Establishing HP/LP-EGR System and Founding Operating Strategy of Low Temperature Combustion Engine to Improve Fuel Consumption

Copyright

2014 KSAE / 129-11 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149

Transactions of KSAE, Vol. 22, No. 3, pp.81-89 (2014)

연료소비율 개선을 위한 고압/저압 배기재순환 시스템 구축 및 저온연소 엔진의 운전전략 수립

신 승 협․한 영 덕․심 의 준․김 득 상^*

두산인프라코어 엔진선행개발팀

Establishing HP/LP-EGR System and

Founding Operating Strategy of Low Temperature Combustion Engine to Improve Fuel Consumption

Seunghyup Shin․Youngdeok Han․Euijoon Shim․Duksang Kim^*

Advanced Engine System Development Team, Doosan Infracore, 10 Suji-ro, 112 Beon-gil, Suji-gu, Yongin-si, Gyeonggi 448-795, Korea

(Received 31 October 2013 / Revised 16 January 2014 / Accepted 27 January 2014)

Abstract : This study researched on the effect of HP/LP-EGR system to improve fuel consumption of Low Temperature Combustion Engine. Firstly, low temperature combustion engine with HP/LP-EGR system was established using 6.0L wastegate turbocharger HDDI engine. And suppliable EGR rate of the engine was proven to be enough to realize stable low temperature combustion. Then, optimum operating strategy was founded to develop fuel consumption of the engine. Control parameters were HP/LP-EGR valve and IPCV(Intake Pressure Control Valve) duty. Experiments method was that characteristics of the engine were measured and analyzed according to HP/LP-EGR strategies while EGR rate was fixed. Operating range for the strategy were divided into three parts, low load for low temperature combustion, high load for conventional diesel combustion, and transient condition.

Finally, with the above strategy of this study, BSFC of the engine was improved about 2% compared to the base engine, and emission level, NOx and PM, met Tier4Final emission regulation.

Key words : DI engine(직접분사 엔진), HP-EGR(고압 배기재순환), LP-EGR(저압 배기재순환), Low temperature combustion(저온연소), Turbocharger(터보차저), Exhaust pressure(배기압력), Intake pressure(흡기압력), BSFC(제 동연료소비율), PMEP(펌핑손실)

Nomenclature

BSFC : brake specific fuel consumption, g/kWh CDC : conventional diesel combustion EGR : exhaust gas recirculation HP : high pressure

IPCV : intake pressure control valve

*

A part of this paper was presented at the KSAE 2013 Annual Conference and Exhibition

*

Corresponding author, E-mail: [email protected]

LTC : low temperature combustion LP : low pressure

PMEP : pumping mean effective pressure, bar

1. 서 론

최근 강화되는 디젤엔진 배기규제를 만족시키기

위하여 엔진 자체의 배기 저감을 목표로 여러 가지

기술이 개발 및 대두되고 있다. 그 중 가장 대표적인

방법으로는 배기재순환 기술을 들 수 있다. Fig. 1은

신승협․한영덕․심의준․김득상

Fig. 1 Schematic diagram of EGR system

HP-EGR과 LP-EGR의 구조를 개략적으로 표현한 그 림이다. 이전에는 EGR 공급 방법으로 HP-EGR(high- pressure exhaust gas recirculatio, 고압 배기재순환)을 주로 적용하였다. HP-EGR 은 EGR 율을 증가할수록 배기압력이 감소하여 PMEP가 감소하는 장점이 있 으나, 터빈 쪽으로 유입되는 배기가스 유량이 줄어 들어 터빈을 효율적으로 사용하는데 한계가 있다.

이러한 단점의 보완 기술로 LP-EGR (low-pressure exhaust gas recircultation, 저압 배기재순환)의 연구 역시 진행되고 있는데, LP-EGR은 EGR 양에 관계없 이 터빈으로의 유량 차이가 없어 다량의 EGR을 흡 기 압력의 저하를 최소화하면서 공급할 수 있다.

