An Experimental Study on the Clutch Type Water Pump of Diesel Passenger Vehicle for Reducing Fuel Consumption and CO<sub>2</sub> Emission

(1)

Copyright

Ⓒ

2012 KSAE / 116-18 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 Transactions of KSAE, Vol. 20, No. 2, pp.123-134 (2012)

연비 개선 및 CO

2

저감을 위한 승용디젤 차량의 클러치타입 워터펌프 적용에 따른 실험적 연구

정 수 진^*1)․박 정 권¹⁾․오 창 복²⁾․조 용 석³⁾

자동차부품연구원 동력시스템연구센터¹⁾․태원물산 연구개발팀²⁾․국민대학교 기계･자동차공학부³⁾

An Experimental Study on the Clutch Type Water Pump of Diesel Passenger Vehicle for Reducing Fuel Consumption and CO

2

Emission

Soo-Jin Jeong^*1)․Jung-Kwon Park¹⁾․Chang-boke Oh²⁾․Yong-seok Cho³⁾

1)

Powertrain System R&D Center, Korea Automotive Technology Institute, 74 Yongjeong-ri, Pungse-myeon, Cheonan-si, Chungnam 330-912, Korea

2)

Research and Development Team, Taewon Mulsan Co., 1385-4 Juan-dong, Nam-gu, Incheon 402-200, Korea

3)

Graduated School of Automotive Engineering, Kookmin University, Seoul 136-702, Korea (Received 30 May 2011 / Revised 25 July 2011 / Accepted 27 July 2011)

Abstract : A typical cooling system of an engine relies on a water pump that circulates the coolant through the system.

The pump is typically driven by the crankshaft through a mechanical link with engine starting. In order to reduce the friction and warm-up time of an engine, the clutch-type water pump (CWP) was applied in 2.0 liter diesel vehicle. The clutch-type water pump can force cooling water to supply into an engine by the operation of an electromagnetic clutch equipped as the inner part of pump system. The onset of CWP is decided by temperature of cooling water and engine oil. And, the control logic for an optimal operation of the clutch-type water pump was developed and applied in engine and vehicle tests. In this study, the warm-up time was measured with the conventional water pump and clutch-type water pump in engine tests. And the emission and the fuel consumption were evaluated under NEDC mode in vehicle tests. Also, tests were carried out for the various temperature conditions starting the operation of CWP. From the results of the study, the application of CWP can improve the fuel consumption and CO

2

reduction by about 3%.

Key words : Fuel economy(연비), CRDI(Common Rail Direct Injection, 전자제어식 직접분사), NEDC(New Europen Driving Cycle, 유럽배기규제시험모드), CWP(Clutch-type Water Pump, 클러치 워터펌프), Warm-up(예열)

1. 서 론

¹⁾

최근 세계 선진 국가들은 강화되고 있는 배출가 스 규제에 대응하기 위하여 관련 기술 확보와 동시 에 석유 의존도를 줄이고 지구 온난화를 막기 위한 대안으로 연비 규제를 통한 CO2 규제를 강화하고 있다. 미국은 현행 11.6km/L에서 2020년 14.9km/L 로 현재보다 40%가 강화된 연비 강화 규제를 개정

*

Corresponding author, E-mail: [email protected]

하였으며, 연비 개선 및 CO2 저감에 적극적인 유럽 연합도 연비를 2015년까지 18km/L로 강화하였다.

이러한 상황에서 디젤 차량의 연비개선 및 CO2 저 감을 위하여 최근 엔진 마찰저감 및 쿨링시스템의 최적화에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.^1-4) 이 와 같은 디젤 차량에서 쿨링시스템의 최적화를 통 한 연비 개선 및 CO2 저감을 위한 방법으로서 기존 기계식 워터펌프를 개선한 전동식 워터펌프 또는 CWP(Clutch-type Water Pump) 적용을 위한 연구가

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정수진․박정권․오창복․조용석

수행되어지고 있다. 대표적인 사례로서 독일 Dayco 사는 상용 디젤차량에서 엔진 웜업 구간 단축을 위 한 2-mode CWP 개발 및 상용화를 위한 연구를 수행⁵⁾ 하고 있으며, 이러한 제어장치가 포함된 워터펌프 적용에 따른 2~3% 정도의 연비 개선효과를 기대하 고 있다. CWP는 기존의 워터펌프에 전자식 클러치 를 장착하여 엔진 내부로 유입되는 냉각수 유량을 단속하여 엔진 웜업구간을 단축하고 초기 냉시동 시 연비 개선과 이에 따른 CO2 저감을 목표로 하고 있다. 그러나 승용 디젤 차량에서는 CWP 장착에 따 른 기계식 워터펌프의 레이아웃 변경에 대한 기술 적 문제와 CWP의 최적 구동 제어 전략의 어려움 등 으로 활발한 연구가 진행되지 못하고 있다.

본 연구는 이러한 측면에서 2.0 리터급 승용 디젤 차량에 탑재 가능한 경량화 CWP를 개발하였고, CWP 능동 구동 제어가 가능한 제어 로직을 설계하 여 CWP 적용에 따른 특성 및 엔진 웜업 단축효과를 Base 엔진과 비교･분석하였다. 또한 열화상 카메라 를 이용하여 CWP의 적용에 따른 엔진 표면 온도 변 화 및 열 분포를 고려한 열유동 특성을 분석하였다.

