CopyrightⒸ2007 KSAE 1225-6382/2007/090- 2 1
Transactions of KSAE, Vol. 15, No. 6, pp.151-158 (2007)
부분부하에서 커먼레일 과급 디젤엔진의 VGT와 EGR 제어가 배출물에 미치는 영향
정 수 진*․정 재 우․강 정 호․강 우
자동차부품연구원 첨단동력/IT 종합연구센터
The Effect of Control of the VGT and EGR in a Turbocharged Common-Rail Diesel Engine on Emissions under Partial Loads Conditions
Soo-Jin Jeong*․Jae-Woo Chung․Jeong-Ho Kang․Woo Kang
Korea Automotive Technology Institute, 74 Yongjeong-ri, Pungse-myeon, Cheonan-si, Chungnam 330-912, Korea (Received 30 April 2007 / Accepted 6 August 2007)
Abstract : The static and dynamic behaviour of VGT and EGR systems has a significant impact on overall engine performance, fuel economy and exhaust emissions. This is because they define the state and composition of the air charge entering the engine. This work focused on the effect of the aperture ratio of VGT and EGR on the emission and flow characteristics under partial loads conditions. The investigation carried out using 2 liter PCCI 4 cylinder diesel engine with VGT and EGR. The result of this study shows that smoke increases with increasing EGR rate and NOx decreases with increasing EGR rate. It was also found that the residual gas contents greatly impact on soot emission under partial load condition. Finally, it can be concluded that VGT and EGR aperture ratio can greatly impact not only on soot and NOx but also air charging.
Key words : Exhaust gas recirculation(EGR: 배기가스재순환), Variable geometry turbo-charger(VGT: 가변형상 과 급기), Wave action(압력파 거동), Partial premixed charge compression ignition(PCCI: 부분예혼합압축착화)
1.
서 론1)전 세계적으로 대두되고 있는 지구환경문제에 의 한 배기가스의 제한과 더불어 연소를 원리로 하는 동력원에서는 필수 불가결하게 발생되는 CO2는 지 구온난화의 주범으로서 지목되어 그 발생 또한 제 한되고 있는 실정이며 이는 곧 고효율의 엔진개발 이 필수적임을 의미한다고 할 수 있다. 배기 규제 및 연비향상(CO2 저감)에 대응하기 위한 기술적 방편 으로 직분식 디젤엔진에 대한 관심과 개선이 현재 활발히 진행되고 있다. 이러한 기술적 특성과 함께
*Corresponding author, E-mail: [email protected]
디젤 엔진의 수요는 현재까지 미국과 유럽을 중심 으로 급격히 증가되고 있는 추세이다. 그러나 최근 의 강화되는 배기 규제를 만족시킬 필요가 있으며, 이에 대한 연소 대책으로서 예혼합압축착화(Homo- geneous Charge Compression Ignition: HCCI) 기법1-3,8) 을 적용한 신연소개념의 적극적인 도입과 일반 디 젤 연소방식의 측면에서는 압축비의 저감 및 가변 압축비 엔진 그리고 엔진크기를 줄이는 동시에 과 급의 효과를 증대시키는 방안 등이 새롭게 등장하 고 있다.
이러한 두 가지 연소개념은 동일한 엔진에서 서 로 다른 운전영역에 각기 채용될 가능성이 있으며,
정수진․정재우․강정호․강 우
이 두 가지의 연소개념을 하나의 엔진에서 구현하 기 위하여 필요한 기술은 EGR,10) 과급, 그리고 압축 비 변경 기술 등이다.
그러나 차세대 디젤 엔진에 있어서의 국내의 대 부분의 연구는 분사시스템 및 분사조건 그리고 배 기정화 촉매에 집중되고 있는 상황이다.
이러한 연소기술은 적정한 연소 환경의 조성과 제어가 뒷받침되어져야 하나, 연소 환경을 제공하 는 흡배기 시스템에 대한 연구는 미진한 상황이어 서, 연소환경을 조성하는 흡배기 시스템의 최적화 및 제어를 위한 기반 기술의 개발이 좀 더 활성화될 필요가 있다.
따라서 본 연구에서는 다기통 디젤엔진에 부분예 혼합압축착화 연소기법을 적용하며, 부분부하 상태 에서 VGT 및 EGR 밸브의 개도변화가 스모크 및 NOx의 배출에 미치는 영향과 유동특성에 미치는 영향을 실험 및 수치적으로 연구하였다.
