Research and Development of a 2.9 Liter Light-duty DME Truck Using Common Rail Fuel Injection Systems

Copyright

2012 KSAE / 120-15 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2012.20.6.107 Transactions of KSAE, Vol. 20, No. 6, pp.107-116 (2012)

커먼레일 연료분사 시스템을 장착한 2.9 리터급 경량 DME 트럭의 연구 및 개발

정 수 진^*1)․박 정 권¹⁾․오 세 두¹⁾․이 기 수¹⁾․임 옥 택²⁾․표 영 덕³⁾

자동차부품연구원 동력시스템연구센터¹⁾․울산대학교 기계자동차공학부²⁾․에너지기술연구원 산업효율연구센터³⁾

Research and Development of a 2.9 Liter Light-duty DME Truck Using Common Rail Fuel Injection Systems

Soo-Jin Jeong^*1)․Jung-Kwon Park¹⁾․Se-Doo Oh¹⁾․Gee-Soo Lee¹⁾․Ock-Taek Lim²⁾․Young-Dug Pyo³⁾

1)

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

2)

Department of Mechanical and Automotive Engineering, Ulsan University, Ulsan 680-749, Korea

3)

Green Energy Transportation Research Group, Korea Institute of Energy Research, 102 Gajeong-ro, Yuseong-gu, Daejeon 305-343, Korea

(Received 2 February 2012 / Revised 6 May 2012 / Accepted 14 May 2012)

Abstract : In this study, the trucks(2.9-liter) have been developed to use DME as fuel, and performance test of the vehicle's DME engine, power, emissions, fuel economy and vehicle aspects was conducted. For experiments, the fuel system(common-rail injectors and high-pressure pump included) and the engine control logic was developed, and ECU mapping was performed. As a result, the rail pressure from 40MPa to approximately 65% increase compared to the base injector has been confirmed that. Also, the pump discharge flow is 15.5 kg/h when the fuel rail pressure is 400rpm(40 MPa), and the pump discharge flow is 92.1 kg/h when the fuel rail pressure is 2,000rpm(40MPa). The maximum value of full-load torque capability is 25.5 kgfm(based on 2,000 rpm), and more than 90% compared to the level of the diesel engine were obtained. The DME vehicle was developed in this study, 120 km/h can drive to the stable, and calculated in accordance with the carbon-balance method of fuel consumptions is 5.7 km/L.

Key words : DME(Di-Methyl Ether, 디메틸에테르), Common rail fuel injection(전자제어식 연료분사 시스템), Light duty truck(경량 트럭), High pressure(고압 연료펌프), IMV(Inlet Metering Valve, 입구 유량 제어 밸브)

1. 서 론

¹⁾

수송용 연료로써 DME(Di-Methyl Ether)는 환경 오염과 지구온난화로 인해 전세계적으로 강화되고 있는 배출가스 규제와 CO2 규제에 대응이 가능한 저공해 대체연료이다. 이러한 이유로 한국, 일본, 중 국을 비롯한 여러 국가에서 DME 연료의 차량 적용 타당성 및 보급을 위해 인라인 분사방식의 디젤 차 량을 대상으로 DME 차량을 개발해왔다.

*

Corresponding author, E-mail: [email protected]

주요 연구 내용으로서, 2004년 Y. Sato¹⁾ 등은 DME 연료를 Jerk 타입 인라인 분사 시스템에 적용 하였으며, ’04년 M. Oguma²⁾ 등은 인라인 분사시스 템에 디젤과 DME를 사용시 성능과 배기 특성을 비 교하였다. 또한, 2005년 S. Goto³⁾ 등은 중형 DME 차 량을 개발하였고, ’06년 H. Teng⁴⁾ 등은 새로운 US 2007/2010 규제를 만족하는 DME 차량에 관한 연구 를 진행하였다.

그러나 DME 연료에 대한 고연비화 및 저공해성 을 보다 적극적으로 실현하기 위해서는 커먼레일

정수진․박정권․오세두․이기수․임옥택․표영덕

방식과 같은 고압연료분사장치의 개발과 이에 따른 차량 개발이 필요하다.

