디젤엔진용 Cam-in-Cam시스템 적용 가변밸브 성능해석
정석철
*
ㆍ박정민*
ㆍ김탁규*
ㆍ이진욱†
Performance Analysis of Variable Valve for Diesel Engine with Cam-in-Cam System
S. C. Jeong, J. M. Park, T. K. Kim and J. W. Lee
Key Words: Diesel engine(디젤 엔진), Cam-in-Cam(캠인캠), Variable Valvetrain(가변 밸브트레인), Late Intake Valve Closing(흡기밸브 닫힘시기 지각)
Abstract
In this study, the effects of intake valve closing timing by using Cam-in-Cam system on combustion and emission char- acteristics for diesel engine were investigated under GT-POWER simulation environment. As a result, it was found that vol- umetric efficiency and effective compression ratio were decreased as the intake valve closing(IVC) timing is retarded due to its backflow effect. Also, we found that in-cylinder pressure, heat release rate and NOx emission were decreased as IVC tim- ing was retarded. These show that the LIVC(late intake valve closing) can be effective to control AFR and mixing rate in diffusion combustion of diesel engine.
약어설명
IVC : Intake Valve Closing LIVC : Late Intake Valve Closing AFR : Air Fuel Ratio
1. 서 론
1.1 연구 배경
화석연료 고갈과 강화되어지는 배출가스 규제로 인해 높은 열효율을 가진 경유자동차에 대한 관심이
증대되어지고 있는 실정이다.
디젤 엔진의 경우, 가솔린 엔진에 비해 약 30% 높 은 효율을 지니고 있으나 과다한 NOx 및 PM 배출 의 문제를 지니고 있다. 현재 이러한 문제를 해결하 기 위한 방안으로 DPF(Diesel particulate filters), Urea- SCR(Selective catalytic reduction), DOC(Diesel oxida- tion catalysts), LNT(Lean NOx traps) 등 다양한 후처 리 장치가 개발되어졌다. 그러나 이러한 후처리 장치 는 초기 설치비용 뿐 만 아니라 주기적으로 교환해 야하는 문제점이 발생하게 된다. 이러한 문제를 궁극 적으로 해결하기 위해서는 신개념 연소 개발을 통해 배기가스 배출을 줄이는 것이 근본적인 해결책 될 수 있다
(1).
신개념 연소 방식으로는 HCCI(Homogeneous charge compression ignition)
(2), PCCI(Partially premixed charge compression ignition) 등이 있다. PCCI 연소의 경우, 이른 시간 연료를 분사하여 공기와 연료가 혼합될 수
(Recieved: 23 Jan 2017, Recieved in revised form: 3 Mar 2017, Accepted: 6 Mar 2017)
*
숭실대학교 대학원 기계공학과
†
교신저자, 숭실대학교 기계공학과
E-mail : [email protected]
TEL : 02-820-0929
있는 시간을 증가시킴으로 PM저감뿐 만 아니라, 자 기착화에 의해 고온 화염면이 발생하지 않아 저온화 염으로 NOx를 저감할 수 있는 특징이 있다. 따라서 이를 구현은 밸브트레인의 여·닫힘시기를 적절하게 조절하여 유효압축비를 낮춤으로써 가능한데, 이러 한 신개념 연소기술 구현을 위한 방안으로 밸브트레 인 가변화 기술이 대표적이다
(3,4).
밸브트레인 가변화 기술은 흡·배기밸브의 개폐시 기를 조절함으로써, 강화되는 배기가스 규제를 대응 할 수 있는 방안으로 주목받고 있다. 일례로 흡기밸 브 닫힘시기를 진각시키거나 지각시켰을 때, 압축 행 정과 팽창 행정의 비가 변하게 된다. 즉, 저압축·고팽 창의 밀러사이클이 구현되게 되는 것이다. 이로 인해 유효압축비가 낮아지게 되고 NOx가 저감되는 효과 가 나타나게 된다
(5-7).
본 연구에서는 Fig. 1과 같은 밸브트레인 가변화 방법 중 하나인 Cam-in-Cam
(8)기술을 디젤엔진 시스 템에 적용하여 상대적으로 폭 넓은 흡기밸브 닫힘시 기 변화에 따른 연소 및 배기 성능을 연구함으로써 Cam-in-Cam 시스템이 디젤 엔진에 실제 적용 가능성 에 기여하고자 수행하였다.
