A Study of Low Temperature Combustion System Optimization for Heavy Duty Diesel Engine

CopyrightⒸ2015 KSAE / 135-04 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2015.23.2.178

Transactions of KSAE, Vol. 23, No. 2, pp.178-184 (2015)

대형디젤엔진의 저온연소 시스템 최적화에 관한 연구

한 영 덕․심 의 준․신 승 협․김 득 상^*

두산인프라코어 엔진선행개발팀

A Study of Low Temperature Combustion System Optimization for Heavy Duty Diesel Engine

Youngdeok Han․Euijoon Shim․Seunghyup Shin․Duksang Kim^*

Advanced Engine System Development Team, Doosan Infracore, 489 Injung-ro, Dong-gu, Incheon 401-702, Korea (Received 1 July 2014 / Revised 16 September 2014 / Accepted 4 December 2014)

Abstract : According to the regulation on the environment and fuel efficiency is becoming strict, many experiments are conducted to improve efficiency and emission in internal combustion engines. LTC (Low temperature combustion) technology is a promised solution for low emissions but there are a few barriers for the commercial engine. This paper includes optimization that applies LTC method to heavy duty diesel engine. Adequate LTC was applied to low and middle load as adaptability in heavy duty diesel engine, and optimization focused on reduction of fuel consumption was proceeded at high load. Through this research, strategy for practical use of LTC was selected, and fuel consumption has improved on the condition that satisfies the emission regulation at systematic viewpoint.

Key words : Heavy duty diesel engine(대형디젤엔진), HP-EGR(High Pressure loop EGR, 고압 배기재순환), LP-EGR (Low Pressure loop EGR, 저압 배기재순환), VGT Turbocharger (Variable Geometry Turbine Turbocharger, 가변 터 빈 터보차져), LTC(Low Temperature Combustion, 저온연소)

1. 서 론¹⁾

최근 전 세계적으로 환경에 대한 관심이 높아짐 에 따라 내연기관에서 배출되는 배기가스에 대한 규제가 단계적으로 증가하고 있다. 대형디젤엔진에 서 Tier 4 Final 배기규제의 경우 기존 배기규제 대비 80% 이상 NOx와 PM의 저감을 요구하고 있다. 이에 따라 엔진 효율을 유지하면서 배기배출물을 저감하 는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 그 중 저온연소 기술 적용이 다양한 방법으로 연구되고 있다. 저온 연소 기술은 NOx와 PM을 동시에 저감할 수 있는 기 술¹⁾이지만, 미연탄화수소와 일산화탄소를 다량으 로 배출하고, 높은 EGR(Exhaust Gas Recirculation)율

*Corresponding author, E-mail: [email protected]

사용으로 출력에 제한 및 연료소비율 손실이 뒤따 르는 문제점이 있다. 본 논문은 대형디젤엔진에서 저온연소 기법을 적용하여 실용화 관점에서 최적화 하는 실험적 연구에 관한 내용이다.

2. 본 론

실험을 위하여 최대 출력이 123kW인 6리터급 산 업용 디젤엔진을 사용하였다. 최적화를 진행할 실 험조건으로는 산업용 배기 인증 모드인 NRSC (Non Road Steady Cycle)중 C1-8mode가 대상이 되었다.

저온연소를 엔진에 적용하기 위하여 다양한 저온연 소기법(Lately injected LTC, Early injected LTC, MK, PPCI)을 디젤엔진에서 실험적으로 구현하여 당사 의 대형디젤에 가장 적합한 기법을 선정 하였다.²⁾

대형디젤엔진의 저온연소 시스템 최적화에 관한 연구

선정된 저온연소 기법을 적용하여 저부하 영역(출 력 50%load 이하)에서 최적화하는 연구를 진행하였 으며, 저온연소 운전영역에서는 Engine-Out 배기가 스를 최소화 하는데 주안점을 두어 최적화 하였다.

고부하 영역(출력 50%Load 초과)은 저온연소 적용 의 한계로 인하여 일반연소를 적용하였으며, 연료 소비율개선에 주안점을 두고 최적화 하였다. 장착된 요소기술인 HP (High Pressure) EGR+LP (Low Pres- sure) EGR-VGT (Variable Geometry Turbine)-IPCV (Intake Pressure Control Valve)-FIE (Fuel Injection Elements) 상호간 영향력 및 최적 조합을 찾기 위하 여 실험계획법을 적용하여 실험 계획, 진행 및 검증 하였다. 연료소비율 및 배기가스 결과에 대한 비교 대상으로는 당사의 양산 중인 동급의 엔진으로 선 정하였다.

