전자제어식
냉각시스템이 연비에 미치는 영향에 관한 연구
인병덕†
· 이기형*
A STUDY ON THE IMPROVEMENT OF FUEL ECONOMY
BY OPTIMIZING AN ELECTRIC ENGINE COOLING SYSTEM
Byungdeok In, Kihyung Lee
Key Words : Engine Cooling System(엔진냉각시스템), Flow Rate Of Coolant(냉각수유량비율), Coolant Temperature(냉각수온도), BSFC(연료소비량)
Abstract
Recently, the internal combustion engines have focused on reducing both the CO2 emissions in order to cope with severe regulations for greenhouse effect. Therefore, various new technologies have been developed in many countries. Among them, the cooling system is spotlighted because it has great effect on fuel efficiency. However, the present engine cooling system is almost same as one of the 50 years ago. The needs for high performance and compact size make it important to improve engine cooling system, down-sizing and control method of coolant flow. Thus, low fuel consumption technology such as control and synthetic management of cooling system was necessary to satisfy with these needs. In this study, we applied electric thermostat to improve the fuel economy. The fuel consumption was compared after driving FTP-75 mode on both conditions which were with a conventional wax thermostat and with a electric thermostat. The coolant temperature of opening the electric thermostat is higher
1. 서 론
현재 전 세계적으로 고유가 시대가 지속되어 소 비자들은 보다 출력이 높고 연료 소비가 적은 자 동차를 원하고 있으며, 각 자동차 회사들은 이와 같은 요구조건들을 만족시킬 수 있는 엔진 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 특히 CO₂규제를 만 족시키기 위한 저연비 엔진을 개발하기 위하여 최 근 유럽을 중심으로 열효율이 높은 디젤엔진이 각 광을 받고 있으며, 가솔린 엔진의 경우에도 연비 를 향상시키기 위하여, GDI(Gasoline Direct Injection), VVT(Variable Valve Timing)와 같은 신개 념 엔진이 개발되어지고 있다. 하지만 이러한 기 술개발은 대부분 엔진의 연소와 직접적인 관련이 되어지는 분무계통이나 흡배기계통에 집중되어온 것이 사실이다. 그러나 내연기관의 경우 연료의 발열량이 100%이라고 하면, 배기손실이 35%, 냉 각손실이 30%, 마찰손실이 10%, 보기류 손실이 5%를 차지하며 약 20%가 실제 엔진을 구동시키 기 위한 에너지로 전환된다. 즉, 냉각과 마찰 및 보기류에 의한 손실이 45%에 달하며, 이는 엔진 에서의 냉각과 윤활 및 보기류의 개선이 차량의 연비를 저감시킬 수 있는 기대효과를 가지고 있다 는 사실을 보여준다. 최근 엔진이 고출력화 및 컴 팩트화 됨에 따라서 냉각 및 윤활시스템[1][2]에 대한 중요성이 크게 부각되고 있다. 엔진에서의 냉각 시스템의 역할은 열부하 저감에 의한 내구성 의 확보뿐만 아니라, 노크억제를 통한 성능개선과 워터펌프(Water Pump) 최적화[3]를 통한 연비 개선 및 웜-업(Warm-up) 시간 단축[4]에 의한 유해 가스 배출 저감 등으로 그 기능이 확대 되고 있다. 또 한 냉각수 온도의 효과적인 제어를 통하여, 각 부 하조건별 오일의 온도를 최적으로 제어[5][6]할 † 회원, 한양대학교 대학원 E-mail : sirusony@hanyang.ac.kr TEL : (031)418-9293 FAX : (031)406-5550 * 한양대학교 대한기계학회 2008년도 추계학술대회 논문집수 있으며, 이는 마찰손실 저감의 효과를 간접적 으로 얻을 수 있어 차량 연비의 개선효과가 기대 된다.
