Effects of optimal operating conditions on 2-stage injection PCCI diesel engine using Response Surface Methodology

반응 표면법을 이용한 2 단 분사 PCCI 디젤엔진의 운전조건의

영향도 평가에 대한 연구

이재현† · 김형민* · 이기형*

Effects of optimal operating conditions on 2-stage injection PCCI diesel engine

using Response Surface Methodology

Jaehyeon Lee, Hyungmin Kim and Kihyung Lee

Key Words : Response Surface Methodology(반응표면법), Emissions(배기), Premixed Charging

Compression Ignition(예 혼합 압축착화) Abstract

It is well known that Premixed Charge Compression Ignition (PCCI) diesel engines according to many technologies such a change in injection timing, multiple injection strategy, cooled EGR, intake charging and SCV have the potential to achieve homogeneous mixture in the cylinder which result in lower NOx and PM as well as performance improvements. This may generate merely the infinite number of experimental conditions. The use of Response Surface Methodology (RSM) technique can considerably pull down the number of experimental set and time demand. This paper presents the effects of both fuel injection and engine operation conditions on the combustion and emissions in the PCCI diesel engine system. The experimental results have revealed that a change in fuel injection timing and multiple injection strategy along with various operating conditions affect the combustion, emissions and BSFC characteristics in the PCCI engine.

1. 서 론

환경문제와 석유자원의 고갈이 세계적인 문제로 대두되면서 자동차의 배출가스 저감과 열효율의 증가에 대한 요구가 증대되고 있으며, 이러한 관 점에서 열효율이 높은 디젤엔진은 큰 매력을 가 지고 있으나, 디젤엔진의 연소특성인 국부적인 고 온 반응 구간에서의 NOx 발생과 확산연소시의 입 자상 물질(particulate matters)등의 배출가스 발생 증가가 문제점으로 대두되고 있다. 따라서 내연기관 연구자들은 강화된 배기 규제 를 만족시킬 수 있는 청정 연소의 저공해 엔진 기술 개발을 위해 많은 노력을 하고 있는 실정이 다. 디젤 엔진에서 배기가스 저감을 위한 방법으로 는 예혼합 압축착화, 배기가스 재순환(EGR: exhaust gas recirculation) 방법과 흡입 공기의 과급, 실린더 내의 유동 조절 (SCV: swirl control valve),

연료 분사압력의 증가, 분사시기 등이 연구되고

있다.

특히, 예 혼합 압축착화 엔진은 연소실내 희박

균일한 예 혼합기를 동시에 다점 착화시키는 연 소 방식인 예 혼합 압축 착화 (PCCI: Premixed Charge Compression Ignition) 연소가 주목을 받고 있다1,2,3)_{. 이와 같은 예 혼합 연소는 디젤 엔진에} 상응하는 열효율을 가질 뿐만 아니라, NOx와 PM 저감에 크게 기여하고 있지만 기존의 디젤엔진과 달리 연소실내의 분위기 압력 및 온도가 낮은 조 건에서 연료를 분사하여 연료-공기 혼합기가 예 혼합 되어 연소 온도가 낮을 뿐만 아니라 TDC 이전에 착화하기 때문에 THC와 CO가 많이 발생 하고, 연비가 낮아지는 문제점을 가지고 있다. 이 러한 문제점을 극복하기 위하여 앞서 언급했던 여러 가지 운전조건들을 최적화하여 문제점을 해 결하고자 노력하고 있다. 그러나, 예 혼합 압축착 † 회원, 한양대학교 대학원 E-mail : [email protected] TEL : (031)418-9293 FAX : (031)406-5550 대한기계학회 2008년도 추계학술대회 논문집

화 엔진 연소 및 배기 성능에 영향을 주는 인자 가 많아서 최적점을 찾아내는데 많은 시간과 비 용을 필요로 한다. 따라서, 본 연구에서는 예혼합 압축착화엔진 시 스템을 이용하여 운전조건이 연소 및 배기 배출 물 발생에 미치는 영향을 조사하였고, 필요한 시 간과 비용을 절감하기 위한 방법으로 실험 계획 법을 이용하여, EGR rate, 공기 과급 압력(VGT), 실린더 내 스월 조절(SCV)의 3 가지 인자를 최적 화하였다.