2.
실험장치 및 해석모델2.1
실험 엔진 및 장치본 연구에서는 4기통엔진에서의 실험을 목표로 하고 있으며, 기존의 단기통엔진과 다른 제어 시스 템의 구성이 필요하였다. 다기통 엔진 시험장치의 구성은 엔진 동력계, 배기 분석계 및 테이터 처리 장 치와 각종 센서류 그리고 제어를 위한 시스템으로 구성되며, 각종 센서류의 경우 연소실 압력 측정이 외에 흡배기계의 압력 및 온도를 파악하기 위한 각 종의 센서류가 포함된다.
실험엔진의 제어는 다기통 분사제어기, 레일압 력제어기 그리고 EGR밸브 및 VGT제어기 및 제어 프로그램으로 구성되었으며, 수동 제어 및 Feed back 제어가 가능하도록 주문제작하여 실험에 적용 하였다.
본 연구에서는 엔진의 연소 및 배기 특성 뿐 아니 라 흡배기계의 작동 특성 또한 고찰이 필요하였으 므로 그에 따른 각종의 센서가 추가로 부착되었다.
특히 흡배기 시스템(EGR 및 과급장치) 전후부의 압 력과 온도 측정은 필수적이며, 과급기의 각종 성능 을 엔진 상에서 취득하기 위하여 과급기의 회전속 도를 측정할 수 있는 센서를 부착하였다(Fig. 1).
Table 1 Specifications of a test engine
항 목 제 원
형식 및 연료공급계 4기통 common rail 디젤
Bore × Stroke (mm) 83×92
압축비 17.7
과급 및 EGR 진공압 솔레노이드 제어
VGT 및 EGR valve
Table 2 Specifications of engine test system
항 목 제 원
동력계 AVL, EC type, 160KW
배기분석계 Horiba, MEXA 9100DEGR
Smoke meter AVL 415
Engine controller (주) TEMS
Fig. 1 Picture of fuel supply system in engine tests
EGR과 VGT는 각각의 duty 비를 조정하여 과급 압과 EGR율을 조정하였으며, EGR율은 흡기관내, 배기관내 그리고 대기중의 CO2농도를 이용하여 측 정하였다. 엔진 시험장치의 구성은 Fig. 2에 나타내 었다.
2.2
수치적 모델링본 연구에서는 흡배기관 내의 비정상적 가스의 유동을 1차원적으로 고려한 유한체적법을 사용하 여 계산하였다. 흡배기계는 엔진의 복잡한 여러 장 치들과 연결되어 있으므로 관 양단에 연결되어있는 여러 장치들을 모델링 하여야 한다. 본 연구에서는 실린더를 가스교환 시는 열역학적 개방계로 간주하 였다. 터보 과급기는 압력비와 질량유량의 함수로 서 속도와 등엔트로피 효율을 나타내는 터빈과 압 축기의 성능선도(map)를 이용하여 열역학적으로 모델링하였다.4-7)본 연구에서 사용된 과급기 모델 링 방법은 고정자 및 회전자 영역을 노즐로 모델링 하고 가운데 영역을 실제 과급기 체적에 상당하는 공간을 설정하는 방법이다.6) 그 밖의 다른 장치들에
부분부하에서 커먼레일 과급 디젤엔진의 VGT와 EGR 제어가 배출물에 미치는 영향
Fig. 2 Schematic of engine test system
대한 모델링방법은 참고문헌7)에 상세히 설명되어 있다. 본 연구에서는 위와 같은 해석기법을 각 배기 시스템에 적용하기 위하여 AVL에서 개발한 상용프 로그램인 Boost code7)를 사용하였다.
Fig. 3은 엔진 및 흡배기계를 열역학적으로 모델 링 한 결과를 나타내었다. 흡배기계를 구성하는 각 요소 중 압력강하가 발생하는 중간냉각기, air cleaner, EGR 밸브, DOC, 소음기, EGR 냉각기 등을 계산하기 위해 필요한 유량계수와 압력 강하치는 실 운전조건에서 실측한 데이터를 사용하였다. Fig.
4에 본 연구대상 엔진에 장착된 전자식 EGR 밸브의 duty비에 따른 밸브양정을 나타내었다.