2. 실험장치 및 연구방법
2.1 실험장치 본 연구에서는 상용 2000cc 엔진을 사용하여 실 제 엔진 상에서의 냉각 시스템 최적화에 따른 연 비 향상 효과를 파악하기 위하여 전자제어식 써 모스탯을 설치한 엔진 시스템을 구성한 후, 운전 조건에 따른 냉각수 및 오일 온도 최적제어를 구 현하였다. Table 1 은 실험에 사용된 엔진의 주요특 징을 나타내었으며, Fig.1 은 사용된 실험장치의 개 략도이다. 실험 시 오일온도를 조절하기 위하여 온도센서를 오일팬에 장착하였으며 압력, 온도, 토크, 유량 측 정용 계측기기를 장착하기 위하여 엔진을 가공하 였다. 또한 냉각수 온도와 냉각수 유량을 조절하 기 위해 Mechanical thermostat 이 아닌 Electric thermostat 을 사용하였다. Electric thermostat 은 Step motor 를 이용하여 개도변경이 가능하게 제작하였 다. 그리고 운전 조건별 Electric thermostat 의 개폐 온도 변화 및 Cooling fan 구동시기 변화에 따른 연비향상 효과를 분석하기 위하여 라디에이터 앞 에 Cooling fan 을 장착하여 냉각하였다.Table 1 Engine specification
Engine type 4 Cylinder, DOHC 16-valve
Bore×stroke 82×93.5mm
Compression ration 10.3:1
Displacement 1975cc
Fig. 1 Schematic of engine measurement system
2.2 실험방법 본 연구에서는 엔진의 냉각수 및 오일 온도 최적 제어를 위한 운전 조건별 최적의 냉각수 온도와 오일 온도를 설정하기 위해서 각각의 운전 조건에 따른 BSFC 를 측정하여 비교해 보았다. 냉각수 온 도에 따른 BSFC 특성을 보다 구체적으로 파악하 기 위해서 온도 측정 구간을 82, 88, 94, 102, 108, 112℃ 등과 같이 6 구간으로 세밀하게 측정하였다. 이와 같은 실험 운전 조건은 Table 2 와 같다. 냉각수 유량에 따른 연료소비량을 비교해 보기 위해서 엔진 성능 실험을 진행하였다. 실험 조건 은 FTP-75 모드와 유사한 조건으로 1500 초동안 진행하여 측정하였다. 그리고 써모스탯의 직경을 100%, 75%, 50%으로 변경하여 냉각수 유량을 조절 해가면서 실험을 진행하였다.
Table 2 Experimental condition
rpm Load (%) 1600 25 50 75 2000 25 50 75 2400 25 50 75 3000 25 50 75 3600 25 50 75 4200 25 50 75
Fig. 2 Emission test cycle FTP-75 mode
다음으로 Electric thermostat 을 장착하여 엔진 실험을 수행하였다. 이 때 개변 온도는 기계식 써 모스탯 보다 약 20℃ 가량 높게 설정하였으며, 이 를 통해서 부분 부하에서 고온으로 제어가 가능하 였다. Electric thermostat 장착 시의 냉각수 온 도 특성은 100±2℃에서 개변을 시작하여 115℃가 되면 완전히 전개하여 엔진 출구의 냉각수를 라디 에이터로 보내준다. 그리고 엔진 온도가 떨어지게 되면 95℃에서 써모스탯이 완전히 닫히게 된다. FTP-75 모드주행은 실차를 이용하여 차대동력계상
에서 실험을 진행하거나 엔진베이스로 실험을 할 경우 Transient 동력계를 사용하여 모드주행을 모 사하게 된다. 본 연구실에는 차대동력계와 Transient 동력계가 구비되어 있지 않은 관계로 FTP-75 모드를 직접적으로 구현하지 못하였고, 대 신 FTP-75 모드와 유사한 조건에서 1500 초 동안 데이터를 취득하였다. 연료 소비에는 마찰손실의 영향이 크므로 이러한 마찰손실은 오일 온도와 밀접한 관계를 가지고 있 다. 그러므로 본 연구에서는 엔진오일 온도에 따 른 연료소비량을 비교하기 위하여 다음과 같은 실 험을 수행하였다. 실험조건으로는 FTP-75 모드를 엔진 동력계 실험에 유사하게 적용하여 1500 초 동안 데이터를 취득하였다. 첫 번째 실험은 엔진 오일을 냉각하기 위하여 오일쿨러를 장착하여 실 험을 수행하였고, 두 번째 실험은 오일쿨러를 장 착하지 않은 상태에서 실험을 수행하였다. 그리고 두 실험 모두 Electric thermostat 을 장착한 상 태에서 실험을 수행하였다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 운전 조건별 최적의 냉각수 온도 선정 Fig. 3 은 엔진의 부하와 회전수 변화에 따른 측 정 결과를 보여주고 있다. Fig. 3 에서 알 수 있는 바와 같이 load 25%상에서는 전반적으로 냉각수 온도가 증가할수록 연료소비율(BSFC)이 감소하는 경량을 보이고 있으나, rpm 에 따라서는 BSFC 가 악화되는 냉각수 온도도 존재하는 결과를 얻었다. 