2.1 엔진 제원

실험은 당사의 6L급 디젤 엔진을 사용하였다. 엔 진에 기본적으로 HP-EGR과 WGT T/C (Waste Gate Turbine Turbocharger)가 적용된 사양에서 저온연소 구현을 위한 안정적인 EGR 공급을 위하여 HP-EGR 과 LP- EGR, IPCV를 장착하였다. 또한 더 많은 양의 공기를 확보하기 위하여 WGT T/C 대신 VGT T/C가 적용되었다. 엔진의 제원은 Table 1과 같으며 시스 템 개략도는 Fig. 1에 나타내었다.

2.2 실험 조건 및 방법 2.2.1 실험 조건

1) 실험 운전점

실험은 C1-8mode 총 8개의 운전점에서 진행 되었 다. Fig. 2에 나타낸 것처럼 1400rpm (Rated Torque), 50%, 75%, 100%Load 구간과 1800rpm (Rated Power) 의 10%, 50%, 75%, 100% Load 지점 그리고 800rpm Idle이 해당된다.

2) 최적화를 위한 실험 변수

저온연소 엔진 시스템 최적화를 위하여 아래 요 소기술을 변수로 선정하였다. 디젤엔진에서 신기유 입을 조절하는 VGT와 IPCV, EGR을 조절하는 HP- EGR과 LP-EGR, 연료 분사를 조절하는 FIE의 주분 사기기가 선정되었다.

Table 1 Engine specification

Item Specification

Engine type Inline 6 cylinders

Displacement 5892cc

Bore × Stroke 100mm × 125mm

Turbocharger VGT

EGR HP + LP + IPCV

After treatment DOC + SCR

Fuel injection Common rail (1800bar)

Fig. 1 Engine schematic

Fig. 2 Engine experimental condition

① HP-EGR

HP-EGR은 엔진에 EGR을 공급하는 고압의 루트 로 터빈의 전단에서 컴프레서 후단으로 유입된다.

VGT와의 조합에 따라 펌핑 로스가 변화하기 때문 에 최적조합의 선정으로 연료소비율개선효과를 기 대할 수 있다. HP-EGR 밸브 개도를 변수로 설정하 여 5 level을 정하였다. 밸브 개도의 증가는 밸브 열 림을 의미하며, 감소는 닫힘을 의미한다.

Youngdeok Han․Euijoon Shim․Seunghyup Shin․Duksang Kim

② LP-EGR

LP-EGR은 엔진에 EGR을 공급하는 저압의 루트 로 터빈의 후단에서 컴프레서의 전단으로 유입된 다. LP-EGR 밸브 개도를 변수로 설정하여 0 ~ 100%

사이값에서 5 level을 정하였다. 밸브 개도의 증가는 밸브 열림을 의미하며, 감소는 닫힘을 의미한다.

③ VGT Turbocharger

VGT의 경우 터빈 속도 한계가 존재하여 한계 이하 수준에서 실험이 진행되도록 변수 범위를 조절 하였 다. VGT 밸브 개도를 변수로 설정하여 한계 범위 내 에서 사이값을 5 level로 정하였다. 밸브 개도의 증가 는 밸브 닫힘을 의미하며, 감소는 열림을 의미한다.

④ IPCV

IPCV는 엔진으로 유입되는 신기를 조절하는 일 종의 throttle 장치이며 전략적으로 다량의 EGR을 공 급하기 위하여 장착하였다. 이를 통해 저온연소 운 전영역에서 요구되는 EGR을 원활히 공급할 수 있 었다. 밸브 개도의 증가는 밸브 닫힘을 의미하며, 감 소는 열림을 의미한다.

⑤ 주분사시기

주분사시기를 FIE 시스템에서 주요 변수로 선정 하여 실험을 진행하였다.

2.2.2 실험방법

AVL사의 CAMEO software를 이용하여 실험계획 법을 적용해 실험횟수를 최소화하고 결과로 부터 다 수의 변수들 사이의 상관관계를 파악하였다. NRSC 8 개 운전점 각각에 대하여 실험계획법을 적용한 실험 을 진행하였으며, 고부하영역 운전전략, 저부하영역 (저온연소) 운전전략을 나누어 분석을 진행하였다.

3. 실험 결과

연구를 통하여 대형디젤엔진에서 시스템적으로 적합한 저온연소 운전 전략을 수립하였고 이에 따 른 운전영역 별 최적화 방안을 도출 하였다. 최적화 를 통하여 산업용 배기규제 Tier 4 Final을 만족하였 으며, 기존 엔진 대비 연료소비율개선 효과도 확인 할 수 있었다.

