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Ⓒ2010 KSAE 1225-6382/2010/1 0 4 - 19 Transactions of KSAE, Vol. 18, No. 2, pp.135-140 (2010)
적층형 EGR Cooler의 Pitch 길이 변화가 열교환 특성에 미치는 영향
황 세 준1)․김 민 철1)․장 상 훈1)․김 형 만*2)
인제대학교 대학원 기계공학과1)․인제대학교 기계자동차공학부 & 고안전차량 핵심기술연구소2)
Effects of Pitch Length of Stack-type EGR Cooler on Heat Exchange Characteristics in a Diesel Engine
Se-joon Hwang
1)
․Min-Chol Kim1)
․Sang-Hoon Jang1)
․Hyung-Man Kim*2)
1)
Graduate School of Mechanical Engineering, Inje University, Gyeongnam 621-749, Korea
2)
School of Mechanical & Automotive Engineering & High Safety Vehicle Core Technology Research Center, Inje University, Gyeongnam 621-749, Korea
(Received 12 August 2009 / Accepted 4 November 2009)
Abstract : An important goal in diesel engine research is the development of a means to reduce the emissions of nitrogen oxides (NOX). The use of a cooled exhaust gas recirculation (EGR) system is one of the most effective techniques currently available for reducing nitrogen oxides. Since Particular Matter (PM) fouling reduces the efficiency of an EGR cooler, a trade-off exists between the amount of NOX and PM emissions, especially at high engine loads. In the present study, engine dynamometer experiments have been performed to investigate the heat exchange characteristics of the stack-type EGR coolers with wave fin pitches of 3.6 and 4.6 mm. The results show that the heat exchange effectiveness is decreased as surface area decrease with pitch of 4.6 mm due to PM fouling. As surface area increase at pitch of 3.6 mm, super-cooling happens in the recirculated exhaust gas.
Key words : Diesel engine(디젤엔진), EGR cooler(배기가스 재순환 냉각기), Wave fin(웨이브 핀), Heat exchange Effectiveness(열교환 효율), PM(입자상 물질)
Nomenclature 1)
: area, m 2
: capacity ratio
: specific heat constant pressure , J/kg․K
: coolant temperature, °C
: gas temperature, °C
: number of transfer units
: mass flow rate, kg/s
: average heat transfer rate, W
: coolant side heat transfer rate, W
*
Corresponding author, E-mail: [email protected]
: gas side heat transfer rate, W
: effectiveness
Subscripts c : coolant
g : gas
1.
서 론현재 자동차의 보편화로 환경오염의 심각성이 점
차 대두되기 시작하면서 전 세계가 자동차 배기가
스를 규제하기 시작했다. 2000년 EURO Ⅲ를 시작
으로 2009년 EURO Ⅴ까지 엄격한 배기가스 규제를
황세준․김민철․장상훈․김형만
연도별로 지정하여 시행하고 있다. 1)
Table 1에서 EuroⅣ에서 EuroⅥ의 배기가스 규제 수치를 나타낸다. 나타낸 바와 같이, 유럽에서는 2000년 EURO Ⅲ를 시작으로 2009년 EURO Ⅴ까지 배기가스 규제를 시행하고 있다. 한편 디젤엔진이 급속히 발전하면서 고연비 디젤승용차 수요의 증가 와 함께 디젤엔진의 배기가스를 줄이기 위해 많은 연구들이 진행되고 있다.