1.2 연구 목적 및 방법
본 연구는 Cam-in-Cam(CIC) 적용 디젤 엔진 시스 템을 통해 Swirl 흡기 포트는 고정하고 Flow 흡기 포 트를 지각시켜주었을 때 발생하는 디젤 엔진의 연소 및 배기 특성에 대하여 비교 분석하는 것을 목적으 로 한다. 이를 위해 크게 다음과 같이 3개 연구방법 을 적용하였다.
1) Cam-in-Cam 적용 Cam 모델 해석
먼저 Flow port와 Swirl port로 나눈 2개의 흡기 Cam 모델을 완성하였다. 2개의 흡기 Cam 모델을 독
립적으로 제어할 수 있도록 모델링 해줌으로써 Cam- in-Cam의 특성을 가질 수 있게 되었다.
2) 분사율 측정 실험을 통한 고압 인젝터 모델 해석 실제 CIC적용 가능성을 해석에 적용하기 앞서, 디 젤엔진의 핵심인 고압 인젝터 모델 최적화를 위해 Bosch-Tube 법을 적용한 분사율 취득 장치를 통해 분 사율 실험을 수행하였다. 이를 통해 얻은 데이터를 바탕으로 고압 인젝터를 모델링함으로써 신뢰성 높 은 CIC시스템을 구비한 디젤 엔진 모델을 개발하고 자 한다.
3) Cam-in-Cam 적용 디젤 엔진 시스템 해석 Cam과 고압 인젝터 모델을 디젤 엔진 모델에 결합 하여 본 연구에 이용될 Cam-in-Cam 적용 디젤 엔진 시스템을 개발하였다. 또한 검증을 마친 디젤 엔진 시스템을 활용하여 흡기 Swirl port는 고정하고 흡기 Flow port 는 닫힘 시기를 지각시켜가며 해석을 수행 하였다. 이를 통해 흡기밸브 닫힘 시기가 지각될수록 변화되는 디젤 엔진의 연소 및 배기 특성을 비교 분 석하였다.
2. 해석 모델링
본 연구에서는 Fig. 2와 같은 해석절차대로 수행하 였다. 본 연구에서 사용할 엔진 input 데이터를 입력 하고 해석을 진행한 후, 해석 모델 검증을 위해 모터 링 압력, 실린더 연소압력, 열발생율 등 연소 성능에
Fig. 1 Cam-in-Cam systemFig. 2 Analytic flowchart for CIC simulation
대해 비교함으로써, 본 연구에서 사용한 Cam-in-Cam 적용 디젤 엔진시스템을 구축할 수 있었다.
2.1 Cam-in-Cam 적용 Cam 모델링
CIC 시스템용 Cam 모델링 후, 먼저 밸브프로파일 을 실험데이터와 비교하였다. Fig. 3과 같이, 밸브프 로파일 실측결과는 점선으로, 수치해석결과는 실선 으로 나타내었다. Cam 모델 해석결과에서 가장 중요 한 밸브의 여·닫힘 시기가 일치하는 것을 볼 수 있었 으며, 또한 밸브 양정(lift)의 최대값이 일치하게 나타 남을 알 수 있었다. 이와 같은 결과를 통해, 실험과 해석 결과의 유사함을 확인할 수 있었고 이를 통해 검증된 Cam 해석 모델을 디젤 엔진 모델에 적용할 수 있었다.
2.2 고압 인젝터 모델링
본 연구에 필요한 Cam-in-Cam 적용 디젤 엔진 해 석모델을 개발하기 위해 3세대 피에조 인젝터를 이 용하여 연료분사율 측정실험 및 GT-POWER를 사용
하여 인젝터 모델링을 수행하였다. 사용 인젝터에 대 한 주요 제원은 Table 1과 같다.
2.2.1 분사율 실측 데이터 취득
고압 인젝터 모델링을 위해서 해석데이터와 비교 할 연료 분사율에 대한 실험데이터가 필요하여, 본 연구에서는 Bosch-Tube법
(9,10)을 이용한 분사율 측정 실험을 통해 연구에서 사용된 인젝터의 분사율 실험 데이터를 얻을 수 있었다. 이의 실험 조건은 Table 2 와 같다.
