Experimental Evaluation of EGR and Fuel Injection Pressure on Combustion, Size-resolved Nano-particle and NOx Emissions Characteristics in an Advanced Light-duty Diesel Engine

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승용 디젤 엔진의 배기가스재순환 및 연료 분사 압력 제어전략에 따른 연소, 입자상 물질 및 질소 산화물 배출 특성에 관한 연구

유 정 빈¹⁾․고 아 현¹⁾․장 원 욱¹⁾․백 승 하¹⁾․진 동 영¹⁾․명 차 리¹⁾․박 심 수^*1)․한 정 원²⁾

고려대학교 기계공학과¹⁾․현대자동차 성능시험팀²⁾

Experimental Evaluation of EGR and Fuel Injection Pressure on Combustion, Size-resolved Nano-particle and NOx Emissions Characteristics in an

Advanced Light-duty Diesel Engine

Jung Been You¹⁾․Ahyun Ko¹⁾․Wonwook Jang¹⁾․Sungha Baek¹⁾․Dong Young Jin¹⁾․ Cha-Lee Myung¹⁾․Simsoo Park^*1)․Jung Won Han²⁾

1)School of Mechanical Engineering, Korea University, Seoul 136-701, Korea

2)Hyundai & Kia R&D Division, 150 Hyundaiyeonguso-ro, Hwaseong-si, Gyeonggi 445-706, Korea (Received 4 December 2013 / Revised 3 March 2014 / Accepted 10 July 2014)

Abstract : In order to satisfy stringent future emission regulation in diesel engines, systematic approaches to mitigate the harmful exhaust emissions were developed, such as engine hardware, fuel injection equipment, engine control, and after-treatment system. In this study, to improve the nano-particle and NOx emissions from a state-of-the-arts diesel engine, effect of various EGR and fuel injection pressure with combustion analysis were evaluated. Size-resolved nano-particle and NOx emissions showed trade-off characteristics with various EGR rate and increment of fuel injection pressure.

Key words : EGR(배기재순환), NOx(질소산화물), Nano-particle(입자상물질), Fuel injection pressure(연료분사 압력), Diesel engine(디젤엔진)

Nomenclature

¹⁾

IMEP : indicated mean effective pressure, bar BMEP : brake mean effective pressure, bar MBF : mass burned fraction, %

1. 서 론

자동차에서 배출되는 배기가스는 대기오염의 주 요한 원인으로써, 세계적으로 자동차에서 배출되는 배기가스 규제를 점점 강화하는 추세이다. 자동차 에서 배출되는 질소 산화물 및 입자상 물질은 중추 신경 및 호흡기를 자극하고 산성비 및 대기 중에서

*Corresponding author, E-mail: [email protected]

화학 반응으로 광화학 스모그를 생성하는 것으로 알려져 있다.

^1,2)

2014년 9월부터 국내에 적용되는 승용 디젤 엔진 차량의 EURO 6 질소 산화물 규제치는 EURO 5 대 비 약 56% 강화된 0.08 g/km 이며, 입자상 물질의 규 제치는 0.005 g/km 및 6.0 × 10

¹¹

N/km 이다. 또한 미 국의 환경 규제인 Tier2 Bin5의 경우, 질소 산화물은 0.043 g/km, 입자상 물질은 0.006 g/km 이다. 강화된 디젤 엔진의 환경 규제를 만족하기 위해서는 향상 된 배기가스 저감 기술이 필요하다.

본 연구에서는 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 과

연료 분사 압력 변화를 이용하여 디젤 엔진의 배출

가스 저감에 초점을 맞추었다. EGR은 엔진에서 배

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승용 디젤 엔진의 배기가스재순환 및 연료 분사 압력 제어전략에 따른 연소, 입자상 물질 및 질소 산화물 배출 특성에 관한 연구

Table 1 Emission gas regulations

Emission gas EURO 6 Tier2 Bin5

NOx 0.08 g/km 0.043 g/km

PM 0.005 g/km

0.006 g/km 6.0 × 10¹¹ N/cc

출되는 배기의 일부를 흡기계로 재순환시켜 실린더 내로 들어가는 공기의 일부를 배기로 치환하는 기 술로써, 디젤 엔진에서 발생하는 질소 산화물의 저 감을 위해 빈번하게 사용된다. 하지만 질소 산화물 을 줄이기 위하여 사용하는 EGR은 실린더 내 연소 를 악화시켜 입자상 물질의 생성량을 증가시키는 것으로 알려져 있다.