이러한 관점에서 본 연구는 기존 커먼레일 시스 템의 인젝터와 고압연료펌프의 설계를 변경하여 DME 커먼레일 인젝터와 고압연료펌프의 시제품을 개발하고, 성능시험을 통한 우수한 시제품을 선정 하여 DME 커먼레일 엔진을 시제작하였다.

또한 엔진동력계 실험을 통해 시제작 엔진의 동 력성능과 배기성능을 분석하고, 엔진제어로직 개발 및 ECU 매핑을 수행하였다. 더불어 새롭게 개발한 DME 커먼레일 엔진을 적용하여 2.9리터급 DME 트 럭을 개발하고, 이에 따른 차량시험을 통한 주행성 능과 연비성능을 분석, 확인하였다.

2. DME 커먼레일 시스템

기존 디젤 커먼레일 시스템에 DME 연료를 적용 하기 위해서는 DME 연료의 특성을 고려한 설계 변 경이 필요하다. 본 연구에서는 기존 커먼레일 시스 템의 핵심부품인 인젝터와 연료펌프를 DME 연료 의 특성에 맞도록 재설계하였다. 또한 인젝터 내부 에 위치한 Sealing재를 HNBR 소재로 변경하고, 시 제품을 제작하여 벤치 평가를 통한 성능시험을 수 행하였다.

2.1 DME 커먼레일 인젝터 개발 2.1.1 DME용 인젝터

기존 디젤 기관에 DME 연료를 사용할 경우 DME 연료가 가지는 큰 압축성과 누설, 저윤활특성 때문 에 복합적인 성능 문제와 내구성 문제가 발생된다.

특히 노즐 내 유동이 0.1 ms 느려지면서, 노즐 시 트에서 압력손실이 커지고, SAC 내부 압력은 작아 진다. 이로 인해 발생한 압력차는 노즐 홀 출구에서 유동 속도를 감소시켜, 노즐 목(Throat) 또는 오리피 스(Orifice)에서 상대적으로 큰 원추 각(Cone angle) 을 형성하게 된다. 그리고 고압연료펌프와 인젝터 사이에 맥동(Pressure pulsation)이 발생되고, 디젤의 160 MPa 과 비교하여 DME는 40~60 MPa로 낮은 분 사압력을 가진다. 또한 DME 연료가 가지는 산소함 유 특성과 저윤활특성은 인젝터 내부 부품의 산화 반응으로 인한 부식과 마모를 급속히 진행시킨다.

2.1.2 노즐유동모델을 통한 노즐설계

본 연구에서는 기존 인젝터에 DME 연료를 사용 할 때 발생하는 문제들을 해결하기 위해 Fig. 1의 노 즐 홀 설계를 위한 노즐유동모델(Nozzle flow model) 을 사용하였다.⁵⁾ 이 모델은 노즐 유로의 각 상태점 에서의 압력과 속도를 경험식으로부터 계산하는 식 으로 노즐의 주요 설계인자인 노즐 출구에서의 유효 속도(Effective velocity), 유효직경(Effective diameter) 그리고 유량계수(Discharge coefficient)를 결정할 수 있다. Fig. 2는 이러한 과정으로 개발된 시제품으로 써, 주요 설계인자의 치수는 Table 1에 수록하였다.

Fig. 1 Nozzle flow model for nozzle design

Fig. 2 The prototype of the injector nozzle

Table 1 Specifications of the prototype injector nozzle

No. Item Base TypeA TypeB

1 Nozzle type Mini-SAC VCO SAC

2 No. of hole[ea] 7 6 5

3 Dia. of hole [mm] 0.124 0.25 0.28

4 Dia. of SAC [mm] 0.44 - 1.0

5 Spray-cone angle [deg.] 151.4 139.6 151.4 6 Dia. of needle seat [mm] 1.88 - 2.2 7 Max. mass flow rate [g/s] - 59.05 61.88

커먼레일 연료분사 시스템을 장착한 2.9 리터급 경량 DME 트럭의 연구 및 개발

2.1.3 CFD 해석을 통한 성능평가

DME 커먼레일 인젝터 시제품의 성능평가를 위 해 CFD 해석을 수행하였고, 분무형상 해석과 내부 유동 해석을 통해 DME 커먼레일 인젝터의 성능을 평가하였다.