전자식 EGR 밸브는 작동 신호 Duty 30% 미만에서 는 거의 작동하지 않으며 Duty 30%와 40% 사이에서 는 0.1 mm 미만의 미세한 움직임을 보이고 있다.
Duty 40%에서 60% 사이에서 급격하게 밸브가 열리 며 Duty 60%에서 80% 사이에서는 기울기가 약간 완 만하여지며 Duty 80%이상에서는 거의 전개되어있다.
3.
연구내용3.1
부분예혼합압축착화 연소기법의 적용및 분사시기본 연구에서는 비교적 실용성이 높은 것으로 판
Fig. 3 Layout of the engine computational model
Fig. 4 Electronic EGR valve lift with respect to duty ratio
Soo-Jin Jeong․Jae-Woo Chung․Jeong-Ho Kang․Woo Kang
(a) Smoke number
(b) NOx
Fig. 5 Comparisons of NOx and Smoke according to com- bustion methods
단되는 2단분사방식의 부분예혼합압축착화 응용방 식을 선정하여 실험을 수행하였다, Fig. 5의 결과그 림으로부터 이러한 분사방식은 NOx의 저감에서는 우수한 성능을 가지고 있었으나, smoke의 발생은 기 존의 연소시스템과 유사한 특성을 가지고 있는 것 으로 판단되었다. 단, 분사시기의 변화에 따라 예혼 합압축착화연소성격이 강하여지는 경우에는 스모 크의 발생이 동일한 A/F에 대하여 적게 배출되는 특 성을 나타내었다.
따라서 본격적인 실험의 수행에 앞서 분사시기의 선정이 매우 중요하였으며, 분사시기의 선정결과 첫 번째 분사시기는 BTDC80°그리고 두 번째 분사 시기는 ATDC5°로 결정하였으며, 이때 각 분사시의 분사량 비는 1:1로 설정하였다.
3.2 VGT 및 EGR 밸브의 개도비에 따른
유동 및 배출물 특성VGT와 EGR은 현재의 흡배기 순환시스템에서는
Fig. 6 Effects of VGT aperture on the amount of EGR
Fig. 7 NOx emissions with respect to EGR valve apertures at 64N.m
Fig. 8 NOx emissions with respect to EGR valve apertures at 96N.m
상호간에 영향을 미치며, 따라서 두 가지를 적절히 조합하기 위한 기준이 필요하다. 이러한 기준을 A/F 로 설정하는 경우, A/F에 대한 배기가스의 배출 특
The Effect of Control of the VGT and EGR in a Turbocharged Common-Rail Diesel Engine on Emissions under Partial Loads Conditions
성은 매우 중요한 기준 선도가 될 수 있다. 이를 위 하여 본 연구에서는 2000rpm의 경우 2개의 하중조 건(64 N·m, 96 N·m)에서 VGT 개도(duty 70%, 85%, 90%)를 일정하게 유지시킨 상태에서 EGR 밸브의 개도를 조절하여 이에 따른 PCCI 디젤엔진에 있어 서의 유동특성 및 배출물 특성을 연구하였다.
Fig. 6은 각 경우의 EGR율을 나타낸 것이다. 그림 에서 볼 수 있듯이 EGR의 duty가 증가할수록 EGR 율은 상승하고 있으며 VGT 베인의 개구면적이 작 은 경우가 유동저항으로 인한 배압의 상승으로 인 하여 EGR율이 높게 형성되어 있음을 알 수 있다. 또 한 저부하인 경우보다 고부하인 경우가 EGR 개구 면적 변화에 대해 EGR율이 민감하게 변화함을 알 수 있는데 이는 하중이 증가하면 과급압이 상승하 고 배기가스의 추력 또한 상승하기 때문이다.
2000rpm 64N.m, 96N.m의 하중조건에서 EGR 밸 브의 개도변화가 NOx 배출에 미치는 영향을 Fig. 7 과 Fig. 8에 각각 나타내었다.
그림에서 볼 수 있듯이 EGR을 적용하지 않은 경 우에는 A/F의 변화에 따른 NOx의 배출의 변화가 미 미하나 EGR을 적용한 경우는 EGR의 개도를 증가 시켜 EGR량을 증가시킬수록 NOx는 감소하였다.