3-6,10-14,18)

한편, 실린더 내 분사되는 연료의 분사 압력이 증 가하면 분사되는 연료 액적이 더욱 미립화 되어 연 료와 공기가 접촉하는 면적이 넓어지므로 연소 시 간이 단축되고 연소 효율이 증가하여 입자상 물질 의 생성량이 감소하는 것으로 알려져 있다.

^7,15)

본 실험은 EGR 및 연료 분사 압력 변화가 디젤 엔 진 배기가스의 질소 산화물 및 입자상 물질의 개수 농도 변화에 미치는 영향을 분석하는 것을 주 목적 으로 한다.

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2. 실험 장비 및 실험 방법

2.1 실험 장비

본 실험은 EURO 5 규제를 만족하는 1.6L 디젤 엔 진을 사용하여 진행하였다.

Table 2는 실험에 사용된 엔진의 제원이다. 이 엔 진의 최대 출력은 4,000 rpm에서 128 마력이며, 최대 토크는 1,900 ~ 2,750 rpm에서 26.5 kgm 이다. 연료는 한 사이클 당 5번의 분사가 가능하며 연료 분사 압 력은 최대 1,600 bar이다. EURO 5 규제를 맞추기 위 해 DOC(Diesel Oxidation Catalyst), DPF(Diesel Par- ticulate Filter)가 장착되어 있다. 또한 VGT(Variable Geometry Turbocharger, 전자식 가변 터보차저) 및 EGR 시스템 등으로 구성되어 있다.

또한 엔진 동력계를 사용하여 실험 조건을 유지 하였고 흡기 온도(T

a

)는 25°C, 냉각수 온도(T

c

)는 80°C

Fig. 1 Experimental schematic diagram Table 2 Engine specifications

Engine type In-Line 4 DOHC VGT Bore × stroke (mm) 77.2 × 84.5

Displacement (cc) 1,582

Compression ratio 17.3

Emission EURO 5

Max. power (hp) 128

Max. torque (kgm) 26.5

Table 3 NOx logger specifications Mobiltek MT2700 NOx logger Measuring range 0 ~ 3,000 ppm

Input NOx Sensor 2 Ch. (D-sub. 9 pin) Output 2 Ch. NOx Voltage output

Input power DC 24V

Table 4 Dynamometer specifications MEIDENSHA EC-80 (eddy current) Absorption capacity 260 kW

Absorption torque 726 Nm

Speed 2,500 ~ 7,000 rpm

Constant torque range 700 ~ 2,500 rpm Load moment of inertia J 0.41 kgm²

Applicable load cell 2,450 N

Table 5 Particulate analyzer specifications Cambustion DMS500

Particle spectrum 5 ~ 2,500 nm

Time response 200 ms

Measurement 2 stage dilution

로 고정하였다. 엔진에서 배출되는 질소 산화물은

NOx 센서를 이용하여 측정하였고, 입자상 물질은

DMS(Differential Mobility Spectrometer, 고속 입자상

물질 분석기)를 이용하여 측정하였으며, 엔진에서

배출되는 배기가스는 DPF

¹⁶⁾

의 영향을 배제하기 위

하여 DPF 전단에서 측정하여 분석하였다. 실험에

사용된 장비의 사양은 Table 3, 4, 5에 나타나 있다.

(3)

Jung Been You․Ahyun Ko․Wonwook Jang․Sungha Baek․Dong Young Jin․Cha-Lee Myung․Simsoo Park․Jung Won Han

2.2 실험 방법

Table 6은 엔진 실험의 운전 조건이다. 본 실험은 NEDC(New European Driving Cycle) 모드 에서 많이 사용되는 부하 조건인 1,250 / 1,500 rpm, BMEP 2.0 / 4.0 / 6.0 bar에서 진행하였다.