1) 인젝터 분사패턴 평가

개발된 DME 인젝터에 디젤과 DME를 적용하여 분무패턴 해석을 수행하였다. 연료 공급압력 35MPa, 분위기 압력 5MPa로 설정하여 분사패턴 해석을 수 행하고, 각 연료의 연소실내 거동 및 분포특성을 분 석하였다. 연소실내의 분위기 압력이 낮고 연료 공 급 압력이 높을수록 도달거리는 증가하였고, 분무 초기 입자의 분열은 분무속도에 의한 영향력이 지 배적인 것으로 확인되었다. DME의 도달거리는 디 젤 대비 11% 감소하는데, 이것은 DME 연료의 낮은 표면장력과 휘발성으로 인해 분사 초기 모멘텀이 급격히 감소한 것으로 보인다. Fig. 3은 시간에 따른 디젤과 DME의 분무 발달을 보여준다. 인젝터 분사 패턴 해석의 신뢰성 확보를 위해 동일 조건의 가시 화 실험과 비교하였다. Fig. 4는 DME의 가시화 실험 과 분사패턴 해석결과를 표시하였다.

Fig. 3 Spray shape simulation results of the injector nozzle with DME and diesel fuel

Fig. 4 Penetration length of DME and predicted SMD

2) 인젝터 내부유동 평가

DME는 디젤 대비 끓는 점이 낮기 때문에 정압이 낮고, 유속이 빠른 인젝터 노즐의 입구부에서 cavi- tation의 급격한 발생이 예상된다. Cavitation의 발생

Fig. 5 Comparison of cavitation zone with DME and diesel fuel

Fig. 6 Comparison of flow quantity with DME and diesel fuel

Soo-Jin Jeong․Jung-Kwon Park․Se-Doo Oh․Gee-Soo Lee․Ock-Taek Lim․Young-Dug Pyo

이 유효 유동면적과 분사 유량에 미치는 영향을 확 인하기 위하여 인젝터 내부유동 해석을 통해 유량 을 평가하였다. 1D 해석 프로그램인 AMESim을 사 용하여 니들의 거동을 예측하였고, 3D 해석 프로그 램인 STAR-CCM+와 연계하여 해석을 진행하였다.

Cavitation은 노즐의 입구부에서 급격하게 발생하였 고, 유효 유동면적의 감소로 최대 리프트에서 DME 의 유량이 디젤 대비 4.73%감소하였다.

2.2 DME 고압연료펌프 개발 2.2.1 DME용 고압연료펌프

DME 커먼레일 시스템에 적용되는 고압연료펌프 의 토출유량의 결정은 기존 디젤 엔진의 출력을 고 려하여 토출유량을 확보하기 위한 재설계가 필요하 다. 따라서, 기존과 동등한 출력을 위한 토출유량을 확보하기 위해 고압연료펌프의 주요 치수를 변경하 여 재설계하고, 그에 따른 성능평가를 수행하였다.

2.2.2 고압연료펌프 설계

DME는 디젤과 동일한 출력을 확보하기 위해서 는 디젤 대비 많은 연료량이 필요하다. 따라서 고압 연료펌프의 플런저 직경(Plunger Bore)을 증가시키 고, 압축성을 가지는 연료 특성과 누설 특성을 고려 한 토출압 확보를 위해 스트로크(Stroke)를 디젤보 다 증가시켰다. 그리고 플런저의 충분한 스트로크 를 위해 편심 캠(Eccentric cam) 또는 프로파일 캠 (Profile cam)이 적절한 캠 리프트를 가지도록 설계 하고, 누설 방지를 위해 플런저 표면처리를 통해 표

Fig. 7 Schematic view of common-rail high-pressure fuel pump

면조도를 향상시켰다.