또한 실제 차량에서 CWP 장착에 따른 연비 개선 및 CO2 저감 효과를 NEDC 모드를 통해 평가하고, CWP 최적 구동 시점에 대한 연구를 수행하였다.

2. 실험장치 및 방법

본 연구는 CWP를 적용한 엔진에서 웜업 단축효 과를 분석하고, 차량에서의 연비 개선 및 CO2 저감 효과에 대한 분석 및 정량적 평가를 수행하고자 한 다. 이를 위해 다음과 같은 실험 장치와 방법을 통해 본 연구를 수행하였다.

2.1 주요 실험 장치

2.1.1 CWP (Clutch type Water Pump)

본 연구에 사용된 CWP는 Fig. 1의 기존 워터펌프 의 레이아웃을 변경하지 않고 엔진 팬벨트와 연결 되어 회전하는 풀리 내부에 클러치 시스템만을 삽 입하여 Fig. 2와 같이 제작함으로서 기존워터펌프의 냉각수 유동 특성과 동일하도록 개발하였다. 또한 승용 디젤차량의 운전특성을 고려하여 CWP의 경 량화와 작동 내구성을 확보하였다. 이러한 CWP의

Fig. 1 Lay out of conventional water pump

Fig. 2 Lay out of clutch type water pump

Fig. 3 Main components of clutch system

구동 특성으로서 Fig. 2의 커넥터를 통해 차량의 12V 전원이 공급되면 Clutch system 이 작동되고, Fig. 3의 Clutch disk는 풀리에서 분리되어진다. 이에 따라 워터펌프 풀리만이 독립적으로 회전함으로서 냉각수 순환은 이루어지지 않게 된다. 그러나 전원 이 차단되면 클러치 시스템의 미 작동으로 기존의 워터펌프와 동일한 형태로 냉각수 순환이 이루어진 다. 이와 같은 시스템은 차량 또는 CWP 전원장치의 결합이 발생되어 전원 공급이 이루어지지 못할 경 우에도 워터펌프는 순환되어 엔진 과열을 방지할 수 있는 Fail Safety 기능이다.

2.1.2 Control logic of CWP

엔진 웜업을 단축하고 연비 개선 및 CO2 저감의 극대화를 위해서는 엔진 내부 냉각수와 엔진 오일

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연비 개선 및 CO2 저감을 위한 승용디젤 차량의 클러치타입 워터펌프 적용에 따른 실험적 연구

온도의 빠른 상승이 필수적이다. 현재 대부분의 차 량들은 쿨링시스템 통합제어를 위한 제어값으로 서 모스탯 전단에 위치한 냉각수온센서에서 측정한 냉 각수 온도를 사용하고 있다. 따라서 본 로직에서는 엔진 내부 기계적 마찰 저감에 있어 중요한 요소인 엔진 오일 온도과 서모스탯 전단에서 측정한 냉각 수 온도를 CWP 구동을 위한 제어 변수로 활용하였 다. 또한 일반적인 엔진에서 웜업이 종료되는 시점 이 80°C 근방임을 고려하여 CWP를 장착한 엔진 및 차량에서의 대표적 실험 Case를 서모스탯 전단 온 도를 기준으로 웜업 종료 이전 70°C와 종료시점인 80°C, 그리고 웜업 종료 이후인 94°C로 선정하였다.

또한 냉각수 온도에 상응하는 엔진 오일 온도는 CWP 장착한 실험 결과를 토대로 Table 1과 같이 선 정하여 이를 CWP 구동 컨트롤러에 이식, 냉각수 온

Table 1 Target temperatures for CWP operation

System function

Target temperature Coolant temperature

before thermostat

Engine oil temperature

C W P

ON

Case.1 70°C 60°C

Case.2 80°C 72°C

Case.3 94°C 85°C

OFF

Case.1 65°C 58°C

Case.2 75°C 69°C

Case.3 89°C 82°C

Fig. 4 Flowchart for CWP activation control

도와 엔진 오일 온도에 따라 CWP의 능동 구동이 가 능토록 하였다. Fig. 4는 이러한 CWP 구동여부를 결 정하는 제어 로직의 순서도로서 구동조건과 구동 정 지 조건을 독립적으로 구성하여 측정 온도 편차로 인 한 CWP의 오작동이 발생되지 않도록 설계하였다.