또한 흥미로운 점은 A/F가 동일한 상황에서도 VGT 베인의 개도량에 따라 NOx의 배출량이 달라진다는 것이다. 본 연구의 경우 VGT 베인의 개도가 작은 경 우가 NOx의 배출량이 작은데 그 이유는 개도가 작 은 경우가 배압이 높게 형성되어 높은 EGR량을 얻 을 수 있기 때문이다.
Fig. 9와 Fig. 10은 하중 64N.m와 96N.m의 경우에 EGR 밸브의 개도비 변화에 따른 스모크 발생량을 각각 나타내었다. 64N.m의 경우 EGR을 적용하지 않았을 때는 NOx의 경우와 같이 A/F의 변화에 따른 스모크 발생 변화가 미미하다. 따라서 저하중에서 PCCI를 적용한 디젤엔진에 있어서 VGT 적용에 따 른 희박화는 NOx 배출에는 큰 영향을 미치지 못하 고 있음을 알 수 있다.
그러나 하중이 높은 96N.m의 경우는 EGR을 적용 하지 않은 경우 VGT 베인의 개도량에 따라 스모크 발생 변동폭이 큰데 이것은 고하중에서는 배기가스 의 운동에너지가 높아 VGT 베인의 개도량에 따라
Fig. 9 Smoke emissions with respect to EGR valve apertures at 64 N.m load
Fig. 10 Smoke emissions with respect to EGR valve apertures at 96 N.m load
배압의 변동이 높아 실린더 내의 잔류가스량의 변 화가 많고 이는 결국 스모크의 배출량에 큰 변화를 주기 때문으로 생각되어진다. 이로부터 고하중에서 의 PCCI 엔진의 VGT 적용은 스모크의 발생을 저감 시킬 수 있음을 알 수 있다. 그러나 Fig. 9에서 볼 수 있듯이 VGT 베인 duty 90%인 경우 EGR이 없는 경 우에 비해 EGR을 적용하면 스모크의 발생량이 높 게 형성되어 있으며 EGR 밸브의 개도가 커질수록 많은 스모크가 발생함을 알 수 있다. 또한 VGT 베인 의 개도량이 감소할수록 스모크의 배출이 증가함을 알 수 있다. 이는 베인의 개도가 감소하면 배압이 증 가하여 EGR량과 잔류가스량이 증가하기 때문으로 생각되어진다.
Fig. 11과 Fig. 12에 VGT 전방의 압력변동과 흡입 플레넘에서의 압력파형(부스트압)을 각각 나타내
정수진․정재우․강정호․강 우
Fig. 11 Computed Pressure pulsations at upstream VGT for various EGR valve apertures
Fig. 12 Computed Pressure pulsations at intake plenum for various EGR valve apertures
었다. EGR 밸브의 개도가 커질수록 VGT로의 진입 배기가스의 추력이 작아져 배압이 낮게 형성되어짐 을 볼 수 있으며 결국 부스트압도 낮아짐을 알 수 있 다. 그러나 압력파형의 형상은 EGR 밸브의 개도량 에 따라 크게 영향을 받지 않고 있다. 따라서 EGR 밸브의 개도량의 변화는 결국 배압과 브스트압에 영향을 주므로 실린더 내의 잔류가스량에 크게 영 향을 줄 수 있음을 알 수 있다.
Fig. 13에 2가지 하중에 대해 일정한 VGT 개도에 대하여 EGR 밸브의 개도에 따른 실린더 내의 잔류 가스량을 나타내었다. 이 그림을 Fig. 9 및 Fig. 10과 비교해보면 잔류가스량과 스모크의 배출량에는 직 접적인 상관관계가 있음을 확인할 수 있다. 즉, 잔류 가스량이 증가하면 스모크는 증가하고 있음을 알 수 있다. Fig. 13에서 볼 수 있듯이 엔진의 하중이 증 가한 경우에는 EGR 밸브 개도를 증가시킬수록 잔 류가스량이 저하중인 64N.m 의 경우보다 급격히 증 가하고 있는데 이는 배기가스의 운동에너지가 높아 EGR 밸브의 개도변화에 배압이 민감하게 변화하기 때문이다.