EGR rate 변경 실험에서는, EGR rate를 증가시킬 경우 연소 효율 감소로 인하여 엔진 출력이 감소되 므로 엔진의 출력을 동일하게 유지하며 시험을 진 행하였다. 또한 EGR rate 상승으로 인한 연소 안정 성 저하를 고려하여 최대 EGR rate를 결정하였다.

하지만 EGR rate를 상승시키면 입자상 물질의 생 성량이 증가하기 때문에, 적절한 연소 조건 변화를 통하여 입자상 물질의 생성을 억제해야 한다. 본 실 험에서는 입자상 물질의 생성을 억제하는 방법으로 연료 분사 압력을 선정하였으며, 연료 분사 압력은 NOx가 크게 증가하지 않는 범위까지 증가시키며 실험을 진행하였다.

Table 6 Operation condition

Engine speed (rpm) BMEP (bar)

1,250 2.0

4.0

1,500 4.0

6.0

Table 7 Max EGR rate Operation condition

Max EGR

rpm BMEP

1,250 2.0 bar 25 %

4.0 bar 10 %

1,500 4.0 bar 35 %

6.0 bar 20 %

3. 실험 결과

EGR 변경 실험은 EGR을 사용하지 않은 경우 (non-EGR)부터 최대 EGR rate(max-EGR)까지 증가 시키며 진행하였고, 연료 분사 압력 변경 실험은 연 소를 악화시키지 않는 압력을 최소 기준으로 정하 고 압력을 점차적으로 증가시키며 진행하였다.

3.1 EGR Rate 변경 실험

Fig. 2는 각각의 운전 조건에서 non-EGR 및 max-

Fig. 2 CoV of IMEP

Fig. 3 Cylinder pressure at 1,250 rpm / BMEP 4.0 bar

EGR의 50 cycle의 평균 IMEP(Indicated Mean Effec- tive Pressure)를 이용하여 계산한 연소 안정성 값을 나타낸다. 실험에서 설정된 모든 운전 조건에서 EGR rate가 증가할 때 CoV(Coefficient of Variation) 값이 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 EGR rate를 증 가시킬수록 흡기 내의 배기의 양이 증가하여 실린 더 내 산소 농도를 감소시키고, 재순환된 배기가스 에 의한 소염(Quenching)으로 인하여 연소가 불안정 해지기 때문이다.

Fig. 3은 1,250 rpm / BMEP 4.0 bar에서의 실린더 압력을 나타낸다. EGR rate를 증가시키면 연소 최고 압력이 감소하는 경향이 나타났다. non-EGR 대비 max-EGR에서 연소 최고 압력이 약 12 bar 감소하였다.

Fig. 4, Fig. 5는 각각 1,250 rpm / BMEP 4.0 bar에서

의 질량 연소율과 열 발생률을 나타낸다. 질량 연소

율의 경우 non-EGR 대비 max-EGR에서 MBF(Mass

Burned Fraction) 10%를 기준으로 약 11 deg CA, 50%

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Experimental Evaluation of EGR and Fuel Injection Pressure on Combustion, Size-resolved Nano-particle and NOx Emissions Characteristics in an Advanced Light-duty Diesel Engine

Fig. 4 Mass burned fraction at 1,250 rpm / BMEP 4.0 bar

Fig. 5 Rate of heat released at 1,250 rpm / BMEP 4.0 bar

기준으로 약 8 deg CA 지각되었다. 열 발생률의 경 우 최고점이 약 8 deg CA 지각되었으며 최고 열 발 생률 또한 7% 감소하였다. 이러한 현상은 EGR로 인 한 착화 지연 때문으로써, EGR을 증가시키면 공기- 연료 혼합기의 산소 농도가 감소하므로 예혼합 연 소가 지각되기 때문이다.

실험 결과 연소과정이 전체적으로 지각되는 것으 로 나타났으며, 이러한 연소 분석을 통해 EGR이 증 가할수록 연소 효율이 저하되는 것을 확인할 수 있 었다.