본 연구에서는 Fig. 7과 같이 유량확보를 위해 2 개의 캠과 2개의 스트로크/캠을 이용한 대유량 컨셉 의 고압연료펌프를 개발하였다. 기존 고압연료펌프 와 비교해 플런저의 누설을 최소화 하는 10μm의 간 극으로 체크 밸브의 내구성능을 강화하고, 스트로 크 수와 스프링 상수, 두께를 증가시켰다.

2.2.3 고압연료펌프 구조해석

펌프의 최대 토출 압력 선정을 위해 플런저 구조 해석을 수행하였다. 플런저 길이에 따른 플런저 변 위를 유한요소법에 기반하여 해석하면, 플런저 로 드와 캠의 압력 면 사이에서 최대응력(Von-Mises) 이 발생한다. Fig. 8은 플런저 길이가 9mm일 때 토출 압력 변화에 따른 해석으로, 토출 압력이 55 MPa 일 때 최대 변위는 9.3 μm로 설계 허용 변위에 도달한다.

(a) Von-Mises stress

(b) Displacement

Fig. 8 Structural simulation results of the plunger (plunger length: 9mm, dicharge pressure: 55 MPa)

2.3 커먼레일 시스템 성능시험

본 연구를 통해 개발된 DME 커먼레일 인젝터와 고압연료펌프의 시제품에 대한 성능평가를 위해 벤

Research and Development of a 2.9 Liter Light-duty DME Truck Using Common Rail Fuel Injection Systems

치 평가 시스템을 개발하여 성능평가를 수행하였다.

2.3.1 벤치 평가 시스템 구성

DME 커먼레일 시스템의 고압연료펌프 및 인젝 터 성능을 평가하는 벤치 평가 장치를 Fig. 9와 같이 구성하였다. 이 장치는 DME 연료탱크, DME 전용 연료공급장치, 고압펌프 구동장치, 제어기, 데이터 취득 장치로 구성되어 있다. 여기서 고압펌프 구동 장치는 구동 마력 5 HP, 최대 회전수 2,200 rpm 이고, 연료공급장치는 5~2 MPa로 DME 연료를 공급한다.

제어기는 Peak&Hold 방식 솔레이노이드 인젝터 구 동 드라이버와 PCV 제어기를 사용하고, 레일압력 변화에 따른 분사량, 분사율, 레일의 연료 맥동특성 을 제어한다. 한편 인젝터 분사조건 변화에 따른 분 사율 특성을 위해 Bosch tube법을 사용하였다.

Fig. 9 Testing device for performance evaluation of DME common-rail system

2.3.2 인젝터 성능평가

기존 디젤 인젝터에 DME 연료를 사용할 경우, 인 젝터에서 복합적인 성능문제와 내구성 문제가 발생 된다. 따라서 본 연구에서는 노즐의 주요 치수를 변 경하여 재설계하고, 인젝터의 성능을 평가하였다.

개발된 DME 커먼레일 인젝터의 성능을 평가한 결과는 Fig. 10과 같다. 최종 선정된 Type A는 레일 압력이 40 MPa인 경우 Base 인젝터 대비 약 65%의 유량 증가를 보였고, 분사압력이 커질수록 연료량 이 증가하는 특성을 가진다. 또한 다기통 엔진에 적 용되는 인젝터 간의 연료분사량의 편차를 확인하여 보다 정확한 평가를 위해 동일 제어기로 인젝터를 변경하면서 성능시험을 수행하였다. 디젤유를 이용 한 인젝터의 연료분사량 편차를 확인한 결과 40

Fig. 10 Injection rate curves of the test injection operated with various injection nozzle types

Fig. 11 Characteristics of injection rate in a single-injection

MPa에서 3.9 mg으로 약 15% 편차가 존재했으나, ECU 제어를 통해 이를 보정하였다.