2.2.2 GT-POWER를 이용한 고압 인젝터 모델링 고압 인젝터 모델을 앞서 수행한 분사율 측정 실험 데이터와 동일한 조건에서 GT-POWER를 이용한 본 연구에서 해석 모델을 개발하였다.
2.3 Cam-in-Cam 적용 디젤 엔진 시스템 모델링
또한 본 연구에서는 Cam 모델과 고압 인젝터 모 델을 디젤엔진 모델에 결합하여 Cam-in-Cam적용 디 젤엔진 시스템을 완성하였다.
Fig. 3 Comparison of valve profile between experiment and simulation by using cam model for CIC system
Table 1 Specification of 3rd generation piezo injector Item Unit Bosch piezo injector Driving mechanism - Servo-hydraulic
Actuator type - Piezo
Number of holes EA 8
Diameter of hole µm 134
Table 2 Experimental condition for injection rate
Item Unit Specification
Fuel - ULSD
Back pressure MPa 4.5
Tube length m 12.607
Tube area m2 1.6409×10
Injection duration µs 227 495
Table 3 Specification of diesel engine Engine specification
Bore × Stroke 88 mm × 90 mm
Displacement 499 cc
Valve per cylinder 4 (2 intake and 2 exhaust)
Compression ration 16
Intake valve IVO bTDC 10 CAD
IVC aBDC 28 CAD
Exhaust valve EVO bBDC 54 CAD
EVC aTDC 4 CAD
먼저 디젤엔진용 흡기 Flow port와 swirl ratio가 적 용된 흡기 Swirl port인 두 Cam 모델을 결합하여 본 연구에서 사용한 Cam-in-Cam 방식을 적용하였다. 이 렇게 하여 각각 서로 독립적으로 밸브의 여·닫힘 시 기를 제어할 수 있도록 구성하였다.
이 후, 고압 인젝터 모델을 디젤 엔진 모델에 결합하 고 연료 분사압, 분사 시기, 분사 기간을 변화시켜 여 러 조건에서 해석 가능하도록 구성하였다. 이를 바탕 으로 최종적으로 디젤 엔진 모델을 완성할 수 있었으 며, Table 3은 해석모델에 적용된 디젤 엔진 구성요소 이다. 본 해석시, 디젤 연소 방식은 Direct-Injection Diesel Multi-Pulse Combustion Model (DIPULSE)
(11)을 적용하였다.
3. 연구 결과 및 고찰
3.1 분사율 측정결과 비교
GT-POWER 를 이용하여 개발한 고압 인젝터 모델 을 분사율 측정 실험데이터와 동일한 조건에서 해석 을 수행하였다. Fig. 4는 분사압 60 MPa 조건에서 분 사율 측정 실험결과와 고압 인젝터 모델을 적용한 해 석결과를 비교한 것이다. 두 개 조건에 관계없이 모 두 매우 일치한 결과를 나타내 검증된 고압 인젝터 모델을 완성할 수 있었다.
3.2 Cam-in-Cam 디젤 엔진 시스템 성능 해석 결과
Cam-in-Cam 시스템 Cam적용 디젤 엔진 시스템모 델을 사용하여 Table 4와 5의 조건 즉, CIC에서 실제 구현 가능한 네 가지 흡기밸브의 닫힘시기별로 3단 연료분사를 적용한 연소 및 배기성능 해석결과를 Fig. 5 와 6에 각각 나타내었다.
3.2.1 Cam-in-Cam 적용 디젤엔진 : 연소성능 Fig. 5와 같이 엔진 회전수 1200, 1600 rpm 모두에 서 흡기밸브 닫힘시기가 지각될수록 모터링 압력이 감소하는 결과를 나타냄을 알 수 있었다. 이는 체적 효율 결과데이터와 연관지어 고찰해 볼 수 있는데, 흡기밸브 닫힘시기가 지각될수록 흡입공기의 역류 현상이 발생하게 되고 그로 인해 모터링 최대압력과 체적 효율이 감소하는 효과가 발생하였다. 이러한 효 과로 인해 유효압축비 또한 감소하는 결과가 나타나 게 되었다. 또한, 두 가지 조건 모두에서 공기·연료비 가 감소하는 결과가 나타나게 되었다. 이는 흡입공기 의 역류현상으로 인해 실린더내로 유입된 공기량이 줄어들게 될 뿐만 아니라, 동일한 연료를 분사하기 때문에 공기·연료비가 감소하는 효과가 나타난 것으 로 판단된다.