2. 실험 장치 및 방법

2.1 엔진 시스템

Fig. 1 Schematic of common rail injection type

PCCI multi-cylinder engine

Table 1 Specification of engine

Description Specification Engine type 4-stroke DI

Number of cylinder 4

Bore × Stroke (mm) 83 × 92 Displacement volume

(cc) 1991cc

Compression ratio 17.3 Fuel injection system Common rail direct _injection

Injection pressure ~ 1600 bar

Hole diameter 0.141 Spray angle 148° Hole number 7 Fig. 1 은 본 연구에서 사용된 2000cc, 4 실린더 커먼레일 분사 방식의 예 혼합 압축착화 엔진의 개략도를 나타낸 것이다. 그림과 같이 본 연구에 서는 실린더의 보어가 83mm, 스트로크는 92mm 인 2000cc 커먼레일디젤 엔진 시스템 그대로 사 용하였으며 자세한 엔진 제원은 Table 1 에 나타내 었다. 또한, 본 연구에서 사용된 4 실린더 엔진은 가변 스월 장치, 배기가스 재순환 장치 그리고 과 급 압력 제어 장치 등이 포함되어 엔진 변수에 따른 실험이 가능하도록 구성되어 있다. 엔진에서 의 흡수 동력을 측정하기 위해 220kW Meiden 사 EC 동력계를 사용하여 엔진을 일정 회전수로 제 어하고 토크를 측정하였다. 엔진의 연소해석 및 연료 공급을 제어하기 위하여 엔진 크랭크 축에 3600 pulse 엔코더 및 캠축에 TDC 센서를 부착하 였다. 2.2 제어 시스템 고압 직접분사식 예 혼합 압축착화 엔진을 구 현하기 위하여 연료 분사시기, 레일압력과 그리고 분사시기와 분사량을 제어할 수 있는 TDA 8000(TEMS CO.)을 사용하였고, 또한, PWM 제어 기가 내장되어 VGT, EGR 그리고 SCV 를 제어할 수 있었다. 분사제어 장치에서 분사시기와 분사량 을 제어하기 위하여 캠 축의 TDC 센서와 크랭크 축의 각도 센서를 이용하여 타이밍 제어를 하였 다. 분사 제어기는 최고 200Mpa 의 레일 압력과 최대 6 회 분사까지 가능하도록 되어있으며. 또한, 엔진의 냉각수는 동력계 WTC 를 이용하여 82℃±2 로 제어하였으며, 엔진에 공급되는 연료온 도는 40℃±0.5 로 제어하였다. 2.3 측정 시스템 엔진의 토크 그리고 각종 온도와 압력을 측정할 수 있는 동력계 컨트롤러에 측정시스템이 설치되 었고, 연료 유량계는 Micro motion사의 질량유량계 (CFM 010)를 이용하여 측정하였다. 배기가스는 Horibar 배기분석계(7100 DEGR)를 이용하여 NOx, THC, CO, CO2 and O2를 측정하였고, 매연은 AVL

사 스모크 미터(415S)를 이용하였다. 모든 데이터 들은 엔진이 정상상태에서 10 초 이상의 데이터를 측정하여 평균하였다. 배기 배출 물 데이터들은 체 적분율(ppm/FSN)에서 출력에 따른 질량(g/kwh)으로 환산하여 배기 유량에 따른 영향을 배제하였다. 또 한, 연소실 1 번 실린더에 글로우 플러그 일체형 압력센서를 설치하여 연소압력을 측정하였고, 연소

해석은 MTS사 연소해석기와 엔코더를 이용하여 압력, 열발생률을 실시간으로 측정하였다. 2.4 실험 방법 2.4.1 실험 조건 본 연구는 엔진 회전 속도 1500rpm, 부하 6.34Kgm (BMEP 4bar)에 고정하여 수행하였다. 조 절하고자 하는 주요 인자 외에 엔진 작동에 영향 을 줄 수 있는 인자들은 Table 2 의 값으로 유지 시켰으며, 분사 조건은 이전 실험에서[4] 사용된 2 단 분사조건에 분사비율이 3 : 7 의 경우로 한정 하였고, 전체 분사 량을 조절하여 부하를 일정하 게 유지하였다.