2.2 실험 방법

2.2.1 엔진 실험

일반적으로 엔진에서의 웜업 종료 시점은 서모 스탯 전단 냉각수 온도가 80°C 근방에 이르는 시점 에서 이루어진다. 그러나 CWP의 적용에 따른 엔 진 웜업 단축 효과를 비교･분석하기 위해서는 위 의 일반적인 웜업 종료 기준이 아닌 실제 엔진에서 의 정확한 웜업 종료 시간에 대한 기준이 필요하 다. 본 연구는 이러한 기준을 수립하기 위해 엔진 동력계와 배기분석계를 이용하여 시간에 따른 냉 각수 온도와 엔진 오일 온도 및 배출가스 특성을 분석하여 실제 엔진에서의 웜업 종료 시점을 선정 하고 이를 토대로 CWP 적용에 따른 웜업 단축 효 과를 실험 Case별로 비교, 분석하였다. 실험방법으 로서는 모든 비교 실험 Case에 대한 실험 시작 온도 의 일관성을 유지하기 위해 20°C±2°C가 유지되는 실험실에 엔진을 6시간이상 방치(Soaking) 후 실험 을 시작하여 엔진 공회전 상태를 유지하며 본 연구 를 수행하였다. 또한 열화상 카메라를 활용하여 CWP의 구동에 따른 엔진 표면 온도 변화 및 열 분 포 특성을 고려한 열 유동 특성을 분석하였다.

Table 2는 본 연구에 적용된 엔진의 주요 제원으로 서 Fig. 5와 같이 엔진 내부와 외부 각각 4개 지점에 K-type의 열전대 8개 채널과 촉매 전단인 VGT (Variable Geometry Turbocharger) 후단에 배기가스 샘플링 1개 채널을 설치하였다. Table 3에 각 채널 의 측정지점과 측정대상을 나타내었다. 특히 채널 1의 엔진 오일 온도는 엔진 내부 기계적 마찰 저감 에 있어 가장 중요한 요소이며, 채널 2의 서모스탯 전단 냉각수 온도는 실제 차량에서 쿨링시스템을 제어하고, 엔진 온도에 따른 연료 분사량을 보정하 기 위한 핵심 제어값으로 쓰이고 있다. 이러한 관 점에서 채널 1과 채널 2를 CWP 구동 여부를 제어 하기 위한 입력값으로 선정하였다.

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Soo-Jin Jeong․Jung-Kwon Park․Chang-boke Oh․Yong-seok Cho

Table 2 Engine specification

Engine type CRDI(diesel)

Displacement 1,991cc

Cylinder No./ type 4cylinders / inline type

Compression ration 17.1

Idle rpm 800±20

Turbocharger VGT

Fig. 5 Schematic diagram of engine test system

2.2.2 차량 평가

엔진동력계상에서 실험한 엔진과 동일 엔진이 탑 재된 차량을 이용하여 CWP 장착에 따른 실제 차량 에서의 연비개선 및 CO2저감 효과를 분석하고자 연 구를 수행하였다. 연구 수행방법으로 유럽 배출가 스 시험 지정 모드인 NEDC(New European Driving Cycle) 모드를 적용하여 모든 실험 Case에 대한 연비 성능와 CO2 배출량을 비교, 분석하였다.

아래의 Fig. 6은 NEDC 모드를 통한 차량의 연비 와 배출가스 성능을 평가하기 위한 시험의 개략도 로서 주요 특징은 항온, 항습이 가능한 챔버 내부에 실제 도로부하조건을 모사하기 위한 AVL사의 48인 치 싱글롤 타입의 차대동력계가 설치되어 있으며, 실시간 배출가스 농도를 측정하기 위한 HORIBA사 의 MEXA-7200으로 구성되어 있다. 본 연구는 주변 온도에 대한 환경적 영향을 배제하고 실험 시작 온 도에 대한 일관성을 확보하기 위해 25°C±2°C 상태 에서 실험대상 차량을 6시간이상, 방치(soaking) 후 실험을 수행하였다.

3. 결과 및 분석

본 연구는 엔진동력계과 배기분석계를 통해 CWP 적용에 따른 엔진 warm-up 단축효과를 비교

Table 3 Temperature measurement point for engine

Measurement position

Measure ment object

Key points

Te mp er at ur e Me as ur me en t

En gi ne

nI si de

Ch. 1 Inside engine oil

pan

Engine oil

The important element in engine internal mechanical

rubbing reduction and cooling water temperature rise

Ch. 2 Before

thermostat Coolant

Fuel revision and cooling fan operation

decisive act configuration location of cooling

water temperature sensor Target temperature points for driving CWP

Ch. 3 After

thermostat Coolant

Thermostat whether to opening

confirmation

Ch. 4 Water jacket of

#1 cylinder head

Coolant

For a cylinder head deterioration prevention Cooling

water temperature measurement En

gi ne

Ou ts di e

Ch. 5 Engine

out Coolant Radiator inlet coolant temperature

Ch. 6 Engine

in Coolant Radiator outlet coolant temperature

Ch. 7 After intercooler

Intake

air -

Ch. 8 After VGT

Exhaust

air -

Analysis of emission

After VGT

CO, THC,

NOx

-

E/G rpm

Crank position

sensor

Engine rpm

Experiment start point confirmation

분석하고, 열화상 카메라를 이용하여 CWP의 구동 에 따른 열 유동 특성을 분석하였다. 이와 같은 선행 연구를 토대로 실제 차량에서 CWP 장착에 따른 연 비 개선 및 CO2 저감 효과를 정량적인 방법인 NEDC 모드를 통해 평가하였다.