HP-EGR과 LP-EGR의 적용은 저온연소에 필요한 다량의 EGR을 안정적으로 공급할 수 있게 하였 다.

저온연소는 기존의 엔진 대비 다량의 EGR을 공급함으로써 NOx와 PM의 배출을 저감하는 신연 소기술이다.

Fig. 2는 디젤연소모드와 배기물질 생 성 영역의 상관관계를 연소실 내부온도와 연료-공기 혼합비율의 측면에서 도시한 그림이다. 질소산화물 은 연소실 내부온도가 높고, 연료에 비해 공기의 비 율이 높을수록 증가하고, 입자상물질은 연료의 비율 이 공기에 비해 높을수록 증가한다. 저온연소는 다 량의 EGR을 공급함으로써, 연소 온도를 감소시켜 질소산화물을 저감하는 한편, 연소지연을 증가시켜 분사전략 최적화를 통해 연료-공기의 Mixing을 개선 하여 입자상물질 역시 저감할 수 있는 장점이 있다.

이에 본 논문에서는 6.0L Wastegate 사양의 터보 차저가 장착된 HDDI(Heavy Duty Direct Injection) 엔 진을 이용하여 HP, LP-EGR 시스템을 구축하였다.

또한 엔진의 운전영역 및 연소조건을 저온연소와

Fig. 2 Relation between diesel combustion mode and emission on Φ-T chart

일반디젤연소로 구분한 뒤, 연료소비율 개선을 위 한 HP/LP-EGR의 운전전략을 수립하였다.

2. 본 론

저온연소의 안정적인 구현을 위해 기존의 HP-EGR 만을 적용한 엔진에 LP-EGR을 추가로 적용하였다.

또한 저온연소가 가능한 EGR율을 50%로 설정하고, 0-D와 Fig. 3과 같이 1-D Wave를 이용하여 LP-EGR 최적화를 진행하였다.

엔진 시뮬레이션 프로그램인 WAVE는 흡, 배기 를 포함한 엔진시스템 전체의 유동은 전산유체역학 (CFD; Computational Fluid Dynamics) 기법으로, 엔 진 내 연소현상은 모델링을 통해 단순화하여 해석 을 수행한다.

LP-EGR 관경은 실험값으로부터 획득한 50%

EGR율 달성에 필요한 최소 EGR 유량을 Boundary condition으로 식 (1)의 베르누이 방정식을 이용해 유속을 계산하였다. 이를 식 (2)의 유량식에 대입하

Fig. 3 1-D model added LP-EGR loop in engine system

연료소비율 개선을 위한 고압/저압 배기재순환 시스템 구축 및 저온연소 엔진의 운전전략 수립

Fig. 4 LP-EGR cooler effect by 1-D Wave

여 필요한 관경을 계산하였다.

P +  gh + 1/2  v

= 일정 (1)

Q = AV (2)

계산 결과 필요한 최소 LP-EGR 관경은 48.9mm 였으며, EGR valve 내경과 함께 파이프 관경을 50mm로 선정하였다.

그리고 LP-EGR cooler 설치를 통해 EGR 온도를 충분히 낮추고 압축기의 효율을 높이고자 하였다.

Cooler 쪽 내경 역시 관로 손실을 최소화하기 위해 EGR Valve와 같은 관경을 적용하였다.

Fig. 4는 1400rpm에서 52.5%의 EGR율과 동일한 연료량을 유지하였을 때, LP-EGR cooler의 유무에 따른 1-D 해석결과이다. LP-EGR cooler 가 적용된 경우가 LP-EGR cooler가 배제되었을 때에 비해 출 력은 약 16.5%, 흡입 유량은 18% 증가함을 나타내 었다. 이에 따라 LP-EGR Cooler 적용이 필수적임을 알 수 있었다.

기존의 HP-EGR에 LP-EGR을 추가 적용한 시스 템의 EGR율을 1-D Wave를 통해 평가하였다. Fig. 5 의 결과와 같이 HP/LP-EGR을 통해 EGR율을 45%

load에서 50.8%까지 공급 가능하였으며, 총 EGR율 에서 LP-EGR loop로 공급 가능한 EGR율은 약 24.5%

였다.