한편 벤치 평가를 통해 평가된 인젝터를 DME 커 먼레일 성능시험 장치에 장착한 후, 인젝터의 분사 율 특성과 연료 레일의 압력 맥동 특성을 분석하였 다. 단일 분사시 분사율은 Fig. 11과 같으며, 분사시 간 1.0 ms 조건에서 분사율 특성을 확인한 결과 DME 연료가 디젤 연료 대비 응답성이 약 0.045 ms 지연되고, 최대 분사율은 44.3 mm³/ms 로 나타났다.

2.3.3 고압연료펌프 성능평가

DME 고압연료펌프 시제품에 대한 성능 평가를 위해 편심 캠 타입의 고압연료펌프 시제품을 제작 하였고, 입구 IMV를 정상개방 조건으로 설정하여 토출유량을 측정하였다. 연료 레일압 400 rpm(40 MPa)에서 펌프 토출유량은 15.5 kg/h이고, 최대 회 전수인 2,000 rpm(40 MPa)에서 토출유량은 92.1 kg/h

정수진․박정권․오세두․이기수․임옥택․표영덕

Fig. 12 Flow rate curves of the test fuel pump operated with various valve conditions

로 나타났고, 회전수 증가에 따라, Fig. 12와 같이 토 출유량은 선형적으로 증가하였다. DME 고압연료 펌프 출구 압력을 60 MPa 로 증가시키면 최대 회전 수 2,000 rpm에서 토출유량은 82.4 kg/h로 40 MPa 대 비 약 10.1% 감소하였다.

3. DME 커먼레일 엔진

본 연구를 통해 개발된 DME 인젝터와 고압연료 펌프를 적용한 DME 커먼레일 엔진을 시제작하고, 엔진 성능시험과 제어로직 개발 및 ECU 매핑을 수 행하였다.

3.1 DME 커먼레일 엔진 시제작

DME 커먼레일 엔진에는 새롭게 개발한 DME 커 먼레일 시스템과 DME 엔진의 최적 성능 구현을 위 한 ECU 시스템을 개발하였다. 주요 개발 내용으로 모델 기반의 제어 알고리즘을 바탕으로 엔진 캘리 브레이션이 가능하고, 솔레노이드 타입의 인젝터를 제어하는 별도의 인젝터 드라이버를 포함하고 있 다. 또한 ECU 맵핑을 통해 연료량, 연료압력, 분사 시기, 분사기간, 다단분사, 부스트압력, EGR율(EGR Valve Position[%]) 등의 변경이 가능하도록 설계하 였다. Fig. 13은 시제작되어 개발된 DME 엔진의 연 료분사시스템을 나타내고 있으며, Fig. 14는 연료분 사 시스템의 전체 구성도를 나타내고 있다. 주요 제 원은 Table 2에 수록하였다.

Fig. 13 DME common-rail engine with the new DME common-rail system

Fig. 14 Schematic view of common-rail system

Table 2 Specifications of the DME common-rail engine

Item Specification

Displacement volume 2,902 cc Bore × Stroke 98.0 mm × 101.5 mm

Compression ratio 17.4

Idle speed 890 ± 10 rpm

Intake timing BTDC 26°CA / ABDC 50°CA Exhaust timing BBDC 72°CA / ATDC 32°CA Fuel system Common-rail direct injection

3.2 엔진 성능시험

DME 커먼레일 엔진의 동력성능과 배기성능을 평가하기 위해 엔진동력계 성능시험을 수행하였다.

3.2.1 동력 성능평가

동력 성능평가는 DME 커먼레일 엔진의 차량적 용을 위한 실험 단계로써, DME 커먼레일 시스템과 DME 전용 ECU 시스템을 이용하여 연구를 수행하 였다. 그 결과 900 rpm ~ 3,300 rpm의 전부하영역에 서 베이스 디젤엔진 대비 DME 엔진의 동력성능은 평균 90% 수준으로 확보할 수 있었다.