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An Experimental Study on the Clutch Type Water Pump of Diesel Passenger Vehicle for Reducing Fuel Consumption and CO2 Emission

Fig. 6 Schematic diagram of vehicle test

3.1 Base 엔진의 웜업 종료 구간 선정 Fig. 7은 Base 엔진에서의 웜업 종료 시점 선정을 위한 엔진 실험 결과로서, 그래프내부에 중요 온도 지점을 나타내었다. Fig. 7(a)에서 서모스탯 전단 온 도가 76°C에 도달하면 냉각수 및 엔진 오일의 온도 가 일정하게 유지되는 경향이 나타나는데 이는 서 모스탯 개방에 의한 외부 냉각수의 순환에서 비롯 된 것이다. 서모스탯 개방 여부는 Fig. 7(b)의 냉각수 출구 온도가 급상승되어짐을 통해서도 알 수 있다.

그러나 엔진 웜업 종료이전 워터펌프 회전과 서모 스탯 개방은 엔진 외부 냉각수 순환에 의한 엔진 내 부 냉각수 온도를 일정하게 유지시켜 엔진 내부 온 도의 지속적인 온도상승을 저해하고 빠른 웜업 종 료를 방해하는 결과를 초래한다. Fig. 7(a)에서 서모 스탯 전단 온도가 80°C에 도달하면 엔진 내부 모든 냉각수 온도는 80°C의 동일 온도 영역을 형성하게 되고 이에 따라 Fig. 7(b)에서의 냉각수 출구온도와 입구온도 역시 동일해진다. 이와 같은 결과는 엔진 내부 냉각수 온도 및 엔진 오일 온도가 80°C에 이르 는 지점에서 엔진 냉각수의 정상적인 순환이 이루 어지며, 이는 엔진 안정화 측면에서 엔진 웜업이 종 료되는 시점임을 의미한다. Fig. 7(a)의 서모스탯 전 단 온도가 94°C에 도달하면 모든 온도는 급감소, 재 상승의 경향을 보이게 되는데, 이는 냉각수온센서 의 온도를 엔진 ECU(Electronic Control Unit)가 모니 터링하여 94°C지점에서 엔진 냉각팬을 작동시켰기 때문이다.

Fig. 7(c)는 엔진 연소 및 엔진 내부 온도와 직접적 관련이 있는 HC와 CO, 그리고 NOx의 배출 특성을

(a) Inlet engine temperature change in base engine

(b) Outlet engine temperature change in base engine

(c) Exhaust gas change in base engine

Fig. 7 Inlet engine coolant and engine oil temperature change and exhaust gas in base engine

나타내고 있다. 최초 시동 시 HC와 CO의 배출량은 급상승하며, 연소실 내부의 낮은 온도와 불완전 연 소로 인해 HC와 CO는 각각 증가와 감소를 지속하 게 된다. 그러나 서모스탯 전단 온도가 80°C, 즉 엔

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진 내부 냉각수 온도 및 엔진 오일 온도가 80°C에 이 르는 지점에서 지속적으로 증가하던 HC와 지속적 으로 감소하던 CO는 안정된 상태를 유지하게 된다.

반면 NOx는 냉각수 온도가 상승됨에 따라 꾸준히 상승되고, 이후 냉각수 온도 변화와 동일한 양상으 로 진행되어진다. 이는 엔진 내부 온도가 NOx 생성 에 있어 매우 중요한 요인임을 알 수 있다. 따라서 Fig. 7의 결과를 통해 Base 엔진의 웜업 종료 시점은 엔진 냉각수의 정상적인 순환이 이루어지는 시점 및 엔진 연소 안정성과 직접적 관련이 있는 HC와 CO의 배출 특성을 고려하여 엔진 내부 냉각수 온도 및 엔진 오일 온도가 80°C에 도달되는 지점임을 알 수 있다. 또한 엔진 웜업 단축에 있어 엔진 오일 온 도와 엔진 내부 냉각수가 가장 중요한 요소임을 확 인 할 수 있다. 따라서 Base 엔진을 공회전 상태로 유 지하여 실험한 결과, 웜업이 종료되기까지 필요한 시간은 엔진 내부 냉각수 온도 및 엔진 오일 온도가 80°C에 도달하는데 소요된 시간(실험 시작 후 3,298 초)임을 본 실험 연구를 통해 확인할 수 있었다.

3.2 엔진 실험을 통한 CWP 적용에 따른 엔진 웜업 단축 효과

Fig. 8은 CWP를 적용하여 실험 Case에 따른 각 측 정 지점에서의 온도 상승효과를 나타내고 있으며, 그래프 내부에 각 실험 Case별 측정지점에서 80°C 에 도달하기 위해 소요된 시간과 그에 따른 단축효 과를 나타내었다.

Fig. 8(a)의 엔진 오일 온도 상승에 있어 CWP를 적용한 Case에서 빠른 온도 상승을 알 수 있으며, 특 히 CWP의 구동이 가장 늦은 94°C Case에서 온도 상 승이 가장 두드러짐을 확인 할 수 있다. 엔진 오일의 빠른 상승은 엔진 내부 기계적 마찰 저감을 위해 매 우 중요한 내용으로서, 엔진 내부 냉각수 온도의 빠 른 상승까지 유도하게 된다.