Fig. 4 Comparison of injection rate between experiment and simulation
Table 4 Analysis condition Numerical analysis conditions Engine speed (rpm) 1200, 1600 Suction pressure (MPa) N/A Injection pressure (MPa) 60, 72
Injection strategy:
Triple injection
Pilot 1
injection bTDC 22 bTDC 29 Pilot 2
injection bTDC 14 bTDC 17 Main
injection bTDC 3 bTDC 3
Table 5 Conditions of IVC timing Intake Valve Closing Timing Condition 1 Flow Port Fixed
IVC Timing aBDC 28 CAD Condition 2 Flow Port 20 CAD Lagging
IVC Timing aBDC 48 CAD Condition 3 Flow Port 40 CAD Lagging
IVC Timing aBDC 68 CAD Condition 4 Flow Port 60 CAD Lagging
IVC Timing aBDC 88 CAD
*Swirl port is fixed at all conditions.
다음으로 흡기밸브 닫힘시기에 따른, 착화지연 (SOI(start of injection)~SOC(start of combustion) 기간) 영향은 흡기밸브 닫힘시기가 지각될수록, 착화지연 이 증가함을 알 수 있었다. 이것에 대한 원인은 흡기 밸브 닫힘시기가 지각될수록 유효압축비가 감소하게 되어져 착화지연이 증가하는 결과로 나타나게 되었 다. 이로 인해 흡기밸브 닫힘시기가 지각될수록 실린 더 최고 연소압이 감소할 뿐만 아니라 연소압 및 열 발생율이 최고로 도달하는 지점이 지각되어지는 효 과가 나타난 것으로 판단된다.
또한 Fig. 5의 P-V 선도에서 볼 수 있듯이 동일한 체적 안에서 연소압이 감소하게 되었고, 그로 인해 2 가지 조건 모두에서 IMEP가 감소함을 알 수 있었다.
3.2.2 Cam-in-Cam 적용 디젤엔진 : 배기성능 Cam-in-Cam 적용 디젤 엔진 시스템 해석모델을 이용하여 흡기밸브 닫힘시기에 따른 배기 성능 결과 를 Fig. 6에 나타내었다. 최고연소온도 변화는 배기가 스 배출량 변화에 있어 많은 영향을 끼치는 요소이기 에, 흡기밸브 닫힘시기에 따른 최고연소온도의 변화
Fig. 5 Variation of combustion performance (left side:1200 rpm, right side: 1600 rpm)
Fig. 6 Emission performance (left side: 1200 rpm, right side: 1600 rpm)
를 살펴보았다. 흡기밸브 닫힘시기가 지각될수록 낮 아지는 공기·연료비 변화로 인해 연소 시 최고온도가 감소하는 효과가 나타나게 된 것으로 판단된다.
NOx 의 배출에 있어서 NO의 발생은 공기과잉 연 소 시에 질소분자의 해리로 인해 NO가 생성됨으로 써, NO는 온도가 높을수록 지수·함수적으로 증가하 는 특성을 가지게 된다. 이는 최고연소온도의 결과와 관련되어 흡기밸브 닫힘시기가 지각될수록 최고연소 온도 감소와 함께 NOx가 감소하는 결과가 나타나게 되었다. CO배출의 경우, 흡기밸브 닫힘시기를 60 CAD 지각시켰을 때, 급격하게 증가하는 결과를 볼 수 있었다. CO의 발생은 공기·연료비에 가장 크게 좌 우된다. 따라서 흡기밸브 닫힘시기가 지각될수록 흡 입공기의 역류로 인해 흡입공기량이 감소하게 되고 그로인해 공기·연료비가 감소하여 CO가 증가하는 결 과가 나타나게 되었다.