이에 따라 디젤기관은 배기가스 규제강화에 대응 하기 위해 연료분사 시스템의 변경과 4밸브, Low Swirl Design 등 실린더 헤드의 유동특성 및 디젤기 관 내부 특성의 향상을 통해 NOx 배출 감소를 이룰 수 있었다. 이와 상반관계에 있는 연비감소와 PM 배출 증가, 비용 등의 문제로 인해 고효율, 저 배기 가스화 하기위해 최근 신 개념의 연소시스템과 배 기 후처리장치 등의 기술과 함께 EGR에 대한 관심 이 증대되고 있다. 5,7)
기존의 EGR은 NOx를 효과적으로 저감시키기는 했으나 PM을 증가시킴으로써 그 효용성에 변화가 요구되었고, 새로운 개념의 EGR Cooler를 통해 NOx 를 저감시키면서 동시에 PM과 연비에 대한 단점을 극복할 수 있는 많은 연구가 디젤기관을 이용하여 연구에 적용되고 있다. 2,4,9)
Fig. 1에 나타낸 EGR Cooler 시스템은 NOx 저감 은 물론 PM 의 배출과 연비에 대한 제한을 극복할 수 있는 Cooled EGR 시스템이다. 이 시스템은 일반 적으로 80~90 °C의 엔진 냉각수를 이용하여 냉각을 하기 때문에 냉각을 효과적으로 하기 위해 많은 기 술개발이 필요하다. EGR Cooler의 가스 온도는 흡 기다기관에서 실린더로 유입되는 흡기온도 상승을 피하기 위해 가능한 낮아야 하며, 일반적으로 100~150 °C를 만족시켜야 한다. 6,8)
이것은 EGR Cooler 최적설계 조건에 열교환 면적 과 냉각수 유량, Wave fin의 형상이 제한적 요소가 되기 때문이다. 본 연구의 선행연구로서 동일 크기 의 EGR Cooler의 Wave fin의 층수에 따른 열교환 효 율에서 5 fin의 EGR Cooler의 열교환 효율이 가장 좋 았다.
따라서 본 연구에서는 5 fin의 적층형 EGR Cooler 의 Wave fin의 Pitch 길이가 열교환 특성에 미치는
Table 1 Current and future emission legislation for diesel vehicles
기준
(적용시점) PM(mg/km) NOx(mg/km)
Euro Ⅳ (2005) 25 250
Euro Ⅴ (2009) 5 180
Euro Ⅵ (2014) 5 80
Fig. 1 Schematic diagram for the EGR Cooler performance test
영향을 조사하기 위하여 엔진동력계 실험을 수행하 였다.
2.
실험 장치 및 방법2.1 엔진동력계
1998 cc 4-실린더 디젤엔진을 이용하여 실험하였 으며, CRDi, 과급기, 인터쿨러, EGR 조절밸브, Wave fin Type EGR Cooler가 사용되었다. Table 2는 실험 엔진의 제원을 보여준다.
엔진의 부하조절은 위상각제어 방식의 동력계 (KEDM-130)를 사용하였다. 모든 열전대는 ± 0.2°C 정밀도를 갖는 표준온도계와 근접한 백금 저항 온 도계(SDL-T23/30)에 이용하여 측정되었다. 온도, rpm, Torque 등의 데이터는 데이터 수집 장치(DEWE- 5000)를 이용하여 측정하였다. Fig. 2는 실험 장치를 보여준다.
2.2 EGR Cooler
본 연구에서는 내부의 형상이 같은 Pitch 3.6 mm,
적층형 EGR Cooler의 Pitch 길이 변화가 열교환 특성에 미치는 영향
Table 2 Specifications for test engine
Description Specification
Displacement (cc) 1998
Induction type Turbo charge Bore × Stoke (mm) 83 × 92 Max. Power (ps/rpm) 145 / 4,000 Max. Torque (kgf-m/rpm) 31.6 / 1,800~2,750
EGR system Cooled
Compression ratio 17.5 : 1
Fig. 2 Photograph of the experimental set-up
Fig. 3 Photograph of the wave fin
Fig. 4 Front-view of the EGR Coolers (Pitch 3.6 mm, Pitch 4.6 mm)
4.6 mm의 Wave fin을 가지는 적층형 EGR Cooler를 이용하여 실험하였다. Fig. 3은 적층형 EGR Cooler 의 Wave fin 형상이고, Fig. 4는 실험에 사용된 EGR Cooler의 단면과 Pitch의 길이를 나타내고 있다.
2.3 실험 방법
시험 조건은 유럽경유차 배기실험모드인 시험 조건을 선정 하였으며 시험모드는 Fig. 5에 나타내 었다.
선정한 시험조건에 따라 실험을 수행하는데 엔진 회전수는 800 rpm, 1650 rpm, 1800 rpm 그리고 2000 rpm에 엔진부하를 각각 0 Nm, 100 Nm, 250 Nm, 200 Nm로 변화시키면서 약 1시간(3000 s)씩 각각 실험 을 수행하였다.
정확한 데이터를 얻기 위해 각각 4개의 센서를 통 해 0.1 s 단위로 온도를 측정한다. 측정을 일정하게 하기위하여 시간 당 1회씩 운전조건을 800 rpm, 무 부하로 변경하고 5분 동안 운전시킨 후 온도를 측정 하였다.
