Investigation of Combustion Strategy for Commercialization of Low Temperature Diesel Combustion Engine

CopyrightⒸ2014 KSAE / 132-16 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2014.22.6.120 Transactions of KSAE, Vol. 22, No. 6, pp.120-127 (2014)

저온연소엔진 실용화를 위한 연소전략에 대한 연구

심 의 준¹⁾․한 영 덕¹⁾․신 승 협¹⁾․김 득 상^*1)․권 상 일²⁾

두산인프라코어 엔진선행개발팀¹⁾․국립환경과학원 교통환경연구소²⁾

Investigation of Combustion Strategy for Commercialization of Low Temperature Diesel Combustion Engine

Euijoon Shim¹⁾․Youngdeok Han¹⁾․Seunghyup Shin¹⁾․Duksang Kim^*1)․Sangil Kwon²⁾

1)Advanced Engine System Development Team, Doosan Infracore, 10 Suji-ro, 112-gil, Suji-gu, Gyeonggi 448-795, Korea

2)Environmental Research Coplex Transportation Pollution Research Center, National Institute of Environmental Research, Hwangyeong-ro 42, Seo-gu, Incheon 404-708, Korea

(Received 4 April 2014 / Revised 8 May 2014 / Accepted 14 May 2014)

Abstract : Robustness and controllability are the key factors in internal combustion engine commercialization. This study focuses on the combustion strategy to commercialize the low temperature diesel combustion technology. Various LTC combustion methods such as PPCI, MK and highly diluted mixing controlled LTC were conducted on 6.0L heavy duty diesel engine. To find the best feasible LTC strategy, emission level, fuel consumption and combustion safety during the combustion mode change were considered. Experiments were carried out under various engine operating conditions; engine speed & load, EGR level, injection timing. Finally, this study suggests realizable LTC combustion strategy; moderate EGR level and slight early injection are possible to considerably lower PM, NOx emission and expand LTC operating range up to 50% load without CO and HC emission.

Key words : Low temperature diesel combustion(저온디젤연소), Partially pre-mixed combustion ignition(예혼합연 소), EGR(배기가스 재순환), Low pressure EGR(저압-배기가스재순환), NOx(질소산화물), Soot(수트, 그을음), PM(입자상물질), HD diesel engine(대형디젤엔진)

Nomenclature

LTC : low temperature diesel combustion

PPCI : partially pre-mixed charge compression ignition MK : modulated kinetics

CDC : conventional diesel combustion EGR : exhaust gas recirculation NOx : nitrogen oxides

PM : particulate matter CO : carbon monoxide HC : hydro carbon

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

COV : coefficient of variation VGT : variable geometry turbocharger IPCV : intake pressure control valve

1. 서 론

최근 환경오염에 대한 세계적 관심으로 화석연료

를 기반으로 하는 내연기관에 대한 배기규제가 나

날이 강화되고 있다. 디젤엔진은 가솔린엔진에 비

하여 상대적으로 높은 효율 특성을 가지고 있어 화

석연료의 효율적 사용을 위한 시스템으로 평가 받

고 있다. 그러나 폐질환을 유발하는 질소산화물

(NOx; Nitrogen Oxides)과 기관지염과 암 유발 가능

저온연소엔진 실용화를 위한 연소전략에 대한 연구

Fig. 1 Soot and NOx formation of local fuel element on φ - T plane¹⁾

성이 높은 입자상물질(PM; Particulate Matters)의 배 출문제로 인하여 개선에 대한 필요성을 절실히 요 구되고 있다. 이와 같이 디젤엔진에서 문제시 되고 있는 NOx와 PM을 연소 과정 중 동시에 저감시키고 자 하는 연구가 많은 연구자들에 의하여 진행되었 다. Fig. 1은 연소실내에서의 온도와 당량비에 따른 Soot과 NOx의 생성영역을 보여준다.