Table 2 Operating Conditions

Engine Speed 1500rpm Load (BMEP) 4bar Event of injection 2 (pilot, main) Pilot/Main injection

quantity

Variable Fuel Temperature 40 ۫C Coolant Temperature 80 ۫ C Pilot injection timing BTDC 60° Main injection timing ATDC 5°

Rail pressure 1000bar

2.4.2 실험 방법

본 연구에서는 최적화 방법으로 반응 표면법 (Response Surface Methodology)과 2 차 회귀 분석법 을 사용하였다. 2 차 회귀 분석 모형에 대한 반응 표면법으로는 중심 합성 계획(Central composite)을 사용하였다.[5] Table 3 에서는 엔진 실험에 사용된 3 인자들과 최적화 범위를 나타내었고, Table 4 에는 각 반응치 (responses)와 그 단위들을 나타내었다. 이때 반응 치의 단위는 배기 유량에 대한 영향을 배제하기 위하여 배기 배출물의 단위출력당 무게로 나타내 었다. 중심 합성 계획에서는 인자가 3 개인 경우 중심에서 반복을 포함하여 총 20 번의 실험이 필 요하다. 만약 3 개의 인자에 대하여 각 5 단계의 실험을 모두 하려면 실험을 125 번 수행해야 하므 로 약 84%정도의 실험 횟수 감소라는 결과를 얻 을 수 있었다.

Table 3 Engine operating factor

Factor Unit Range

Intake pressure mmHg 65~95

EGR rate % 28~34

Swirl ratio - 2~2.4

Table 4 Responses

Factor Unit

Brake Specific fuel Consumption BSFC[g/kWh]

Brake Specific Total-hydrocarbon BSTHC[g/kWh]

Brake Specific Nitrogen Oxides BSNOx[g/kWh]

Brake Specific carbon monoxide BSCO[g/kWh]

Brake Specific Particulate Matter BSPM[g/kWh]

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 성능치의 2 차 회귀분석 블록화되지 않은 RSM 최적화 방법을 이용한 결 과 20 번의 실험을 통하여 3 가지 인자들의 영향 에 대한 반응치(responses)들의 값을 구할 수 있었 고, Minitab R14 를 사용하여 2 차 회귀곡선을 유도 하였다. 3 개의 인자에 대한 2 차 회귀곡선은 다음 의 식과 같은 형태로 표현된다. 1 2 3 1 2 3 1 1 2 2 3 3 1 2 1 2 2 3

( , , )

r f f

f

af

bf

cf

df f

ef f

ff f

gf f

hf f

if f

j

=

+

+

+

+

+

+

+

+

+

여기서 f1은EGR rate를 f2는 swirl ratio를 f3는

intake pressure 를 나타낸다. a~j 는 각 항의 상수계수를 의미하고, DOE 프 로그램을 사용하여 획득한 각 상수 계수는 Table 5 에 나타내었다. 여기서 마지막 상수 항 j 값은 상수 값이다. 2 차 회귀 곡선들이 얼마나 데이터들의 변동을 잘 반영하고 있는지를 나타내는 지수가 상관계수 로서, 상관계수가 1 에 가까울수록 2 차 회귀곡선 은 데이터들의 변동과 실제에 가깝게 반영하고 있는 것이다. 본 연구에서 BSNOx 의 경우 0.978, BSPM 의 경우 0.934, BSFC 경우 0.895, BSTHC 의 경우 0.528 , BSCO 의 경우 0.603 의 상관 계수를 얻었다.