Fig. 5 Performance test mode (rpm/load)
3000 s를 1 Cycle로 하여 총 300 Cycle, 250시간 실 험하였고, 실험 전･후 2시간의 공회전 시간을 두었 다. 실험 조건은 평균 자동차 부품 교환 조건인 10만 km를 실험기준으로 내구성 테스트를 한다.
3.
열교환 효율 해석 방법본 연구에서는 EGR Cooler의 효율은 NTU방식을
이용하여 계산하였다. 이 방식은 열교환기의 효율
을 정의하여 열전달량을 계산한다. 즉 냉각수와 냉
각공기의 입구온도가 주어질 때 사용 가능한 식으
Se-joon Hwang․Min-Chol Kim․Sang-Hoon Jang․Hyung-Man Kim
로 열교환기의 효율은 실제 열전달량과 최대 가능 열전달량의 비로 정의 된다.
최대 가능 열전달량은 열교환기의 크기가 무한하 다고 가정했을 때의 열전달량이다. 이때 두 유체의 출구 상태는 유동의 유량과 비열의 곱이 큰 유체의 입구조건이 된다. 따라서 여기서의 열전달량은 다 음과 같이 주어진다.
(1) 여기서 와 는 각각의 냉각수유로와 가스유 로의 열교환 효율을 나타낸다.
(2) 식 (2)에서 와 그리고 와 는 각각의 냉각수입구와 출구온도, 배기가스입구와 출구온도 를 나타낸다.
EGR Cooler의 열손실이 작기 때문에 ≈ 라 가정한다.
exp exp
min
max
(3)
max min
min
max
min
(4)
식 (3), (4)에서 EGR Cooler 효율( )은 Wang and Webb의 관계식이다. 3) 여기서 효율( )은 현재의 EGR Cooler의 열교환율( )과 최대열교환율( max ) 로 나타낸다.
여기서, 는 전체적인 열교환 계수이고, 는 EGR Cooler의 표면적이다. max 와 min 은 각각의 최대, 최소 열교환 능력이다. 그리고 비율
min max 와 같은 또는 는 뜨거 운 가스와 차가운 냉각수의 열교환율의 상대적인 크기로 좌우된다.
4.
결과 및 고찰Fig. 6의 Pitch 3.6 mm의 그래프와 Fig. 7에서 Pitch 4.6 mm의 그래프를 비교해보면 가스 출구온도는 70~90 °C사이로 두 Cooler가 비교적 일정한 온도분 포를 나타내고 있다. 그러나 Pitch 3.6 mm의 경우 입 구온도가 30 hr정도까지 증가하다가 서서히 낮아지 면서 200 hr이후에 급격히 낮아지는 모습을 보이고, Pitch 4.6 mm의 경우 190°C에서 일정하다. 압력차에 서는 Pitch 3.6 mm의 경우 비교적 일정하게 압력이 증가하는 것을 볼 수가 있으나, Pitch 4.6 mm의 경우 pitch 3.6 mm보다 낮은 압력으로 일정하게 증가하다 가 출구에서의 PM 축적으로 인해 160 hr이후에 압 력의 상승률이 증가하는 것을 볼 수 있다. 두 Cooler 가 압력이 상승하는 이유는 배기가스 온도가 상승 하면서 압력도 상승하게 된다. Cooler는 이 압력은 견딜 수 있는 내구성을 가져야한다.
Pitch 3.6 mm에서는 Pitch의 간격이 좁고 초기 배 기가스의 입구온도가 높아서 초기 출구온도 상승하 였으나, 30 hr이후 배기가스 순환이 정상적으로 되 면서 상승했던 온도가 점차 냉각되면서 온도가 낮 아지고 있다. Pitch 4.6 mm에서는 Pitch간격이 넓어 배기가스 순환이 원활하여 일정한 온도로 유지하였 으나, 시간이 지남에 따라 PM이 축적되어 입구온도 와 출구온도 차가 감소하여 열교환 효율이 감소하 였다.
Fig. 8에서 공기흡입량을 비교해보면 150 hr이전 에는 Pitch 3.6 mm에 비해 Pitch 4.6 mm가 더 적은 것 을 확인할 수 있다. 공기흡입량은 엔진에 들어가는
Fig. 6 Result of temperature at Pitch 3.6 mm of wave fin EGR Cooler
Effects of Pitch Length of Stack-type EGR Cooler on Heat Exchange Characteristics in a Diesel Engine
Fig. 7 Result of temperature at Pitch 4.6 mm of wave fin EGR Cooler
Fig. 8 History of variable air volume
공기량으로 부스터 압력 센서와 HFM센서의 데이 터를 ECU에서 받아 Visu 프로그램을 이용하여 데 이터로 정리하였다.