특히 저속영역의 경우(a) 에는 냉각수 온도가 100℃에서 108℃사이일 때 모든 rpm 영역에서 BSFC 가 가장 좋게 나타남을 확인할 수 있었으며, 고속의 경우(b)에는 냉각수 온도가 105℃이상일 때 BSFC 가 가장 좋게 측정되었다. 이 결과 그림 으로부터 저부하 고속 영역(b)의 경우 냉각수 온 도 증가에 따른 연비 향상 폭이 현저함을 알 수 있다. 운전조건이 load 50%인 경우는 저부하(25%) 인 경우에 비하여 냉각수 온도 증가에 따른 연비 향상 효과의 관계가 보다 선형적인 관계를 나타내 고 있다. 저속 영역(c)인 경우에는 냉각수 온도가 110℃이상일 때 BSFC 가 가장 좋게 측정되었으며, 고속영역인 (d)와 같은 경우에는 냉각수 온도가 108℃에서 112℃사이일 때 BSFC 가 가장 좋게 측 정되었고, 냉각수 온도가 108℃에서 112℃사이일 때 rpm 이 증가할수록 BSFC 가 감소하는 사실을 확인할 수 있었다. 고부하(75%) 저속인 (e)의 경우 에는 냉각수 온도가 108℃에서 112℃사이일 때 BSFC 가 가장 저감되었으며, 고속영역인 (f)의 경 우에도 냉각수 온도가 108℃에서 112℃사이일 때 BSFC 가 가장 좋게 측정되었다. 위의 결과로부터 저부하일 때는 냉각수 온도를 105℃에서 108℃로 유지시켜주는 것이 연비향상에 좋은 효과를 보이 고 있으며, 고부하일 때는 냉각수 온도를 110℃로 유지시켜주는 것이 연비향상에 좋은 영향을 미친 다는 사실을 알 수 있었다.(a) Load 25% Low RPM (b) Load 25% High RPM
(c) Load 50% Low RPM (d) Load 50% High RPM
(e) Load 75% Low RPM (f) Load 75% High RPM
Fig. 3 Effect of load on BSFC 3.2 냉각수 유량에 따른 연료소비량 냉각수 유량에 따른 연료소비량을 비교해 보기 위해서 엔진 성능 실험을 진행하였다. Fig. 4 는 각 각의 조건에 따른 냉각수 유량을 보여준다. 써모 스탯의 직경변화에 따라 냉각수 유량의 값이 달라 지는 것을 이 결과 그림을 통해 확인할 수 있으며 직경이 커짐에 따라 흐르는 냉각수 유량의 값이 커지는 것을 알 수 있었다. Fig. 5 는 써모스탯 직 경에 따른 유량증가가 연료소비량에 미치는 영향 을 나타내고 있다.
Fig. 4 Effect of flow rate characteristics on thermostat hole size
Fig. 5 Effect of fuel consumption on thermostat hole size
Fig. 6Total fuel consumption according to thermostat
이 그림만으로는 정확한 연료소비량을 확인하기 어렵기 때문에 각 조건별로 1500 초동안 연료소비 량의 총량을 구하여 Fig. 6 에 표현하였다. 이 그림에서 보는바와 같이 써모스탯의 직경을 50%로 줄였을 때 총 연료소비량이 가장 적게 나 타나는 것을 확인할 수 있었으며 써모스탯의 직경 이 100%일 때보다 50%일 때 약 0.96%의 연비가 향상됨을 알 수 있었다. 이는 냉각수 유량이 너무 많은 경우 과냉각에 의하여 오히려 연비가 악화되 고 있음을 의미한다. 이러한 결과로 미루어 볼 때 보통의 써모스탯 직경보다 50% 정도 작게 써모스 탯을 제작한다면 연비향상의 효과를 얻을 수 있을 것으로 생각된다. 3.3 Electric thermostat 적용에 따른 연료소비량 비교 이 실험에서는 FTP-75 모드와 유사한 조건에서 1500 초 동안 데이터를 취득하였다. 이러한 방식으 로 데이터를 취득할 경우에는 FTP-75 모드의 구 간별로 BSFC 를 구하는 것보다는 모드 전체의 연 료소비량을 비교하는 것이 더욱 정확한 연료소비 량을 비교할 수 있을 것으로 생각된다. 연료소비 량을 비교한 그림을 Fig. 7 에서 보여주고 있다. 이 그림은 기계식 써모스탯과 전자식 써모스탯을 장 착하여 실험한 결과의 비교를 보여주고 있다. 이 결과로부터 FTP-75 모드의 각 구간 별로 전자식 써모스탯을 장착한 경우가 연료 소비면에서 약간 우세함을 보여주고 있다.
Fig. 7 Fuel consumption characteristics according to thermostat type
Fig. 8 Total fuel consumption
그러나 Fig. 7 만으로는 정확한 비교가 어렵기 때 문에 각각의 조건에 따르는 연료소비량의 총 합계 를 산출하여 그 비교 결과를 Fig. 8 에 막대그래프 로 나타내었다. 그 결과 그래프로부터 electric thermostat 을 장착 하였을 경우 기계적인 종래의 thermostat 을 장착한 경우보다 약 2.65%의 연비가 향상되고 있음을 알 수 있었다.