Table 5 Coefficients of regression

BSFC BSTHC BSNOX BSCO BSPM a 4.946 0.0263 -0.15624 0.2598 0.03969 b 2.603 0.00176 -0.03548 0.0788 -0.00339 c -0.402 -0.15888 0.016034 0.2513 0.009197 d 0.384 0.04661 0.029708 0.2871 0.009828 e -1.191 -0.0467 0.00037 -0.1208 0.00235 f -1.009 0.0611 0.018896 -0.0594 -0.00424

g 0.103 0.09407 0.040261 0.3606 -0.00919 h 1.552 -0.02101 -0.03431 0.1467 0.013618 i 0.677 -0.0784 -0.03061 -0.1221 0.011034

3.2 2 차 회귀 방정식의 계수 분석

EGR, Intake Pressure, SCV 의 3 가지 인자들이 반

응치들에 미치는 영향도를 평가하기 위해서 2 차 회귀함수의 상수들을 Fig. 2 ~ 6 에 그래프화 하였 다. 아래의 그래프로부터 각 배기 배출물에 미치 는 영향도를 예측하여 배출물을 줄이기 위한 인 자들에 대한 변수의 거동을 예측할 수 있다. Fig. 2 와 3 에서 볼 수 있듯이 BSNOx 와 BSPM 에 영향을 미치는 인자는 EGR 이 주된 인자이며 EGR 영향으로 NOx 와 PM 이 큰 영향을 받는다. 기존의 연구 결과들[4]과 본 실험을 통해 얻어진 각 반응 치가 인자들에 미치는 영향을 분석해 보 았다. 즉, EGR 의 경우 그 양이 증가할수록 최고 연소 최고 온도가 낮아져 BSNOx 가 저감되나 BSFC 가 증가하게 된다. BSPM 의 경우 EGR rate 가 높아 질수록 연소실 온도가 낮아지고 이로 인 해 연소 특성이 나빠지므로 증가함을 볼 수 있다. Fig. 4 의 BSFC 경우 EGR 과 Swirl ratio 가 주된 인자이며, 이 두 인자들의 상호 작용 또한 BSFC 에 강한 영향을 미친다. Fig. 5 의 BSTHC 의 경우 에는 Swirl 을 제외한 나머지 인자 모두가 Fig. 6 의 BSCO 의 경우에는 전 인자가 영향을 주고 있 다. EGR r a te Sw ir l r a tio P_in take EGR r a te *E GR r a te Sw ir l ratio *Sw ir l r a tio P_ int a k e *P_in take EG R ra te *S w ir l r a tio EG R r a te *P_in take Sw ir l ratio *P_in take -0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 Re gr e s s ion c o e ff ic ien ts f o r B S NO x

Fig. 2 Influence of the variation of the different

terms on the response function about NOx

EG R rate Sw irl r a tio P_in tak e EG R rate*EG R rate Sw irl ra tio*Sw irl ra tio P _ inta k e *P_in tak e EG R rate*Sw irl ra tio EG R rate*P_in tak e Swi rl rat io*P_in tak e -0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Reg re ssi on coe ffi cie nts for BS PM

Fig. 3 Influence of the variation of the different

terms on the response function about BSPM

EG R r a te S w ir l r a tio P_ in ta ke E G R r a te* E G R r a te Sw ir l r a ti o *Sw ir l r a tio P _i nt ak e* P _i nt ak e E G R ra te *S w irl r a ti o E G R r ate* P _i n tak e Sw ir l r a ti o *P_ in ta ke -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 Re gr e ssio n co ef fici ents fo r B S F C

Fig. 4 Influence of the variation of the different

terms on the response function about BSFC

EG R ra te Sw ir l r a ti o P_ in ta k e E G R ra te *E G R r ate Sw ir l r a ti o *Sw ir l r a ti o P _ in ta k e *P _i nta k e E G R r ate *S w irl ra tio E G R ra te *P _i nta k e Sw ir l r a ti o *P_ in ta k e -0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 R e gr es s ion c oef fi c ien ts f o r B S T HC