일반디젤연 소(CDC; Conventional Diesel Combustion)는 연소과 정 중 국부적으로 농후한 당량비와 높은 연소온도 로 인하여 Soot과 NOx의 생성영역을 지나가는 것을 볼 수 있다. Kamimoto와 Bae는 적절한 당량비와 연 소온도 조건을 확보하게 되면 NOx와 PM을 동시에 저감할 수 있는 연소를 구현할 수 있음을 증명

하였 고, 많은 연구자들이 이 연구를 바탕으로 CDC보다 상대적으로 낮은 연소온도와 낮은 국부적 당량비조 건으로 다양한 저온연소기법(HCCI PPCI, LTC, MK 등등)을 구현하였다. 하지만 현재까지 대부분의 저 온연소 기술은 일반디젤연소에 비하여 상대적으로 높은 CO와 HC의 배출문제와 제한된 운전영역, 일 반 디젤연소와 저온디젤연소의 운전모드 전환 시 연소안정성과 배출가스 문제로 인하여 실용화에 어 려움이 있었다. 본 연구는 건설기계용 대형디젤엔 진에서 다양한 저온연소 기법을 구현 및 기법별 특 성 분석을 통하여 실용화에 적합한 저온연소 전략 을 도출하고자 한다.

2. 실험 장치 및 실험 방법

본 연구에 사용된 엔진은 건설기계용 6L급 대형

Table 1 Specifications of LTC proto engine

Specifications Resources

Engine type 6 cylinder direct diesel

Displacement 6 L

Compression ratio 17.4

FIE CR, 180 MPa

Turbocharger VGT

EGR HP + LP + IPCV

ECU Model-based

Fig. 2 Schematic diagram of LTC proto engine

디젤엔진을 기반으로 하였으며, 다량의 EGR을 안 정적으로 주입을 위하여 HP/LP EGR loop를 동시에 사용하는 Dual loop EGR 시스템을 사용하였다. 저 온연소와 일반연소의 운전모드 변환 시 최적의 과 급압력과 신기의 량을 공급하기 위하여 1-D(AVL WAVE)해석을 통하여 저온 연소용 Air management 시스템(VGT + LP/HP-EGR + IPCV)을 구축하였다.

Air management 시스템의 각 요소기술은 자체 제작

한 제어시스템(상용 ECU + logic by-pass 시스템)을

이용하여 통제하였다.

Euijoon Shim․Youngdeok Han․Seunghyup Shin․Duksang Kim․Sangil Kwon

본 연구에서 EGR율은 흡기 매니폴드와 배기 매 니폴드에서 포집한 CO

의 량을 식 (1)에 의하여 계 산하였다.

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2.2 실험 방법

실험은 대상엔진의 최대 출력점(1800rpm)과 최 대 토크점(1400rpm)에서 수행되었다. 저온 연소 기 법에 따라 EGR율과 연료분사 시점을 Table 2 조건 과 같이 조율하며 실험하였다. 본 연구에서 구현한 4가지 저온연소 기법들의 배기/연비 최적화는 분사 시기, 분사압력, HP/LP -EGR duty, VGT vane duty, IPCV duty의 조합을 실험계획법을 이용한 통계적 방법을 통하여 도출하였다.

Table 2 Operating parameters

Specifications Resources

Engine speed 1400, 1800 rpm Injection timing 0 ~ 30 CAD BTDC Injection pressure 60 ~ 180 MPa

Boost pressure 1000 ~ 2500 hPa

EGR rate 0 ~ 65 %

3. 실험 결과

본 연구는 국책과제 ‘건설기계용 저온연소 엔진 시스템 개발’과제의 일부분으로써 Air management 시스템 개선 설계를 통하여 저온연소 운전영역을 출력기준 50%부하까지 확장한 엔진시스템으로 연 구를 진행하였다. Fig. 3은 본 과제에서 구축한 저온 연소 엔진시스템의 부하별 적용된 저온연소와 일반 연소의 운전영역과 운전모드 전환구간을 나타내고 있다. 저온연소 구간은 다량의 EGR을 연소실에 주 입하므로 일반연소로 연소모드를 전환할 시 연소실 내에서 EGR율이 급격히 변화하여 연소안정성확보 에 어려움을 가지고 있다. 또한 저중부하 영역에서 과다한 흡기희석으로 CO와 HC의 배출증가 문제가 저온연소 실용화에 해결해야할 문제점으로 지적받 고 있다.