또한 Fig. 6은 HP-EGR 유량을 100으로 하였을 때, EGR 유로 개선 전후의 LP-EGR 유량을 나타낸 그래 프이다. LP-EGR cooler를 장착하지 않고, LP-EGR 관경 역시 최적화되지 않은 엔진에서 실험하여 측

Fig. 5 EGR proportion of HP/LP-EGR loop

Fig. 6 EGR flow rate of HP/LP-EGR loop

Fig. 7 3-D modeling of EGR layout in engine system

정한 HP/LP-EGR 유량과 LP-EGR cooler를 장착한 시스템의 1-D 계산값을 비교한 결과, 전체 EGR에서 LP-EGR의 유량이 차지하는 비율이 비약적으로 증 가하는 것으로 나타났다.

위의 1-D에서 도출한 설계안을 바탕으로 3-D 설

계를 통해 Fig. 7에서 보이는 바와 같이 실제 엔진에

EGR 시스템의 Layout을 검토를 진행하였다. LP-EGR

Seunghyup Shin․Youngdeok Han․Euijoon Shim․Duksang Kim

은 후처리 DOC 후단에서 배기가스를 추출하여 흡기 Compressor의 전단에서 신기와 합류하도록 하였다.

2.2 저온연소 운전영역

일반적으로 저온연소는 운전 가능한 출력 범위가 한정되어 있다고 알려져 있다. 저온연소는 배기 감 소의 장점이 있으나, 일정 부하 이상에서는 저온연 소로 인한 배기 감소 효과보다는 신기량의 부족으 로 인한 출력 및 연비 악화의 효과가 더 크다. 따라 서 저온연소와 일반디젤 연소의 운전영역을 결정하 는 것은 저온연소 엔진에서 필수적이다.

저온연소와 일반디젤연소 영역에서의 EGR 운전 전략을 수립하기 위한 본 연구의 실험에 앞서, 저온 연소의 운전영역을 설정하였다.

Fig. 8은 이전의 연구에서 도출한 저온연소 운전 영역을 확장에 관한 그림이다.

저온연소 운전영역 을 최대 51% load까지 확장을 하였으며, 이에 본 실

Fig. 8 LTC operating range expansion

Fig. 9 Engine operation strategy

험에서도 저온연소 운전영역의 한계를 50%로 설정 하였다. 그 이상의 부하에서는 일반 디젤연소의 운 전조건을 설정하여 실험을 진행하였다. Fig. 9는 위 운전영역을 구분한 전략에 따라 간략하게 도시한 운전영역 별 연소모드에 관한 그림이다.

2.3 엔진 제원 및 실험 방법 2.3.1 엔진 제원

실험은 6.0L HP-EGR system을 갖춘 당사의 DL06 엔진에 다량의 EGR 공급을 구현하기 위한 목적으 로 LP-EGR을 추가 적용하였다. 또한 LP-EGR의 효 율을 극대화하기 위해 IPCV(흡기압력조절밸브)를 적용함으로써 엔진을 개선하였다. Table 1은 엔진 제원이며, Fig. 10은 최종 구축한 엔진의 개략도 및 실물 사진이다.

Table 1 Engine specification

Item Specification

Engine type Inline 6 cylinders diesel

Displacement 5892cc

Bore × Stroke 100mm × 125mm

Swirl ratio 1.7

Turbocharger WGT

EGR HP+LP (Throttled)

HP-EGR loop diameter 45mm

LP-EGR loop diameter 50mm

After treatment DOC + SCR

2.3.2 실험조건 및 방법

앞서 설정한 저온연소 운전영역을 바탕으로, 운 전 조건별로 상이한 부하 별 EGR 영역에서 실험을 진행하였다. 저온연소 영역에 해당되는 50% load 이 하의 출력에서는 다량의 EGR 영역인 50% EGR 율 로, 50% load를 초과하는 부하에서는 부하에 따라 각각 25% EGR 율에서 실험을 진행하였다.