Fig. 5 Influence of the variation of the different

EGR r a te Sw irl ra ti o P_ in ta ke EG R rate* E G R rate S w ir l ratio* Sw irl ra ti o P _ intak e *P _intak e E G R r a te* S wirl ra ti o E G R rate *P _intak e Sw irl ra ti o *P _ intak e -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 R egres sion coef fi c ient s for BSCO

Fig. 6 Influence of the variation of the different

terms on the response function about BSCO 3.3 결과 분석 실험 계획법을 이용한 2 단 분사 PCCI 엔진 배 기 성능을 기존의 실험을 통한 배기 배출물의 결 과와 비교하였을 때 BSNOx 의 경우 약 35%의 감 소를 나타내었으며, BSPM 의 경우에는 약 67 %의 감소를 보였다 .하지만 BSFC 의 경우에는 약 11% 의 증가를 보여 이를 보완하는 추가적인 실험이 요구 된다

Table 5 Result of optimized responses

4. 결론

본 연구는 실험 최적화 기법(RSM)을 이용하여 4 기통 HSDI 디젤엔진을 대상으로 EGR rate, VGT, SCV 에 따른 성능 및 배기가스에 대한 영향도 평가와 최적화 실험을 통하여 다음의 결과를 얻 을 수 있었다. 1) 최적화 기법을 이용한 결과 실제로 125 회의 실험을 해야 하나 20 회의 실험으로 이를 대체 할 수 있었다. 즉, 약 84%정도 실험 횟수를 줄 일 수 있게 되어 시간과 비용의 절감에서 큰 이득을 볼 수 있었다. 2) 2 차 회귀 분석의 결과 3 개 인자 반응치의 상 관 계수가 BSNOx, BSPM, BSFC 세 경우 89%이 상을 보임으로써 2 차 회귀 분석의 정확도를 보 여 주었다. 3) 실험 계획법을 이용한 2 단 분사 PCCI 엔진 배 기 성능을 기존의 실험을 통한 배기 배출물의 결과와 비교하였을 때 BSNOx 의 경우 약 35% 의 감소, BSPM 의 경우에는 약 67 %의 감소를 보였다 .하지만 BSFC 의 경우에는 약 11%의 증 가를 보여 이를 보완하는 추가적인 실험이 요 구 된다. 4) 각각의 인자들이 반응 치에 주는 영향의 정도 가 다르며 NOx 와 Smoke 의 경우에는 Trade-off 의 관계에 있으므로 목적함수를 어떻게 주어지 는가에 따라 최적화된 인자들의 조합이 달라질 수 있다. 후 기 본 연구는 자동차부품연구원에서 지원하는 "예 혼합 압축 착화 엔진용 연료분사 조건의 최적화" 과제의 일원으로 수행되었다. 참고문헌

1) M. Noguchi, Y. Tanaka, T. Tanaka, Y. Takeuchi, "A Study on Gasoline Engine Combustion by Observation of Intermediate Reactive Products During Combustion", SAE 790840, 1979.

2) S. Onishi, S. H. Jo, K. Shoda, P.D.Jo, S. Katao, " Active Thermo-atmosphere Combustion (ATAC) - A New Combustion Process for Internal Combustion Engines", SAE 790501, 1979.

3) F. Zhao, T. W. Asums, D. N. Assanis, J. E. Dec, J. A. Eng. P. M. Najt, "Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) Engines: Key Research and Development Issues", PT-94, 2003

4) H. M. Kim, J. H. Lee, K. H. Lee, “A Study on the Characteristics of Emission and Combustion in PCCI Engine according to Injection Timing and Ratio”, KSAE spring conference, 2008

5) D.B. Jeong, J.H Bang, K.D. Min,”A Study on the Optimization of Operating Variables in a Diesel Engine by Design Of Experiments”, Spring Conference of KSAE Vol.1, 2008

Response Conventional 2-stage

injection Remarks

BSNOx (g/kwh) 1.35 0.87 - 35 % BSPM (g/kwh) 0.28 0.09 - 67 %