4. 결 론
본 연구에서는 GT-POWER 엔진연소해석용 상용 코드를 사용하여 Cam-in-Cam의 특성을 가지는 Cam 모델, 고압 인젝터 모델, 디젤엔진 모델을 완성하여 궁극적으로 Cam-in-Cam 적용 디젤엔진 해석모델을 완성하였다. 이를 활용하여 흡기 밸브 닫힘시기 변화 에 따른 디젤연소 및 배기 성능을 분석한 결과, 다음 과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
(1) Cam 모델의 초기 입력값을 실험치를 바탕으로 설정한 후, 해석 결과를 실험데이터와 비교한 결과, 매우 유사함을 확인함으로써, Cam-in-Cam의 특성을 갖는 Cam모델 완성할 수 있었으며, 본 연구를 통해 디젤엔진 시스템내의 Cam-in-Cam 적용 가능성을 제 시할 수 있었다.
(2) 연료 분사율 측정 장치를 이용하여 본 연구에 사용한 고압 인젝터 모델을 완성하였으며, 디젤 엔진 모델에 적용하여 실제 디젤 엔진과 유사한 연소 결 과를 도출할 수 있었다.
(3) 이러한 Cam-in-Cam 적용 디젤 엔진 시스템 해 석모델을 이용하여, 흡기밸브 닫힘시기 변화에 따른 시뮬레이션 결과를 통해 흡기밸브 가변화가 배출가 스 발생에 미치는 영향을 파악할 수 있었다. 이를 통
해 향후 강화되는 배출가스 규제를 만족시킬 수 있 는 방안으로 디젤 연소에서 Cam-in-Cam을 활용한 LIVC 적용은 NOx 저감에 있어 효과적 방안이 될 수 있을 것으로 사료된다.
후 기
본 연구는 2016년도 정부(산업통상자원부)의 재원 으로 산업핵심기술개발사업 지원을 받아 수행된 것 이며, 이에 깊은 감사를 드립니다.
참고문헌
(1) Xin He, Russell P. Durrett and Zongxuan Sun, “Late Intake Valve Closing as an Emissions Control Strategy at Tier 2 Bin 5 Engine-Out NOx Level”, SAE Technical Paper 2008-01-0637, 2008.
(2) B. Walter, P. Pacaud and B. Gatellier, “Variable Valve Actuation System for Homogeneous Diesel Combustion:
How Interesting are They?”, Oil & Gas Science and Technology - Rev. IPF, Vol. 63 (2008), No. 4, pp. 517- 534, 2008.
(3) Jaeheun Kim and Choongsik Bae, “An investigation on the effects of late intake valve closing and exhaust gas recirculation in a single-cylinder research diesel engine in the low-load condition”, Journal of Automobile Engineering 1-17, 2015.
(4) Simon Schneider, Patric Genieser, Stiev Brike and Christian Bücker, “Potential of Valve Train Variability in Passenger Car Diesel Engine”, MTZ 0312012, 2012.
(5) Tae-Ik Jang, “A Study on the Cycle Analyzing and Intake Valve Control by the Miller Method with a High Expansion into Low-Speed Diesel Engine”, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, pp.1100- 1106, 2009.
(6) Philip Keller, “Variable Intake Cam Duration Techno- logies for Improved Fuel Economy”, 2012 SAE International 2012-01-1641, 2012.
(7) Sharareh Honardar, Kai Deppenkemper, Martin Nijs and Srefan Pischinger, “Ptentials of Variable Gas Exchange Processes in Passenger Car Diesel Engines”, MTZ 0912014, 2014.
(8) David Gurney, John Mitcalf and Marco Warth “Inte-
grated Simulation, Analysis and Testing of a Variable Valve Train for Passenger Car Diesel Engine”, SAE 2012-01-0829, 2012.
(9)강진석, “연료공급조건에 따른 고압디젤연료 분무특 성”, Doctoral Dissertation, 2003.
(10) 조인수, 정명철, 이진욱, “승용CRDi용 3세대 피에조
인젝터 유압해석모델 개발 및 검증”, 한국자동차공학 회논문집, 제21권, 제4호, pp. 181-187, 2013.
(11) Vijayakrishnan Venkateshmohan and Masoom Kumar,
“DI-Pulse Combustion Model Calibration in GT-Power”, Chalmers University, 2015.