3.2.2 배기 성능평가

DME 커먼레일 엔진의 배기 성능과 EGR율에 따 른 배출가스 특성을 평가하기 위해 촉매(DOC) 전단 에서 배출된 배기가스를 측정하였다. Fig. 15는

커먼레일 연료분사 시스템을 장착한 2.9 리터급 경량 DME 트럭의 연구 및 개발

(a) CO

(b) HC

(c) NOx

Fig. 15 Emission characteristic curves of the test engine operated with DME and diesel fuel

BMEP 2.0 bar 조건에서 DME 엔진의 배기가스 특성 을 측정한 결과로써, CO의 발생량은 EGR율 30% 에 서 디젤엔진 대비 80%, EGR율 40%에서는 동등한 수준을 보였다. 또한 THC와 NOx도 EGR율 30%에 서 디젤엔진과 동등한 수준임을 확인하였다.

3.3 엔진 제어로직 개발

본 연구에서는 DME 커먼레일 엔진의 연소실 압 력, 엔진 성능, 배출가스 수준 등을 고려하여 크랭킹 상태(Cracking state), 런 상태(Run state), 스톨 상태 (Stall state)에 따라 ECU 제어로직을 구성하였다.

Fig. 16은 ECU 제어로직의 구성도로써 스톨은 엔진 의 정지 상태, 크랭크는 외부의 힘에 의한 엔진의 회 전 상태, 런은 스스로 회전하는 상태를 나타낸다. 여 기서 천이(Transition) 조건은 주로 엔진 회전속도와 엔진 운전을 유지하는 사이클로 구성된다.

스톨 상태 제어는 연료 분사기간과 목표 레일압, EGR 밸브 개도, WGT 제어 등을 모두 0으로 하고, 이를 통해 엔진에 회적력이 발생하지 않도록 제어 하였다. 크랭크 상태 제어는 엔진의 시동성을 위해 엔진 회전수와 냉각수 온도를 기반으로 제어한다.

런 상태 제어는 엔진의 정상 운전을 위해 엔진 회전 속도와 가속페달, 냉각수 온도 등을 기반으로 제어 하며, 이를 통해 동력 및 배기성능 그리고 운전성 및

Fig. 16 Decision flowchart of the system state at ECU of DME fuelled vehicle

Fig. 17 Variables that determines the injection timing in 5-stage injection signal

Soo-Jin Jeong․Jung-Kwon Park․Se-Doo Oh․Gee-Soo Lee․Ock-Taek Lim․Young-Dug Pyo

정숙성 등을 요구범위 이내로 제어할 수 있으며, Fig. 17과 같이 다단분사 로직을 적용하여 최대 5단 분사가 가능하도록 설계하였다.

3.4 ECU 매핑

DME 연료는 디젤 연료와 비교하여 저위발열량 및 에너지 밀도가 낮기 때문에 디젤엔진과 동등한 동력 성능을 유지하기 위해서는 연료량을 증대시켜 야 한다. 본 연구에서 개발된 DME 커먼레일 엔진은 Fig. 18에서와 같이 저속 저부하 영역에서는 1.7 배 정도의 연료가 증가되었고, 고속 고부하로 갈수록 2 배 이상의 연료가 증가됨을 확인하였다.

또한 DME 엔진의 부하에 따른 연소실 압력, 엔진 성능, 배출가스 수준 등을 고려하여 분사시기 및 분 사기간 등의 최적화를 통해 냉시동성 개선 매핑을 완료하였다.

(a) Diesel engine

(b) DME engine

Fig. 18 Fuel consumption according to the running condition with DME and diesel fuel

4. DME 커먼레일 차량

2.9 리터급 트럭에 DME 커먼레일 엔진을 장착하 기 위해 커먼레일 시스템을 일부 수정하여 DME 트 럭을 시제작하였고, 새롭게 개발된 DME 트럭의 차 량시험을 통해 연비 및 주행 성능 연구를 수행하였다.