Fig. 6 ~ 9는 각각의 운전조건에서 EGR rate 변화에 따른 배기가스의 질소 산화물과 입자상 물질의 개 수 농도를 나타낸다. 전체적으로 EGR rate가 증가할 수록 질소 산화물은 감소하고 입자상 물질은 증가 한다. 모든 실험 운전 조건에서 non-EGR 대비 max- EGR에서 질소 산화물 농도가 80% 이상 감소하였다.

질소 산화물은 엔진 내 연소 시 고온 / 고압 상태

Fig. 6 NOx/PM emission at 1,250 rpm / BMEP 2.0 bar

(5)

유정빈․고아현․장원욱․백승하․진동영․명차리․박심수․한정원

Fig. 10 Particle concentration at 1,250 rpm / BMEP 2.0 bar

에서 N

2

와 O

2

가 반응하여 생성되는데, 이때 공기-연 료 혼합기의 연소 최고 온도에 큰 영향을 받는다고 알려져 있다.

^3,8)

EGR을 이용하여 신기의 일부를 배 기로 치환하면 산소 농도가 감소하고 CO

2

, H

2

O 등 을 포함한 배기로 인하여 열용량이 증가하므로 연 소 온도가 저하된다. 이러한 현상(연소 온도 저하) 으로 인해 질소 산화물의 생성이 억제된다. 하지만 산소 농도 저하로 인한 연소 효율 감소는 입자상 물질 의 생성량을 증가시키게 된다(NOx / PM trade-off).

¹⁷⁾

Fig. 10 ~ 13은 각각의 운전조건에서 EGR rate 변 화에 따른 입자상 물질 입경의 분포 특성을 나타낸 다. 전체적으로 EGR rate를 증가시킬수록 입자상 물 질의 농도가 증가하는 경향이 나타났다.

EGR을 사용하면 흡기내의 재순환된 배기가 소염 층 역할을 하여 연소 효율이 저하되고 연소 안정성 이 악화된다. 불완전 연소로 인한 미연 탄화수소는 입자상 물질 생성의 주요 원인으로써, EGR rate의 상승은 입자상 물질의 생성을 증가시키게 된다. 한 편, ECU에서는 이러한 현상(연소 효율 저하)를 상 쇄하여 엔진의 출력을 유지하기 위해 연료 분사량 을 증가시킨다. 하지만 연료(탄화수소) 분사량의 증 가 또한 입자상 물질의 생성량을 증가시키는 원인 이 된다.

입자상 물질은 연료(탄화수소)가 열분해 하여 발 생한 탄소 성분이 응집하여 생성된다. 이렇게 생성 된 입자는 고온의 연소로 인해 대부분 산화된다. 하 지만 EGR을 증가시키면 산소 농도 및 연소 온도가 감소하여 입자의 산화반응이 억제된다. 추가적으로 EGR로 인한 연소 온도 감소는 유기 성분의 생성량 을 증가시키고 입자들의 응집을 촉진시켜 입자상 물질의 입경을 증가시킨다. 그 결과 EGR rate를 증 가시키면 100 nm 부근의 축적모드 입자의 생성량이 크게 증가하는 것으로 나타났다.

3.2 연료 분사 압력 변경 실험

EGR rate 변경 실험에서 나타나듯이 EGR rate가

증가하면 연소 시 질소 산화물은 감소하지만 입자

상 물질이 증가하게 된다. 증가한 입자상 물질을 억

제하는 방법으로 연료 분사 압력 변경실험을 진행

하였으며, 연료 분사 압력 변화가 디젤 엔진의 배출

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승용 디젤 엔진의 배기가스재순환 및 연료 분사 압력 제어전략에 따른 연소, 입자상 물질 및 질소 산화물 배출 특성에 관한 연구

특성에 미치는 영향을 분석하였다.

1,250 rpm / BMEP 2.0 bar의 경우 max-EGR에서, 1,250 rpm / BMEP 4.0 bar에서는 base-EGR에서 최소 연료 분사 압력을 기준으로 분사 압력을 상승시키 며 배기가스의 질소 산화물과 입자상 물질의 개수 농도를 측정하였다.