실험은 동일한 EGR율에서 HP-EGR과 LP-EGR의 비중에 따라 변화되는 양상을 측정하는 방법으로 진행하였다.

운전 조건 별로 변화시키는 요소는 다르다. Fig. 11

과 같이 50% load 이하의 저온연소 운전조건에서는

HP-EGR valve duty와 IPCV valve duty를 변화시키며

Establishing HP/LP-EGR System and Founding Operating Strategy of Low Temperature Combustion Engine to Improve Fuel Consumption

Fig. 10 Diagram and substance of the engine

Table 2 Experimental condition 1400rrpm

1800rpm

Load (%)

25 50 75

EGR rate

(%) 50 50 25

일정한 EGR율을 유지하며 결과값을 측정하였다.

이는 IPCV를 통해 저온연소 구현을 위해 다량의 EGR을 안정적으로 공급함과 동시에 LP-EGR의 비 중을 효율적으로 조절하기 위함이었다.

Fig. 11 HP/LP-EGR, IPCV duties to maintain target EGR rate in LTC range at 1400rpm, 25% load, and 50%

EGR

Fig. 12 HP/LP-EGR valve duties in CDC range at 1800rpm, 75% load, and 25% EGR

반면에 Fig. 12와 같이 50% load 이상의 일반디젤 연소 조건에서는 HP-EGR과 LP-EGR의 valve duty를 변화시키며 목표 EGR율로 고정하였다. 일반디젤연 소 조건에서는 다량의 EGR이 필요하지 않기 때문 에 IPCV는 사용하지 않고 최대로 열어 두었다.

2.4 실험결과 및 논의 2.4.1 저･중부하 저온연소

50% load 이하의 저온연소 운전조건에서 EGR 운 전전략을 연료소비율 측면에서 살펴보았다. 저온연 소 운전조건에서의 EGR 운전전략은 저부하, 중부 하의 전략으로 나눌 수 있다.

저부하(~25% load) 저온연소에서는 LP-EGR을

충분히 사용하는 상태에서 부족한 EGR을 HP-EGR로

보조하는 전략이 연료소비율 감소에 유리하였다.

신승협․한영덕․심의준․김득상

Fig. 13 BSFC, PMEP, and boost pressure at 1400rpm, 25%

load

Fig. 14 BSFC trend at 1800rpm, 25% load

Fig. 13은 저부하 영역인 1400rpm 25% load에서의 BSFC, PMEP, 터보차저 압축기 후단의 과급압력을 나타내고 있다.

IPCV의 valve를 닫음으로써 LP-EGR의 비중이 높 아지면, 즉 HP-EGR의 비중이 상대적으로 낮아지면 PMEP가 증가한다. 이는 BSFC 악화 요소라고 할 수 있다. 반면에 터보차저 효율 개선으로 인해 과급압 력이 상승한다. 이는 BSFC 개선에 긍정적인 요소이 다. BSFC에 미치는 두 가지 요소의 상관관계에 따 라 최종 BSFC가 결정되는데, 저부하에서는 그림과 같이 LP-EGR의 비중이 HP-EGR보다 상대적으로 높 을 때, BSFC 가 개선되는 것을 알 수 있다. 이는 저부 하에서는 배기 유량이 터보차저 효율을 충분히 끌 어내기에 부족하기 때문이다. 따라서 LP-EGR을 적 극적으로 사용함으로써 터빈으로 배기 유량을 보다

Fig. 15 BSFC, PMEP, and boost pressure at 1400rpm, 50%

load

더 많이 공급하여 터보차저의 효율을 높이는 것 이 PMEP가 증가하여 일의 손실을 가져오는 것보다 더 큰 효과가 있어 BSFC가 개선된다.