4.1 DME 커먼레일 연료시스템 기술 개발 DME 연료탱크로부터 자동밸브 및 연료필터를 거쳐 DME 연료가 고압연료펌프로 공급되는 과정 에서 연료의 기화 방지와 지속적인 액상 공급을 위 해 피드펌프 및 레귤레이터를 사용하여 연료용기압 력보다 약 0.7 MPa 정도 높게 가압하여 연료를 공급 하도록 설계하였다. 또한 연료라인 내의 맥동을 방 지하기 위해 고압연료펌프 전단에 어큐뮬레이터를 설치하였고, 고압연료펌프의 내구성을 위해 마이크 로 필터와 체크밸브를 장착하였다. 공급된 DME 연 료는 고압연료펌프에 설치된 IMV에 의해 설정된 연료압력이 유지되도록 설계하였다. 그리고 분사되 고 남은 인젝터의 리턴연료는 냉각장치를 거쳐 연 료탱크로 유입되도록 설계하였다. 이러한 DME 커 먼레일 연료시스템의 개략도는 Fig. 19와 같다.

Fig. 19 Schematic view of common-rail system for DME truck (2.9 liter)

4.2 DME 차량 기술 개발 4.2.1 DME 차량 시제작

본 연구를 통해 개발된 DME 커먼레일 시스템을 2.9 리터급 트럭에 적용하기 위해, Fig. 20과 같이 연 료탱크는 짐칸 상부에 설치하였고, 하부에는 DME 연료공급장치를 설치하였다. 또한 DME 차량의 기 동정지 및 데이터 저장장치를 조수석 앞쪽에 설치

Research and Development of a 2.9 Liter Light-duty DME Truck Using Common Rail Fuel Injection Systems

Fig. 20 Mounting position of the common-rail system for DME truck (2.9 liter)

Table 3 Specifications of the DME truck (2.9-liter)

Model Description J3-TDI

CRDI System DELPHI

Max. Power, PS(kW)/rpm 135(99)/3800 Max. Torque, kgf·m(lbf·ft)/rpm 31.5(228)/2000

Displacement, cc(cu in) 2.902(177) Bore × Stroke, mm(in) 97×98(3.8×3.9)

Valve Type DOHC

Comb. Chamber Type D.I

No. of Cylinder 4(in-line)

No. of Valve(Cyl.) 4

Compression Ratio 19.3

Dimensions Length, mm(in) 728(28.7) Dimensions Width, mm(in) 608(24) Dimensions Height, mm(in) 672(26.5)

Fuel Injection Order 1-3-4-2 Cooling Method Water Cooled Coolant Capacity, liter, (us qt, imp qt) 9.4(9.9, 8.3)

Rotation Viewed from Fan Clockwise Electrical Voltage, Voltage 12

하여 운전성과 편의성을 확보하였다. Table 3은 개 발된 DME 차량의 제원을 나타내고 있다.

4.2.2 DME 차량 주행성능

DME 엔진의 매핑 데이터를 DME 차량의 실차 토 크 제어로직에 적용하여 차량 매핑을 통한 주행 성 능을 확보하였고, Fig. 21과 같이 NEDC 시험 모드를 통해 차량의 성능 평가를 수행하였다. 그 결과 냉시 동 로직에 의한 단발시동이 가능하였고, 최고 시속 120 km/h로 주행이 가능하였다. 또한 운전자의 주행 감(drivability)을 확보하는 차량 매핑을 수행하였고, 카본발란스법(Carbon Balance Method)에 의거하여 계산된 DME 차량의 연비는 5.7 km/L로써 디젤 베이

Fig. 21 Performance test of DME truck (NEDC mode)

스 차량의 연비인 11.0 km/L의 48% 수준임을 확인 하였다. 이는 DME 연료의 저위발열량(MJ/kg)이 디 젤 대비 35% 정도 낮아서, 디젤과 동등한 동력성능 을 유지하기 위해 연료의 사용량이 증가한 것으로 판단된다.