3.4 엔진오일 온도에 따른 연료소비량 엔진오일 온도에 따른 연료소비량을 비교하기 위 하여 공통적으로 Electric thermostat 을 장착한 후 첫 번째 실험은 엔진오일을 냉각하기 위하여 오일 쿨러를 장착하여 실험을 수행하였고, 두 번째 실 험은 오일쿨러를 장착하지 않은 상태에서 실험을 수행하였다. Fig. 9 는 엔진 오일온도를 비교한 결 과를 보여주는 그림이다.
Fig. 9 Engine oil temperature
이 결과 그림에서 보는 바와 같이 오일쿨러를 장 착하였을 경우는 장착하지 않았을 경우보다 오일 온도가 더 낮은 것을 알 수 있으며, 오일쿨러의 장착에 따라 오일온도의 급격한 상승을 억제할 수 있음을 확인하였다. Fig. 10 은 오일쿨러 장착 유무 에 따른 연료소비량의 비교 결과를 보여주고 있다.
Fig. 10 Fuel consumption
이 비교 그림만으로는 정확한 비교가 어렵기 때 문에 FTP-75 모드의 구간 별 연료소비량의 총 합 계를 산출하여 직접적인 비교를 하였다. 그 결과 그림으로부터 알 수 있는 바와 같이 오일쿨러를 장착하지 않았을 경우 장착하였을 경우보다 오히 려 연료소비량이 더욱 작아지는 사실을 확인할 수 있었다. 즉, 오일쿨러를 장착하지 않은 상태보다 오일쿨 러를 장착하였을 때 연료소비량은 증가함을 의미 한다. 이는 오일쿨러를 사용하여 오히려 엔진오일 을 과냉각하게 되면 연비에 있어서 나쁜 영향을 미친다는 사실을 알 수 있었다. 따라서 적당한 엔 진오일 온도로 유지하는 것이 연비향상에 유리하 다고 판단된다.
Fig. 11 Total fuel consumption
4. 결론
본 연구에서는 엔진 성능 실험장치를 사용하여 엔진 냉각수와 오일의 상관관계를 규명하고 이를 통하여 향후 적용되어질 수 있는 ‘ intelligent cooling system'에서의 냉각수 고온제어의 설계지표 에 대해서 파악할 수 있었다. 또 Electric thermostat 을 적용하였을 경우, 연비 향상을 확인할 수 있었 다. 이들로부터 얻은 결론은 다음과 같다. 1) 냉각수 온도를 고온제어 할 경우 냉각수 온도 에 따른 BSFC 는 미세한 차이를 보였으며, 이는 냉각수 온도가 BSFC 에 큰 영향을 미치지는 않는 다는 것을 알 수 있었다. 2) BSFC 는 엔진의 회전수가 상승할수록, 부하가 증가할수록 증가하는 것을 확인하였다. 3) 일반적인 써모스탯의 직경을 100%로 보았을 때, 50%로 줄이면 약 0.96%의 연비향상을 기대할 수 있다. 4) Electric thermostat 을 적용하였을 경우 Mechanical thermostat 을 적용하였을 때보다 약 2.65%의 연비향상을 할 수 있다는 것을 알 수 있 었다. 5) 엔진오일 온도를 과냉각시키면 오히려 연료소 비량이 늘어나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 적 절한 엔진오일 온도를 유지하여야 연료소비량에 좋은 영향을 끼치는 것을 알 수 있었다.참고문헌
(1)Andrew A. Kenny, Cyril F. Bradshow, and Brian T. Creed, "Electric Thermostat System for Automotive Engines", SAE paper 880265, 1988
(2)Visnic, B. "Thermostat (2001). the days are numbered", Wards AutoWorld 37,6,53-54, 2001
(3)Matthieu Chanfreau, Bertrand Gessier, Alain Farkh and pierre Yves Gees, "The Need for an Electric Water Valve in the Thermal Managements Intelligent System(THEMISTM)", SAE paper 2003-01-0274, 2003 (4)P Revereault, B Gessier and M Chanfreau, "Intelligent vehicle system thermal management in a mild hybrid - diesel vehicle", IMechE 2003 C599/059/2003, 2003
(5) John F. Eberth and John R. Wagner, "Modeling and Validation of Automotive Smart Thermal Management System Architectures", SAE paper 2004-01-0048, 2004
(6) Robert D. Chalgren Jr., "Thermal Comfort and Engine Warm-up Optimization of a Low-Flow Advanced Thermal Management System", SAE paper 2004-01-0047, 2004