본 연구결과에서는 50%이하의 부하조건에 해당 하는 저온연소영역에서 고효율과 저배기를 동시에

Fig. 3 Combustion strategy on speed-load map

만족하고, 연소 운전모드변화 시 천이구간의 연소 안정성과 배기안정성을 동시 만족을 가능한 저온연 소 전략을 제시하고자한다.

3.1 분사시기와 흡기희석 수준에 따른

저온연소기법 분류

연소실내의 연소온도를 저하시키는 방법으로 통 칭되는 저온연소기술은 열용량이 큰 다량의 불활성 가스(CO

)를 주입하여 연소온도를 낮추어 주는 방 법과 연소실내의 공급된 연료의 국부적 당량비를 낮추어 주는 방법을 조합하여 NOx와 PM의 생성영 역을 회피할 수 있다.

본 연구에서는 다양한 연료분사시점과 EGR율을 조합하여 4가지의 저온연소 기법을 구현하였으며, Table 3에서 저온연소 기법별 변수들의 운영구간을 정의하였다.

1) Lately injected LTC; [Late injection / highly diluted combustion]

2) Early injected LTC; [Early injection / highly diluted combustion]

3) PPCI; [Early injection / moderate diluted combustion]

4) MK; [Late injection / moderate diluted combustion]

Table 3 Parameter operating range of each LTC concept LTC concept Injection timing

[CAD BTDC]

EGR level [%]

Late injected LTC 8 ~ 10 57 ~ 63 Early injected LTC 23 ~ 30 57 ~ 63

PPCI 20 ~ 30 46 ~ 50

MK 4 ~ 6 46 ~ 50

Investigation of Combustion Strategy for Commercialization of Low Temperature Diesel Combustion Engine

3.2 EGR량에 따른 저온연소 실용화 전략

Fig. 4는 EGR율 변화에 따라 엔진에서 배출되는 배기가스 특성을 나타내고 있다. 대부분의 저온연 소 기법들은 EGR율 변화에 따라 Fig. 4의 결과와 같 은 동일한 배기배출 경향을 가진다. (분사시점과 공 기과잉률에 따라 배기배출 수준 및 PM peak 시작 지 점은 다르나 배기배출 경향은 동일함.) NOx와 PM 의 경우 EGR이 연소실내에 증가함에 따라 초기에 배반관계(Trade-off) 특성을 가진다. 하지만 특정 수 준이상의 EGR (60 ~ 70%)이 연소실에 공급되면 NOx 와 PM이 동시에 ‘0’ 수준으로 저감되는 저온연소가 구현됨을 볼 수 있다. 하지만 HC와 CO의 경우에는 EGR율이 증가함에 따라 불완전연소가 증가하여 그 배출량이 급격히 증가하는 특성을 가지고 있다. 이 와 같이 저온연소구현 시 급격히 증가하는 HC와 CO의 배출특성은 저온연소 실용화를 위하여 해결 해야 하는 과제 중 하나로 인식되고 있다.