Fig. 14는 1800rpm 25% load에서의 HP-EGR valve duty에 따른 BSFC 경향이다. 1400rpm 25% load와 마찬가지로 HP-EGR에 비해 LP-EGR의 비중이 상대 적으로 높은 경우 BSFC가 개선된다.

중부하(25 ~ 50% load) 저온연소 운전조건에서의 EGR 운전전략은 다음과 같다.

Fig. 15와 같이 1400rpm 50% load에서 50% EGR 율의 공급이 가능한 HP-EGR, LP-EGR과 IPCV의 조 합이 한정적이었다.

HP-EGR valve duty를 줄이면서 LP-EGR의 비중 을 높이기 위해 IPCV를 닫으면 충분한 EGR율이 확 보되지 않을 뿐 아니라, Throttling 효과로 인해 신기 가 충분히 공급되지 않아 출력 역시 저하되었다.

이는 저온연소 운전영역의 한계인 50% load에서

연료소비율 개선을 위한 고압/저압 배기재순환 시스템 구축 및 저온연소 엔진의 운전전략 수립

Fig. 16 BSFC, PMEP at 1800rpm, 50% load

50% EGR을 공급하기 위해서는 HP-EGR과 LP-EGR 을 가용한계에서 운용해야 한다는 것을 의미한다.

중부하(50% load) 저온연소에서 EGR에 따른 BSFC 경향을 조금 더 명확히 관찰하기 위해 Fig. 16 과 같이 1400rpm 50% load 보다 더 유량이 많은 1800rpm 50% load의 결과를 살펴보았다. 1800rpm에 서는 1400rpm에 비해 터빈으로 유입되는 배기유량 이 많아 HP-EGR의 비중을 줄여도 EGR공급 및 출력 유지가 수월하여 많은 실험 데이터를 확보할 수 있 었다.

중부하 저온연소 운전조건에서는 앞선 1400rpm 와 마찬가지로 HP-EGR Valve duty를 최대로 열어야 BSFC가 개선되었다. 앞서 실험방법에서 언급한 바 와 같이 저온연소 운전조건에서는 LP-EGR valve를 최대로 열고, IPCV로 LP-EGR의 비중을 조절하였 다. 즉 HP-EGR의 Valve duty가 줄어들면, IPCV를 더 닫아서 LP-EGR의 비중을 늘린다. 중부하 저온연소 에서는 HP-EGR의 비중이 줄어들수록 IPCV에 의한 Throttling 효과가 크게 되어 BSFC에 악영향을 미친 다. 따라서 HP-EGR과 LP-EGR valve duty가 최대인 상태에서 IPCV를 상대적으로 적게 사용하면서 EGR 율을 맞추는 것이 저온연소를 안정적으로 구현함과 동시에 BSFC를 개선할 수 있는 전략이라 할 수 있다.

2.4.2 고부하 일반디젤연소

50% load 이상의 고부하 일반디젤연소에서의 연 료소비율에 따른 EGR 운전전략은 저부하에서의 전 략과 다른 양상을 보인다.

고부하 일반디젤연소 조건에서의 EGR율은 약

Fig. 17 BSFC, PMEP, and boost pressure at 1400rpm, 75%

load

25%로 설정하여 실험을 진행하였다. 해당 EGR율은 HP/LP-EGR의 동시 사용만으로도 안정적으로 공급 할 수 있는 수준이다. 따라서 고부하 일반디젤연소 조건에서는 IPCV 사용을 배제하고, HP-EGR과 LP-EGR만으로 EGR의 운전전략을 평가하였다.

Fig. 17은 1400rpm 75% load에서의 BSFC, PMEP, 압축기 후단의 과급압력을 도시한 그림이다.