Fig. 8(b)와 (c)의 그래프 역시 CWP를 적용한 Case 에서 Base 엔진 대비 빠른 온도상승이 이루어지고 있음을 알 수 있다. 특히 위의 결과를 통해 Base 엔진 의 웜업 종료가 이루어지는 시점인 80°C와 이후 시 점인 94°C에서 CWP를 작동시킬 경우 단축 효과가 가장 두드러짐을 확인할 수 있다. 이는 엔진의 서모 스탯이 이미 개방(서모스탯 개방 시작 온도는 76°C

임)되었음에도 불구하고 CWP의 미 구동으로 인한 엔진 외부 및 내부 냉각수의 순환이 이루어지지 않 아 지속적인 온도상승이 가능했기 때문이다. 그러 나 70°C에 CWP를 구동시킬 경우 워터펌프 구동 이 후에 서모스탯이 개방됨에 따라 외부 냉각수가 엔 진 내부로 순환되어 지속적인 온도 상승이 발생되 지 않아 Base 엔진 대비 미미한 온도상승 효과를 나 타낸 것이다.

Fig. 8(d)는 CWP 적용에 따른 서모스탯 후단에서 의 온도 변화 특성을 나타내고 있다. 위의 결과를 통 해 서모스탯이 개방되고, 엔진 웜업이 종료된 이후 시점에서 CWP를 구동시킨 94°C Case가 온도 상승 측면에서 가장 효과적임을 알 수 있다. 이는 CWP의 미 구동 상태가 지속되어 엔진 내부 온도가 빠르게 상승하고, 이에 따른 서모스탯 후단의 냉각수 온도 역시 서모스탯 개방에 의해 빠른 속도로 상승되었 기 때문이다. 이러한 Fig. 8의 결과를 통해 CWP는 기존 기계식 워터펌프에 비해 엔진 내부 냉각수와 엔진 오일 온도의 빠른 상승을 촉진시켜 지속적인 온도 상승을 도모하며 엔진 웜업을 단축시키는데 매우 효과적임을 확인 할 수 있다. 이러한 결과로서 CWP를 적용한 엔진은 Base 엔진의 웜업 종료 시점 (실험 시작 후 3,298초) 대비 CWP를 적용한 70°C Case에서 2.7(3,209초)%, 80°C Case에서 8.67(3,012 초)%, 94°C Case에서 27.7(2,358초)%의 웜업 단축 효과를 얻을 수 있었다. 또한 CWP의 가장 효과적인 구동 시점은 엔진 서모스탯이 개방된 이후, 그리고 Base 엔진의 웜업이 종료된 이후 시점임을 본 연구 를 통해 확인할 수 있었다.

3.3 CWP 적용에 따른 엔진 표면에서의 열 유동 특성

열화상 카메라를 이용하여 Base 엔진과 CWP를 적용하여 실험한 Case 중 웜업 단축 효과가 가장 두 드러진 94°C Case에 대하여 시간에 따른 엔진 표면 에서의 열 유동 특성을 분석하였다. 분석을 위한 방 법으로서는 Fig. 9와 같이 엔진 배기면쪽에 열화상 카메라를 설치하여 시동 후 10분, 20분, 30분, 40분 의 촬영 화면에 대하여 Fig. 10 ~ Fig. 13과 같이 Base 엔진과 CWP(94°C) 적용 엔진을 비교, 분석하였다.

Fig. 10을 통해 두 가지 경우 모두 과급기와 배기

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(a) Engine oil temperature change and temperature increase shortening effect in base engine and CWP-equipped engine

(b) Thermostat inlet coolant temperature change and temperature increase shortening effect in base engine and CWP-equipped engine

(c) Cylinder head water jacket (#1) coolant temperature change and temperature increase shortening effect in base engine and CWP-equipped engine

(d) Thermostat outlet coolant temperature change and temperature increase shortening effect in base engine and CWP-equipped engine

Fig. 8 Inlet engine coolant and engine oil temperatures change and shortening effect from temperature increase in CWP-equipped engine and base engine tested by time

Fig. 9 Photograph of test engine

(a) Base engine (b) CWP-equipped engine (94°C)

Fig. 10 Thermal flow in base engine and CWP-equipped

engine (94°C) taken 10 minutes after starting

매니폴드 중심으로 빠른 온도 상승이 이루어짐을 알 수 있으며, CWP(94°C) 적용 엔진의 촉매 전단 부 위 온도가 Base 엔진 대비 고온의 상태를 유지하고 온도 분포 역시 넓게 형성되어짐을 확인할 수 있다.