Fig. 14, 15는 각각 1,250 rpm / BMEP 2.0 bar / max-EGR, 1,250 rpm / BMEP 4.0 bar / base-EGR에서 연료 분사 압력을 증가시켰을 때의 질소 산화물과 입자상 물질의 개수 농도를 나타낸다. 추가적으로 1,250 rpm / BMEP 4.0 bar에서는 최대 연료 분사 압 력에서 EGR rate을 증가시킨 조건(base-EGR+)에서 배출 특성을 평가하였다.

연료 분사 압력을 증가시키면 연료 액적이 더욱 미립화되어 연소 시간이 단축되는데, 이것으로 인 해 TDC 부근에서 연소가 완료됨에 따라 연소 최고

Fig. 14 Common rail pressure and NOx / PM. 1,250 rpm / BMEP 2.0 bar

Fig. 15 Common rail pressure and NOx / PM. 1,250 rpm / BMEP 4.0 bar

온도를 상승시킨다. 따라서 질소 산화물의 생성량 이 증가하는데, 본 실험에서는 질소 산화물의 증가 분을 최소화하기 위하여 흡입 공기량을 조금씩 감 소시켰다.

실험 결과 두 조건 모두 최대 연료 분사 압력에서 입자상 물질의 농도가 50% 이상 감소하였는데, 이 것은 연료 액적의 미립화로 인한 연소 효율 증가에 기인한 것으로 판단된다.

1,250 rpm / BMEP 4.0 bar / base-EGR+ 에서는 EGR rate의 증가로 인한 배기가스의 농도 변화가 나타났 지만, 결과적으로 최소 연료 분사 압력 조건 대비 질 소 산화물은 약 31% 저감되고, 입자상 물질은 약 49% 저감되었다.

4. 결 론

본 실험은 EGR 및 연료 분사 압력 변화를 이용하 여 승용 디젤 엔진의 배기가스 배출 특성을 개선하 는 방법에 관한 실험이다. 실험에 사용된 엔진은 직 렬 4 기통 1.6 L 급 디젤 엔진이고, 연료 분사 시스템 은 CRDI이며, 터보차저 및 EGR, 후처리 장치가 부 착되어 있다.

EGR rate와 연료 분사 압력을 변경시키며 엔진의 배출 특성을 분석하였다.

1) EGR은 실린더 내 연소 시 산소 농도 감소 및 열 용량 증가로 연소 최고 온도를 낮추는 역할을 하 여 질소 산화물의 생성을 억제한다. 하지만 EGR 로 인한 공기-연료 혼합기의 산소 농도 감소와 재순환된 배기의 소염 층 형성으로 연소 효율이 저하되어 입자상 물질의 생성량이 증가하였다.

실험 결과 EGR rate를 증가시키면 질소 산화물은 감소하고 입자상 물질은 증가하는 결과가 나타 났다.

2) 연료 분사 압력 변경 실험은 1,250 rpm / BMEP

2.0 bar / max-EGR에서, 1,250 rpm / BMEP 4.0 bar

/ base-EGR에서 최소 연료 분사 압력을 기준으로

연료 분사 압력을 증가시키며 실험을 진행하였

다. 연료 분사 압력을 증가시키면 연료 액적이 더

욱 미립화되어 연료와 공기의 접촉 면적이 증가

하므로 연소 효율이 증가하고 연소 시간이 단축

된다. 이러한 연소 효율 증가는 입자상 물질의 생

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Jung Been You․Ahyun Ko․Wonwook Jang․Sungha Baek․Dong Young Jin․Cha-Lee Myung․Simsoo Park․Jung Won Han

성량을 감소시키는 결과로 나타났다.

3) 1,250 rpm / BMEP 2.0 bar / max-EGR 최대 연료 분 사 압력 및 1,250 rpm / BMEP 4.0 bar / base-EGR+

의 경우 EGR 및 연소 조건의 변화를 이용하여 연 소 온도를 저하시킴으로써

⁹⁾

질소 산화물과 입자 상 물질을 모두 저감시키는 결과가 나타났다.

후 기

본 연구는 현대 자동차의 지원에 의해 수행되었 으며 이에 감사드립니다.

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