3.1 각 요소기술별 영향력 파악

실험계획법을 이용하여 얻어진 모델은 높은 수준

신뢰도를 확보하였으며, 이를 통하여 엔진의 요소 기술에 대한 상관관계를 파악하였다. 최적화 결과 고부하영역에서는 연비개선에 초점을 맞추어 LP, HP-EGR과 VGT, 주분사시기의 영향력을 확인하였 다. 저부하영역은 저온연소 구현과 배기배출물에 초점을 맞추어 Engine Out 기준 Tier 4 Final 수준의 배기배출물과 IMEPCoV (Indicated Mean Effective Pressure Coefficient of Variation) 3% 이내의 연소안 정성을 확보하도록 LP, VGT, IPCV를 최적화 하였다.

3.1.1 고부하영역

Fig. 3은 고부하 영역에서 LP-VGT-HP-주분사시 기가 BSFC, NOx, smoke에 미치는 영향을 나타낸 실험 결과이다. Goodness of Fit 부분은 모델이 실제 실험값과의 정확도를 나타내고 그 아래의 그래프 는 각 요소가 결과값에 미치는 영향을 나타낸다.

각각 결과값(BSFC, NOx, Smoke 등)에 대한 95% 신 뢰도 이상의 결과를 보였고, 이 모델을 통해 요소 별 영향력을 파악할 수 있었다. 각 요소는 기울기 가 커짐에 따라 결과값에 미치는 영향이 크다는 것 을 나타내며 이를 통하여 각 결과에 미치는 영향력 을 순위화 하여 Fig. 4에 나타내었다. LP-EGR은 배 기배출물 발생에 대해 높은 영향력을 보이는 것으 로 확인된다. 일반적으로 NOx는 EGR율 증가에 따 라 감소하는 결과를 나타내는데, LP-EGR의 증가 에 따라 NOx 저감이 두드러지는 것은 LP-EGR로 유입되는 EGR이 그만큼 크다는 것을 반증한다. 또 한 실험결과에서 HP-EGR 변화에 따른 EGR율 증 가분이 LP-EGR 변화에 따른 EGR율 증가분 보다 낮은 것으로 확인되었다. 따라서 저온연소 엔진 시 스템에서 EGR 공급은 LP-EGR 루트를 통해 다량 의 EGR 공급이 가능할 것으로 판단된다. 연료소비 율에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 주분사시기인 것으로 파악 되었다. 주분사시기를 진각할수록 연 료소비율과 Smoke는 개선되지만, NOx의 계속적 인 증가로 인하여 한계를 나타낸다. VGT와 HP- EGR은 연료소비율과 배기 배출물에 낮은 영향력 을 보인다. 일반적으로 HP- EGR은 turbine 전단에 서 컴프레서의 후단으로 유입되고 있어 T/C와 밀 접하게 연관되어 체적 효율이나 펌핑 손실에 영향 을 미치는 것으로 알고 있다.³⁾

A Study of Low Temperature Combustion System Optimization for Heavy Duty Diesel Engine

Fig. 3 Model reliability and intersection graph about design of experiment test result at high load condition

Fig. 4 Effect of each element technique at high load condition

하지만 실험계획법에 의한 결과는 배기배출물이 나 연료소비율에 영향력이 적은 것처럼 확인되어

Fig. 5 Pumping loss according to VGT-EGR combinations at high load condition

이점에 대한 정확한 분석을 진행하였다. Fig. 5는 HP-EGR/VGT, LP-EGR/VGT 조합이 펌핑 손실에 미 치는 영향을 나타내는 결과 그래프이다. LP-EGR과 VGT 그래프에서 LP-EGR이 low에서 high로 움직일 때 펌핑 손실에 변화가 없으며, VGT duty값에 대해 서만 변화가 나타난다. 반면 HP-EGR과 VGT 조합 은 VGT duty값이 높아짐에 따라 상승된 펌핑 손실 을 HP-EGR duty의 증가로 어느 정도 상쇄할 수 있음 을 확인할 수 있다. 그림에 별표 지점에서 보는 것과 같이 밸브개도가 모두 높은 상태에서 VGT-LP 조합 과 VGT-HP 조합은 펌핑손실의 차이가 발생하고 있 다. 즉 VGT duty를 높여 신기량을 충분히 확보하면 서 HP-EGR을 조절하여 높아진 펌핑 손실을 낮출 수 있다. 즉, HP와 VGT의 개별의 영향력은 낮지만, HP-VGT의 조합에 대한 영향력은 크다는 것을 확인 할 수 있었다.