(8)

(a) Base engine (b) CWP-equipped engine (94°C)

engine (94°C) taken 40 minute after starting

Fig. 11은 시동 후 20분이 경과된 시점으로서 CWP 적용 엔진에서 배기매니폴드와 터보챠져, 그리고 엔진 오일 휠터 하우징 부위의 온도가 Base 엔진 대 비 고온의 상태를 유지하고 있음을 알 수 있다. 그러 나 온도 분포 측면에서 Base 엔진은 Fig. 10의 온도 분포 면적보다 매우 넓은 면적으로 확대 형성되어 진 반면, CWP 적용 엔진은 Fig. 10과 비교하여 엔진 의 중요부위에 집중적으로 분포되고, 엔진 표면의 온도만 빠르게 상승되었을 뿐 Base 엔진 대비 열 분 포의 확대가 미미하게 발생되었음을 확인 할 수 있 다. 이러한 CWP 적용 엔진에서 빠른 온도 상승과 엔 진 중심적인 온도 분포 특성은 시동 초기 엔진 내부 의 차가운 분위기 온도 상승에 기여하여 엔진 웜업 을 단축시킬 수 있도록 유도한다. 시동 후 30분이 경 과된 Fig. 12에서 나타나는 바와 같이 CWP 적용 엔 진의 표면 온도는 Base 엔진 대비 고온의 온도 영역 을 형성하게 되고, 열 분포 역시 엔진의 실린더 블록 을 중심으로 분포되어 진다. 시동 후 40분이 경과된 Fig. 13에서는 이러한 현상이 보다 분명하게 나타난

다. 이러한 CWP 적용 엔진에서의 온도 변화 및 열 분포 특성은 Base 엔진 대비 엔진 중심적인 온도 상 승을 유발하여 엔진 오일과 엔진 내부 냉각수 온도 의 빠른 상승과 이에 따른 엔진 내부의 지속적인 온 도 상승을 가능케 한다. 그 결과 엔진 웜업을 단축시 킬 수 있다. 또한 시동 초기 촉매의 활성화 온도 도 달 시간을 단축시키고, 엔진 냉 시동 시 연소 안정성 확보에 있어 매우 긍정적인 요인으로 작용될 것으 로 판단된다.

3.4 차량평가를 통한 CWP 적용에 따른 엔진 웜업 단축 효과

Fig. 14는 NEDC 모드 주행에 따른 엔진 내부에서 의 냉각수 온도 및 엔진 오일 온도의 변화를 나타내 고 있다. 또한 그래프 내부에 CWP의 구동 상태에 관 한 시점을 실험 Case별로 나타내었다. 아래의 Fig. 14 의 엔진 오일 온도 및 냉각수 온도의 변화 특성은 엔 진 선행실험의 결과와 매우 유사한 형태를 보이고 있다. 또한 CWP를 적용한 차량의 각 측정지점의 온 도 상승이 Base 차량 대비 빠르게 상승되어짐을 확 인 할 수 있으며, CWP 작동 시 온도 상승의 폭은 다 소 차이가 있으나 급상승, 급감소의 경향은 동일하 게 발생되어진다. 이는 CWP 미 구동으로 인해 엔진 내부에 정체되어 있던 고온의 냉각수가 CWP 구동 에 의해 순간적으로 순환되는 과정에서 발생된 결 과이다.

이러한 CWP의 적용에 따른 특성 중 가장 주목해 야 될 사항은 CWP 적용 시 Fig. 14(b)와 Fig. 14(c)에 서 나타나는 바와 같이 실험 초반 발생되는 온도 역 전현상이다. Base 엔진에 장착된 기계식 워터펌프 는 최초 엔진 구동시점부터 회전되어 엔진 내부 냉 각수를 냉각 유로상으로 순환시켜 엔진 내부 냉각 수 전체에 대한 온도를 상승시킨다. 반면 CWP는 미 구동상태를 유지하여 냉각수 순환이 이루어지 지 않는다. 앞선 선행 연구에서 CWP는 엔진 실린 더 블록 중심의 온도상승을 유발하는 특징을 지니 고 있음을 확인하였다. 실린더 블록 중심의 온도 상 승은 엔진 내부를 순환하는 엔진 오일의 온도를 Fig. 14(a)와 같이 Base 엔진 대비 실험 시작 초기부 터 매우 빠르게 상승시키고, 온도가 상승된 엔진 오 일은 엔진 내부를 순환하는 과정에서 엔진내부의

(9)

An Experimental Study on the Clutch Type Water Pump of Diesel Passenger Vehicle for Reducing Fuel Consumption and CO2 Emission

(a) Engine oil temperature change in base vehicle and CWP-equipped vehicle tested in NEDC mode

(b) Thermostat inlet coolant temperature change in base vehicle and CWP-equipped vehicle tested in NEDC mode

(c) Cylinder head water jacket (#1) coolant temperature change in base vehicle and CWP-equipped vehicle tested in NEDC mode

(d) Thermostat outlet coolant temperature change in base vehicle and CWP-equipped vehicle tested in NEDC mode

Fig. 14 Inlet engine coolant and engine oil temperatures change in base vehicle and CWP-equipped vehicle tested in NEDC mode

냉각수 온도 상승을 촉진시킨다. 이러한 과정의 반 복과 더불어 엔진 연소열의 전도로 인해 결국 엔진 내부의 한정된 공간에 정체되어 있는 냉각수온도 는 빠르게 상승되어진다. 반면 Base 차량은 워터펌 프의 강제 구동에 의해 엔진 내부 냉각수를 계속적 으로 순환시켜 엔진 내부에 위치한 냉각수와 엔진 오일의 온도를 전체적으로 상승시키는 과정을 수 행하게 된다.