Fig. 14에 각 하중별 EGR 밸브의 개구면적에 따
Fig. 13 Computed residual gas contents for various EGR valve apertures
Fig. 14 Computed PMEP for various EGR valve apertures
른 펌핑평균유효압력을 나타내었다. Fig. 11의 결과 로부터 유추할 수 있듯이 하중이 낮을수록, VGT의 개구면적이 작을수록 배압이 높아져서 펌핑손실이 증가함을 알 수 있다.
높은 온도에서는 스모크의 선구물질(precursor)로 알려진 PAHs(Polycyclic Aromatic Hydrocarbon)가 매연입자로 변환되지 못하고 산화된다.9) 또한 매연 입자들이 반응영역의 연료가 희박한 쪽으로 들어가 면 확산연소가 끝난 후 팽창행정 동안 산화반응이 더 진행될 수도 있는 것이다. 그러나 EGR 가스가 유 입되게 되면 매연자체가 많이 생성된다기 보다는 연소온도가 낮아지고 산화에 참여할 산소의 농도가 낮아지게 되어 매연입자들이 산화할 기회가 적어져 농도가 증가하게 되는 것이다.
HCCI 연소 및 PCCI 연소는 연료효율을 유지하면 서도 NOx와 PM을 저감할 수 있으나 HC 및 CO의 배
부분부하에서 커먼레일 과급 디젤엔진의 VGT와 EGR 제어가 배출물에 미치는 영향
Fig. 15 THC emissions with respect to EGR valve apertures
출이 문제점으로 대두되고 있다. Fig. 15에 각 하중 의 경우에 EGR 밸브 개도량에 따른 THC의 배출량 을 나타내었다. 그림에서 볼 수 있듯이 EGR 밸브의 개도면적이 증가함에 따라 EGR이 증가되므로 THC 의 배출이 늘어남을 볼 수 있다. 또한 동일 A/F의 경 우에 VGT 베인의 개구면적이 작고 하중이 큰 경우 가 THC의 배출량이 감소함을 볼 수 있는데 이는 VGT 베인의 개구면적이 작고 하중이 높을수록 부 스트압이 높고 따라서 유입공기의 모우멘텀이 증가 하여 연료와 공기의 혼합이 잘 이루어지기 때문으 로 생각되어진다.
4.
결 론VGT와 EGR을 적용한 PCCI 연소방식의 4기통 디 젤엔진을 대상으로 부분부하 영역에서 VGT 및 EGR의 운전조건이 배출물 특성 및 유동특성에 미 치는 영향을 실험 및 수치적으로 연구하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1) 부분예혼합압축착화 방식의 디젤엔진에서 VGT 적용에 따른 과급화는 A/F의 희박화로 스모크는 저감시킬 수 있었으나 NOx 발생에는 큰 영향을 미치지 않았다.
2) EGR 개구면적을 높여 EGR율을 증가시킬수록 많은 양의 NOx 배출을 억제할 수 있었으며 A/F 가 동일한 상황에서도 VGT베인의 개도량에 따 라 NOx의 배출량이 달라졌다. 본 연구의 경우 VGT 베인의 개도가 작은 경우가 NOx의 배출량 이 작은데 그 이유는 개도가 작은 경우가 배압이
높게 형성되어 높은 EGR율을 얻을 수 있기 때문 이다.
3) 본 연구결과, 잔류가스량과 스모크의 배출량에 는 직접적인 상관관계가 있음을 확인할 수 있다.
즉, 잔류가스량이 증가하면 스모크는 증가하고 있음을 알 수 있으며 고하중의 경우에서 EGR 밸 브 개도를 증가시킬수록 저하중인 경우보다 잔 류가스량이 급격히 증가하며 따라서 스모크의 배출 증가율도 급격하게 증가한다.
4) 일정 VGT 베인의 개도면적의 경우 EGR 밸브 개 도량에 따른 THC의 배출량은 EGR 밸브의 개도 면적이 증가함에 따라 THC의 배출이 늘어남을 볼 수 있다. 또한 동일 A/F의 경우에 VGT 베인의 개구면적이 작고 하중이 큰 경우가 연료와 공기 와의 균일혼합으로 인하여 THC의 배출량이 감 소함을 볼 수 있었다.
후 기
본 연구는 산업자원부의 ‘핵심기반기술개발사 업’의 지원으로 수행되었으며 관계기관에 감사드 립니다.
References
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