3.1.2 저부하영역

Fig. 6은 저부하영역에서 VGT-IPCV-LP가 배기 배출물과 연료소비율에 미치는 영향을 나타낸 그래 프이다. 저부하영역에서 HP-EGR은 적게 열린 상태 로 고정하여 실험 변수에서는 제외하게 되었다. 이

한영덕․심의준․신승협․김득상

Fig. 6 Model reliability and intersection graph about design of experiment test result at low load condition

Fig. 7 Effect of each element technique at low load condition

는 HP-EGR로 유입되는 유량을 줄이므로서 터빈을 지나는 배기가스의 양을 늘려 터빈의 에너지를 최 대한 이끌어 내기 위함이다. 이에 따라 컴프레서의

Fig. 8 EGR rate according to LP-IPCV combinations at low load condition

일을 증가시켜 신기량과 LP-EGR로 유입되는 EGR 을 동시에 증가시킬 수 있었다. 선정된 실험변수를 이용하여 실험계획법을 통해 신뢰도 98%이상의 모 델을 확보하였고, 각 요소가 미치는 영향력도 확인 하였다. Fig. 7에서 보는 것과 같이 저온연소 영역에 서 NOx와 Smoke에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 IPCV로 도출되었다. 신기의 유입을 막아 EGR율을 높이기 위해서 고안된 IPCV는 엔진조건에 관계없 이 EGR율을 최대치까지 증가시킬 수 있었다.

Fig. 8과 같이 LP-EGR만으로는 40% 수준의 EGR 만 확보가 가능하지만, IPCV 추가로 저부하에서 EGR rate 65%까지 확보하였으며, 이것은 IPCV가 저 온연소 구현에 가장 큰 영향력을 보임을 반증한다.

또한 EGR율 증가에 대한 영향력이 가장 크므로 저 부하 영역에서 NOx와 Smoke에 미치는 영향력도 가 장 크다고 할 수 있다.

3.2 운전영역별 시스템 최적화

각각의 밸브에 대한 특성 파악 및 요소별 사용전 략을 통하여 Fig. 9와 같은 전략으로 시스템 최적화 를 진행하였으며, 저온연소 영역과 고부하 영역의 최적화 전략은 아래와 같다.

3.2.1 저온연소 영역 최적화

앞선 실험 결과로부터 VGT, LP-EGR과 IPCV최 적 조합을 선정하여 목표 신기량 및 다량의 EGR의 공급을 가능하게 하였다. 최적화된 요소기술을 통 해 중･저부하 영역에서 저온연소를 IMEP CoV 기준 3%이내의 안정적인 구현을 할 수 있었으며, NOx와 Smoke를 동시에 기준 이하(Tier 4 Final)로 저감하는 것이 가능하게 되었다.

대형디젤엔진의 저온연소 시스템 최적화에 관한 연구

Fig. 9 Optimization strategy of the LTC engine system

3.2.2 고부하 영역 최적화

저온연소의 적용으로 NOx와 Smoke의 저감을 이 루었지만 저온연소 기법은 일반연소 대비 높은 EGR율과 진각된 주분사시기로 연료소비율에 손실 이 뒤따른다. 손실된 연료소비율을 개선하고자 고 부하 영역에서는 연료소비율개선에 초점을 맞추어 최적화를 진행하였다. 앞에서와 같이 엔진의 펌핑 손실을 최소화 할 수 있는 VGT와 HP-EGR 조합을 선정 하고, NOx 목표치 달성에 부족한 부분은 LP-EGR을 사용하여 펌핑 손실에 영향 없이 최적화 할 수 있었다. 주분사시기는 연소효율이 가장 좋은 구간에서 설정되도록 하였다.

Fig. 10 Results of the optimization

시스템 최적화 결과를 정리하여 Fig. 10에 나타내 었다. 전체 8점에서 평균값이 기존 엔진 대비 연료 소비율 기준으로 7.2% 개선하였으며, 고부하, 저부 하 전 영역에서 Tier 4 final 배기규제 기준 NOx와 PM을 만족하는 성과를 달성하였다.

4. 결 론

당사의 6L급 엔진을 이용하여 저온연소 엔진 시 스템의 전략을 수립하고 고부하, 저부하별 최적화 를 진행하여 연료소비율을 개선하였고 NOx, Smoke 는 Tier 4 Final 배기규제 기준을 만족 하였다.

1) 요소기술별 연료소비율, NOx, Smoke에 미치는 영향력을 파악하여 운전영역 별, 요소별 최적화 를 진행하였다.

2) 저부하영역에서 저온연소를 구현하였으며, 요 소기술별 최적화를 통하여 NOx와 PM을 동시에 기준 이하로 저감할 수 있었다.

3) 고부하영역에서 요소기술별 최적화를 통해 저 온연소 영역에서 악화된 연료소비율을 개선하 였으며, 최종 시스템 측면에서 배기규제 Tier 4 Final을 만족하는 동시에 기준 엔진 대비 연료소 비율 개선 7.2%를 달성하였다.

후 기

본 연구는 지식경제부에서 주관하는 산업원천 기 술개발 사업[과제번호: 10033440]의 지원으로 수행 되었으며, 이에 감사의 뜻을 표합니다.

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