하지만, Pitch 4.6 mm의 공기흡입량이 120 hr 이후 에는 급격히 상승하면서 150 hr이후에는 Pitch 3.6 mm보다 공기흡입량이 많아지는 것을 확인 할 수 있 다. 이것은 Pitch간 간격이 넓은 Pitch 4.6 mm의 경우 배기가스의 유속이 느리고 표면적 작기 때문에 출 구에서의 PM축적량이 많아져서 120 hr이후 공기흡 입량이 상승하는 것을 볼 수 있다.
250시간 실험 후의 EGR Cooler 입구와 출구의 사 진인 Fig. 9를 보면 Pitch 4.6 mm에서의 출구가 Pitch 3.6 mm에 비해 많은 양의 PM의 축적으로 출구의 약 1/3을 막고 있는 것을 볼 수 있다. 즉, 120hr부터 공기 흡입량이 급격히 증가하는 것으로 보아 120hr부터 PM의 축적에 의해 흡입공기량이 변화되는 부분이 라고 추정 할 수 있다. EGR Cooler의 출구에서 나가
Inlet Outlet Inlet Outlet (a) (b)
Fig. 9 Result of EGR cooler test (a) Pitch 3.6 mm, (b) Pitch 4.6 mm
Fig. 10 History of heat transfer efficiency
는 배기가스 재순환량이 부족하여 엔진 흡기에서의 신기흡입량이 많아진다.
Fig. 10에서 열교환 효율을 보아도 공기흡입량 증 가하는 부분부터 효율이 떨어지는 것을 볼 수 있다.
이는 배기가스가 고온에서 PM들이 흡착되면서 쌓 여 150 hr이후 급격히 효율이 떨어지는 것을 관찰 할 수 있다. 배기가스의 순환이 원활하지 못해 배기가 스가 냉각이 되지 않다는 증거이다. 압력차가 증가 하는 이유는 EGR Cooler 내부의 Pitch가 PM의 축적 에 따른 배기가스의 순환이 원활하지 않기 때문에 입･출구에서 압력의 차이가 발생하기 때문이다.
두 개의 EGR Cooler 모두 PM이 축적되지만, Pitch 4.6 mm에서 배기가스의 유속이 느리고 표면적 작기 때문에 PM축적량이 많아지고 그로 인해 출구가 막 히면서 열교환 효율이 급격히 떨어지는 것을 알 수 있다. 공기흡입량이 작아지면 EGR Cooler 내에 배 기가스가 순환이 원활하지 못해 EGR Cooler 내에 온도 상승으로 열교환 효율이 계속 떨어지게 된다.
이에 반하여, Pitch 3.6 mm의 경우 배기가스의 순
환도 원활하고 일정온도와 공기흡입량을 가져 열교
황세준․김민철․장상훈․김형만
환 효율이 높고 비교적 일정하다. 그러나 과냉각 현 상으로 응축수가 발생하였다. 즉, EGR Cooler의 Pitch 길이에 따라 열교환 효율이 달라진다.
5.
결 론Pitch 3.6 mm, 4.6 mm의 Wave fin을 가지는 적층 형 EGR Cooler에 대한 엔진동력계 실험을 바탕으로 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) 동일한 제원을 가진 EGR Cooler의 경우, Pitch간 간격 따라 열교환 효율이 달라진다.
2) Pitch 3.6 mm 경우, 열교환 효율은 좋으나 과냉각 으로 인해 EGR Cooler 내의 배기가스에 응축수 가 발생 하였다. 응축수가 발생 시 엔진 부식과 엔진의 마모가 발생 할 수 있다.
3) Pitch 4.6 mm 경우, EGR Cooler 출구에서의 배기 가스 가 원활히 냉각되지 못해 PM 부착이 심화 되었다. 유로 막힘 현상의 발생으로 열교환 효율 이 더욱 감소하였다.
4) 본 실험을 통하여 적층형 EGR Cooler의 Pitch의 길이에 따라 열교환 효율의 차이를 확인하였고, 고효율의 EGR Cooler의 설계 시 Pitch의 간격이 열교환 효율에 영향을 주게 된다.
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