5. 결 론

친환경 대체연료인 DME 연료를 사용하는 차량 개발을 위해 DME 커먼레일 시스템의 주요 구성품 인 인젝터와 고압연료펌프를 재설계하여 시제품을 제작하고, 각 제품의 성능시험을 수행하였다. 이를 통해 선정된 시제품을 DME 커먼레일 엔진에 적용 하여 엔진 성능시험을 수행하고, 엔진 제어로직 개 발과 ECU 매핑을 수행하였다. 이를 통해 DME 커먼 레일 시스템을 장착한 2.9 리터급 DME 트럭을 개발 하였고, 차량실험을 통해 연비 및 주행성능을 분석 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) DME 커먼레일 시스템의 성능시험 결과, 분사시 간 1.0 ms 조건에서 분사율 특성은 디젤 연료 대 비 응답성이 약 0.045 ms 지연되고, 최대 분사율 은 44.3 mm³/ms 로 확인되었다.

2) DME 커먼레일 엔진의 출력 성능시험 결과, 900 rpm ~ 3,300 rpm의 전부하영역에서 베이스 디젤 엔진 대비 평균 90% 수준을 확보하였다.

정수진․박정권․오세두․이기수․임옥택․표영덕

3) DME 커먼레일 엔진의 배기 성능시험 결과, BMEP 2.0 bar 조건에서 CO는 EGR 30%에서 디젤엔진 대비 80% 수준이며, EGR 40%에서는 동등한 수 준이고, THC와 NOx도 디젤엔진과 동등 수준임 을 확인할 수 있었다.

4) DME 커먼레일 엔진의 제어로직은 크랭킹 상태 (Cracking state), 런 상태(Run state), 스톨 상태 (Stall state)에 따라 ECU 제어로직 구조가 변경되 도록 구성하였다. 또한 매핑을 위해 분사시기, 분 사기간 및 연료량 등을 최적화하고, 냉각수 온도 에 따라 예열플러그의 작동시간, 연료량, 레일압 력의 최적화를 통해 냉시동성 개선 매핑을 확보 할 수 있었다.

5) NEDC 시험 모드를 통한 DME 개발 차량의 주행 및 연비 성능시험 결과, 냉시동 및 단발시동이 가 능하였고 최고 시속 120 km/h 임을 확인하였다.

또한 카본발란스법에 의거하여 개발된 DME 차 량의 연비는 5.7 km/L임을 확인할 수 있었다.

6) 향후 ECU 제어로 연료분사를 최적화 하는 전략 을 개발하고, DME 인젝터의 성능향상을 위한 해 석 및 성능평가, 최적 설계를 병행함으로써 고연 비 고효율의 DME 차량을 개발하고자 한다.

후 기

본 연구는 지식경제부 주관 “산업원천기술개발 사업(1003303)”의 일환으로 수행되었으며, 관계기 관의 협조에 감사드립니다.

References

1) Y. Zhu and R. D. Reitz, “Modeling Fuel System Performance and Its Effect on Spray Charac- teristics,” SAE 2000-01-1253, 2000.

2) M. Oguma, S. Goto and T. Watanabe, “Engine Performance and Emission Characteristics of DME Diesel Engine With Inline Injection Pump Developed for DME,” SAE 2004-01- 1863, 2004.

3) S. Goto, M. Oguma and S. Suzuki, “Research and Development of a Medium Duty DME Truck,” SAE 2005-01-2194, 2005.

4) H. Teng and J. C. McCandless, “Can Heavy- duty Diesel Engines Fueled with DME Meet US 2007/2010 Emissions Standard with a Simplified Aftertreatment System,” SAE 2006- 01-0053, 2006.

5) G. Lee, D. Kim, H. Kim and S. Jung, “Design of Injector Nozzle Holes for DME Using 1-D Nozzle Flow Model,” Spring Conference Pro- ceedings, KSAE, pp.209-213, 2010.