이러한 과정은 엔진 내부 냉각수 온도와 엔진 오 일 온도를 지속적으로 상승시키는데 불리한 요인으 로 작용된다. 그 결과 Fig. 14(b)와 Fig. 14(c)에서와 같이 실험 초기 Base 엔진의 내부 냉각수 온도가 좀 더 빠르게 상승되지만, 이후 CWP 적용 엔진의 내부 냉각수 온도가 Base 엔진 대비 빠르게 상승되어짐

을 확인할 수 있다. 그러나 Fig. 14(d)의 서모스탯 후 단에서의 이러한 온도 역전 현상은 발생되지 않는 다. 이는 서모스탯의 후단의 위치적 특성에서 기인 한 것으로서 실험 초반 냉각수의 온도 상승이 서모 스탯 장치로 인해 서모스탯 후단의 냉각수 온도에 영향을 주지 못하기 때문이다. Fig. 14의 결과를 통 해 CWP를 적용한 차량에서의 엔진 웜업 단축 효과 는 Base 차량의 웜업 종료 시점(실험 시작 후 850초) 대비 CWP를 적용한 70°C Case에서 2.0(833초)%, 80°C Case에서 8.12(781초)%, 94°C Case에서 22.24 (661초)%의 웜업 단축 효과를 얻을 수 있었다. 또한 차량 성능 평가 연구를 통해 CWP의 가장 효과적인 구동 시점은 Base 엔진의 웜업이 종료된 이후 지점 임을 본 연구를 통해 확인할 수 있었다.

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3.5 NEDC 모드 주행에 따른 배기가스 온도 특성

Fig. 15는 NEDC 모드 주행에 따른 촉매전단에서 측정한 배기가스 온도 변화 특성으로서 좌측 Y축의 온도 영역을 확대하여 나타내었다. CWP를 적용한 차량의 배기가스 온도는 저속 도시주행구간인 ECE-15모드에서만 Base 차량 대비 높은 온도 영역 을 유지하고 있다. 이는 Fig. 15에서와 같이 고속 구 간인 EUDC 모드가 시작되기 전 CWP 적용한 3개의 Case 모두 CWP가 구동됨에 따라 Base 차량과 동일 한 냉각시스템을 유지하여 더 이상의 온도 상승이 발생되지 않았기 때문이다.

Fig. 15 Catalyst inlet exhaust gas temperature change in base vehicle and CWP-equipped vehicle tested in NEDC mode

3.6 NEDC 모드 주행에 따른 THC 및 CO의 배출 특성

Table 4는 CWP 적용 차량과 Base 차량에서 NEDC 모드 주행에 따른 HC와 CO의 총 발생량을 나타내 고 있다.

최근 승용 디젤 차량에서 배출되는 유해 배출가 스 중 냉시동시 발생량이 증가하는 HC와 CO의 저 감을 위해 WCC(Warm-up Catalytic Converter)가 장 착되어지고 있다. WCC는 기존 DOC(Diesel Oxida-

Table 4 THC and CO emissions in base vehicle and CWP- equipped vehicle tested in NEDC mode

Conventional water pump

CWP (70°C)

CWP (80°C)

CWP (94°C) THC

(g/km) 0.0135 0.0135 0.0134 0.0134 CO

(g/km) 0.0428 0.0426 0.0426 0.0427

tion Catalyst)의 활성화 온도인 250°C근방보다 낮은 온도 영역에서 촉매의 활성화가 이루어져 엔진 냉시 동시 THC와 CO의 저감에 있어 매우 효과적이다.^6-9) 본 연구에 적용된 차량은 이러한 WCC를 비롯하 여 UCC(Underbody Catalytic Converter)와 DPF(Die- sel Particulate Filter)가 일체형으로 구성된 후처리시 스템을 장착하고 있다. 앞선 Fig. 15에서와 같이 Base 차량과 CWP를 적용한 차량에서 배기가스 온 도는 시동 후 60초지점에서 280°C에 이르며, 이후에 도 200°C 이상의 고온 영역을 형성하게 된다. 따라 서 Base차량 대비 CWP 적용 차량에서의 HC와 CO 의 총 발생량은 동등수준임을 확인하였다.

3.7 NEDC 모드 주행에 따른 NOx 배출 특성 Fig. 16은 NEDC 모드 주행에 따른 NOx 배출 특성 으로서 Y축의 NOx 발생량을 확대하여 나타내었고, Table 5는 Base 차량과 CWP 적용 차량에서의 NOx 발생량을 도식화하여 나타내고 있다. Table 5에서 제시한 바와 같이 CWP 적용 차량에서 NOx 발생량 이 증가하는데, 이는 CWP 적용에 따른 냉각수 온도 와 엔진 오일 온도의 지속적인 온도 상승으로 연소 실 내부 온도가 상승되었기 때문인 것으로 판단된 다. CWP를 적용한 차량에서 NOx 최대 배출량은 0.234g/km로서, 본 차량의 배출가스 규제인 EURO-

Ⅳ규제를 만족하고 있다. 그러나 NOx 배출에 있어 더욱 강화되어진 EURO-Ⅴ와 EURO-Ⅵ 규제에 대응 하기 위한 엔진 제어 전략 및 후처리시스템의 도입 으로 NOx의 발생은 충분히 저감되어 질 수 있을 것 으로 사료된다.