HP-EGR의 비중이 증가하고 동시에 LP-EGR의 비중이 감소함에 따라, PMEP가 감소한다. 이는 BSFC 개선 요소이다. 반면에 터보차저에 유입되는 배기가스의 유량이 줄어들어 터보차저의 효율이 감 소한다. 이에 따라 압축기 후단의 압력이 감소하는 데 이는 BSFC 악화 요소이다. BSFC에 영향을 미치 는 두 가지 요소의 상관관계에 따라 BSFC의 경향이 결정된다. 고부하 일반연소 조건에서는 PMEP가 감 소하여 BSFC 개선에 미치는 영향이 터보차저 효율 이 감소하여 BSFC에 미치는 악영향보다 크다. 이는 배기가스 유량이 이미 터보차저의 효율을 끌어내기 에 충분하기 때문이다. 따라서 고부하 일반디젤연 소에서는 HP-EGR을 LP-EGR보다 적극적으로 사용 하는 전략이 BSFC 개선에 유리하다.

Fig. 18에서는 1800rpm 75% load에서의 BSFC, PMEP, 압축기 후단 과급압력을 나타내었다. 1400rpm과 마 찬가지로 HP-EGR의 비중이 늘어날수록 BSFC가 감 소하는 동일한 경향을 나타내고 있다.

2.4.3 연료소비율 개선을 위한 EGR 운전전략

앞선 실험과 분석을 바탕으로 수립한 최종 EGR

운전전략은 Fig. 19와 같다.

Seunghyup Shin․Youngdeok Han․Euijoon Shim․Duksang Kim

Fig. 18 BSFC, PMEP, and boost pressure at 1800rpm, 75%

load

Fig. 19 Operating strategy of HP/LP-EGR for BSFC

50% load 이하의 저·중부하에서는 HP/LP-EGR을 모두 사용하고 IPCV를 이용하여 다량의 EGR을 안 정적으로 공급한다. 이 경우 터보차저의 일을 효율 적으로 사용하는 방향으로 EGR 운전전략을 수립한 다. 따라서 LP-EGR을 최대로 사용하면서 HP-EGR 로 부족한 EGR율을 보조한다.

50% load 이상의 고부하에서는 IPCV의 사용을 배제한 상태에서 HP-EGR을 주로 사용하여 PMEP 를 최소화한다.

저온연소에서 일반디젤연소로의 모드 전환이 일 어나는 과도 운전구간에서는 LP-EGR의 비중을 줄 여나가면서 자연스럽게 고부하에서의 EGR 운전전 략으로 전환될 수 있도록 한다.

최종 수립한 저온연소 엔진의 연료소비율 개선을 위한 EGR 운전 전략을 바탕으로 Fine Calibration을 진행한 결과, NRSC 모드 기준으로 NOx와 PM 모두

Tier4Final 규제를 만족하였으며, 연비를 Base엔진 대비 2.01% 개선하였다.

3. 결 론

본 연구에서는 6.0L Wastegate 사양의 터보차저 가 장착된 HDDI(Heavy Duty Direct Injection) 엔진을 이용하여 연료소비율 개선을 위한 HP, LP-EGR의 운전전략을 수립하고자 하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같다.

1) 저온연소의 안적정인 구현이 가능한 고압, 저압 배기재순환 시스템을 엔진에 적용하여 저온연소 엔진을 구축하였다.

2) 저온연소 엔진의 연료소비율 개선을 위한 최적 EGR 운전전략을 수립하였다. EGR 운전전략은 부하와 연소모드에 따라 나뉜다. 저･중부하 저온 연소 구간에서는 HP/LP-EGR을 모두 사용하고 IPCV를 이용하여 다량의 EGR을 안정적으로 공 급한다. 고부하 일반디젤연소 구간에서는 HP-EGR 을 주로 사용한다. 또한 저온연소와 일반디젤연 소의 모드 전환 구간에서는 LP-EGR의 비중을 조 절한다.

3) 최종 수립한 EGR 운전전략을 바탕으로 Fine Cali- bration을 진행한 결과, Tier4Final 배기규제를 만 족한 상태에서 연비를 2.01% 개선하였다.

후 기

본 연구는 지식경제부에서 지원하는 산업원천 기 술개발 사업의 연구결과 중 일부이며, 이에 관계기 관에 감사의 뜻을 전합니다.

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