미치는 영향까지도 실험적으로 규명함으로써, 최적의 혼합비 범위를 도출하고자 한다. 이를 통해 단순히 운전 방식을 개선하는 수준을 넘어, 2행정 엔진의 성능 최적화와 친환경화를 동시에 달성할 수 있는 기초 자료로 제시하는 것 을 목표로 한다. 더 나아가 이러한 데이터는 향후 무인기용 파워 트레인 및 소형 내연기관의 개발, 환경규제 대응 전략 수립, 그리고 효율적 운전 조건 설계 등 다양한 응용 분야에 활용될 수 있다. 연구를 통해 2행정 엔진을 대상으로 연료-윤활유 혼합비 변화에 따른 출력 및 배출가스 특성을 파악하였다. 기화기 방식에서는 윤활유의 비율이 출력에 영향을 주는 것으로 파악하였다. 전자제어 연료 분사 방식은 정밀한 연료 분사 제어를 통해 기화기 방식 대비 약 3%의 연료 소모량이 감소하고, 출력은 약 8.6% 향상된다. 또한 동일한 연료 분사 방식에서는 혼합비가 20:1에서 30:1로 변화할 때 가장 출력 상승이 많이 되었다. 반면 전자제어 방식에서 혼합비가 40:1 이상인 시점부터 실린더 벽면, 피스톤에 스크래치가 발생하는 것을 확인하였다. 마지막으로 배출가스 분석 결과 혼합비가 상승할수록 개선되는 경향을 보였고, 10:1~30:1까지 개선 폭이 큰 것을 확인하였다. 하지만 30:1 이후 지점부터는 크게 개선되지 않는다. 종합적으로 주 작동 영역에서는 혼합유의 최적 혼합비를 30:1 수준으로 하는 것이 적절하다는 결과를 얻을 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 기술 동향 2
• 1.3. 연구 개요 및 목적 3
• 제 2장 이론적 배경 4
• 2.1. 2행정 SI 엔진 4
• 2.2. 2행정 엔진의 성능 지표 5
• 2.2.1 제동 토크와 출력 5
• 2.2.2 사이클당 도시일 6
• 2.3. 공기 밀도 변화 7
• 2.4. 연료-윤활유 혼합 방식의 특성 8
• 2.4.1 연료-윤활유 혼합 윤활의 원리와 필요성 8
• 2.4.2 연료-윤활유 혼합비율이 연소 및 윤활에 미치는 영향 9
• 2.5. 2행정 SI 엔진의 배출 특성 10
• 2.5.1 주요 배출성분과 형성 메커니즘 10
• 2.5.2 공기연료비와 배출 특성 10
• 2.6. 연료-윤활유 혼합유의 성분 및 배출 특성 11
• 2.6.1 혼합유의 주요 성분 11
• 2.6.2 혼합유의 성분별 배출 특성 12
• 제 3장 실험 장치 및 방법 13
• 3.1. 실험 장치 13
• 3.1.1 2행정 SI 엔진 13
• 3.1.2 테스트 벤치 14
• 3.1.3 다이나모미터 15
• 3.1.4 냉각 장치 15
• 3.1.5 센서류 16
• 3.1.6 전자제어 연료 분사 시스템 17
• 3.1.7 LabVIEW Data Acquisition 18
• 3.1.8 DAQ Board 19
• 3.2. 혼합유 조건 20
• 3.2.1 SI 연료 및 엔진 윤활유 20
• 3.2.2 연료-윤활유 혼합유 21
• 3.3. 실험 조건 및 방법 23
• 제 4장 결과 및 고찰 25
• 4.1. 연료 분사 방식 및 연료-윤활유 혼합비율에 따른 작동 특성 비교 25
• 4.1.1 기화기 방식 25
• 4.1.2 전자제어 연료 분사 방식 31
• 4.1.3 연료 분사 방식 변경에 따른 결과 37
• 4.2. 주 작동 영역 운전 시험 40
• 4.2.1 스로틀 개도량 변화 40
• 4.2.2 연료 분사량 변화 41
• 4.2.3 엔진 온도 42
• 4.2.4 배기가스 배출성분 분석 45
• 4.3. 가변 윤활유 혼합 장치 49
• 4.3.1 공기 밀도 변화에 따른 엔진 작동 특성 49
• 4.3.2 엔진 작동 영역별 적정 혼합비 50
• 4.3.3 혼합유 혼합비 가변 시스템 51
• 4.3.4 혼합유 혼합비 가변 시스템 제어 알고리즘 52
• 4.3.5 엔진 작동 영역별 적정 혼합비 54
• 제 5장 결론 55
• Reference 56
• Abstract 57