3.8 CWP 적용에 따른 연비 개선 및 CO2 저감 효과

Fig. 17은 Base 차량과 CWP 적용 차량의 NEDC

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Fig. 16 NOx emission in base vehicle and CWP-equipped vehicle tested in NEDC mode

Table 5 NOx emission in base vehicle and CWP-equipped vehicle tested in NEDC mode

Conventional water pump

CWP (70°C)

CWP (80°C)

CWP (94°C) NOx

(g/km) 0.214 0.227 0.231 0.234

Fig. 17 CO2 emission in base vehicle and CWP-equipped vehicle tested in NEDC mode

구간에서의 정성적인 CO2 배출특성을 나타내고 있 으며, Fig. 18은 NEDC 구간에서의 모드별 CO2 저감 효과를 정량적으로 나타내고 있다. 또한 Fig. 19는 CWP 적용에 따른 NEDC 구간에서의 모드별 연비 개선 효과를 나타내고 있다.

Fig. 18 CO2 reduction in base vehicle and CWP-equipped vehicle by NEDC mode section

Fig. 19 Fuel consumption reduction effect in base vehicle and CWP-equipped vehicle by NEDC mode section

Fig. 18을 통해 CWP를 장착한 차량에서 Base 차 량 대비 CO2 저감 효과를 확인 할 수 있으며, 특히 94°C에서 CWP를 구동시킨 경우의 CO2 저감 효과 가 가장 두드러짐을 확인 할 수 있다. 또한 엔진의 냉간 시동 구간이 포함되어 있는 ECE 구간의 CO2

저감 효과가 고온 안정화 단계인 EUDC 구간에 비 해 우수함을 알 수 있다. 이는 엔진의 서모스탯이 이 미 개방되었음에도 불구하고 CWP의 미 구동 상태 가 지속되어 엔진 외부 및 내부 냉각수의 순환이 가 장 늦게 이루어짐으로서 엔진 오일 온도의 빠른 상 승과 엔진 내부 냉각수의 지속적인 온도상승이 가 능하였기 때문이다. 따라서 엔진 내부의 빠르고 지 속적인 온도 상승은 엔진 웜업을 단축시키는데 있 어 매우 효과적인 방법인 것으로 판단된다. 이와 같 은 특성은 Fig. 19의 연비 개선 효과에서도 동일하게 나타난다.

이러한 특성은 엔진의 웜업을 단축하고 그에 따 른 냉간 시동 시 차량의 연비 개선 및 CO2 저감을 위 한 CWP 적용의 궁극적인 목적과 매우 일치되는 연 구 결과 내용으로써 CWP를 장착 차량에서 최대

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3.2%의 연비 개선 효과와 3.29%의 CO2저감 효과를 달성 할 수 있었다. 또한 본 연구에서 개발된 CWP와 그에 따른 제어 로직의 신뢰성 및 CWP 적용에 따른 최적 구동 시점에 대한 실험적 연구 성과를 확보 할 수 있었다.

4. 결 론

본 연구에서는 2.0 Liter 승용디젤 엔진에서 냉간 시동 시 연비 개선 및 CO2 저감을 위해 기존의 기계 식 워터펌프의 특성을 개선한 능동형 CWP를 개발 하였다. 또한 CWP 최적 구동제어를 위한 제어 로직 을 설계하여 실제 엔진에 적용하여 CWP 장착에 따 른 특성을 분석하였고, 그 결과를 토대로 CWP을 차 량에 탑재하여 실제 운전 구간에서의 연비 개선 및 CO2 저감 특성을 비교, 평가하였으며 그 결과는 다 음과 같다.

1) 엔진 실험을 통하여 CWP는 Base 엔진의 기계식 워터펌프에 비해 엔진 내부 냉각수와 엔진 오일 온도의 빠른 상승과 지속적인 온도 상승을 도모 하여 엔진 웜업을 단축시키는데 매우 효과적임 을 확인 할 수 있었다.

2) 이러한 결과를 토대로 CWP를 실제 차량에 적용 하여 NEDC 모드 평가를 통해 Base 차량 대비 20%이상의 엔진 웜업 단축 효과를 달성하였다.

3) 엔진 웜업 구간의 단축에 따른 실제 차량에서의 연비 개선 및 CO2 저감 효과를 확인 할 수 있었으 며, Base 차량 대비 최대 3.2%의 연비 개선과 3.29%의 CO2 저감 효과를 확보할 수 있었다.

4) CWP의 가장 효과적인 구동시점은 엔진의 웜업 이 종료된 이후 지점임을 본 연구를 통해 확인 할 수 있었다.

후 기

본 연구는 중소기업청 주관 “제조현장 녹색화 기 술개발사업(S1073583)”의 지원으로 수행되었으며, 관계기관의 협조에 감사드립니다.

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