Fig. 4의 Zone①과 ②에 해당하는 영역은 PPCI기 법과 Early injected LTC기법을 대변한다. Zone② (Early injected LTC)는 전형적인 LTC기법으로 불리 우는 저온연소 기법으로써 다량의 흡기희석으로 연 소온도를 NOx와 PM의 생성영역 이하의 온도 (1800K이하)수준으로 저하시키고 이른 분사로 연 소실내의 국부적 당량비를 현저히 낮추어 주어 PM 의 생성을 최소화 한 연소기법이다. 하지만 이와 같 은 Early injected LTC는 불완전연소의 증가로 HC와 CO의 배출량이 일반디젤연소에 비하여 수백배 증 가하여 실용화를 위해서는 DOC와 같은 후처리 시 스템이 추가되어야 하는 문제점을 가지고 있다.

(EGR율 58% 이상의 영역에서는 CO와 HC의 배출이 급격히 상승하여 배기가스 측정 장비의 측정범위를 벗어났다.) 또한 저온연소운전에서 일반연소운전 으로 운전모드 전환 시 EGR 60% 수준에서 20% 수 준의 영역으로 옮겨가게 된다. 이때 연소실내의 Gas 의 조성은 다량의 PM이 발생하는 EGR구간(EGR율 55 ~ 60%)을 지나가게 된다. 이것은 엔진부하변화가 큰 상용엔진의 운전조건에서는 배기배출문제에 매 우 불리한 운전조건을 가지게 된다. 반면에 Zone① 에 해당하는 PPCI 저온연소기법에서는 NOx와 PM 의 배출수준이 Early injected LTC에 비하여 상대적

Fig. 4 Emission characteristics on various EGR level at fixed injection timing

으로 높은 편이지만 현재 가장 강력한 배기규제인 Tier4 Final 배기규제를 Engine-out기준으로 충족이 가능하며 상대적으로 낮은 EGR율을 적용하고 있어 HC와 CO의 배출 수준이 일반디젤연소와 비슷한 수 준을 나타내고 있다. 또한 PPCI 저온연소 기법의 경 우 운전모드 전환 시 PM이 급격히 증가하는 PM 배 출 과도구간을 회피할 수 있어 실용화 관점에서 Early injected LTC보다 배기배출물 측면에서 안정 적인 운전이 가능한 것으로 평가 되었다.

3.3 분사시점에 따른 저온연소 실용화 전략

Fig. 5와 Fig. 6은 Fig. 4의 Zone①, ②에 해당하는

심의준․한영덕․신승협․김득상․권상일

EGR율 수준에서 분사시점 변화에 따른 PM 배출과 연료소비율 특성을 나타내었다.

이른 분사시기를 사용하는 PPCI와 E-LTC 기법은 분사시점을 진각시키면 시킬수록 연소실내의 연료 의 균등분포로 PM 생성을 효과적으로 줄이는데 유 리하였다. PM 0.1FSN 이하의 배출수준을 확보하기 위해서 필요한 연료분사 진각시기는 PPCI의 경우 BTDC 18 CAD, E-LTC의 경우 BTDC 23 CAD 이전 의 분사시기를 적용해야 한다. 다만 PPCI 또는 E-LTC 기법의 저온연소를 채택할 시 분시시기 진각 수준 은 연소상 조율(combustion phase matching)을 통하 여 연소효율을 최적화해야 한다. 연료분사 시점을 진각할 경우 연료혼합도가 개선되어 PM이 지속적 으로 감소하는 경향을 가지나 특정 분사시점 이전 으로 진각 시 ‘Negative work’의 증가로 연료소비율 이 증가하는 경향을 가지고 있다.

Fig. 5 PM & bsfc characteristics of various injection timing on moderate diluted condition

Fig. 6 PM & bsfc characteristics of various injection timing on highly diluted condition

늦은 분사 조건을 사용하는 MK와 L-LTC 기법의 경우 Fig. 7에서와 같이 연소의 시작(SOC; start of combustion)시점을 TDC 이후에 발생하게 하여 연소 최고 압력을 낮추어 연소온도를 저감시키는 방법을 적용하고 있다. 이와 같은 연소조건으로 NOx의 배 출은 ‘0’수준으로 저감이 가능하였으나, Fig. 5와 Fig. 6에서와 같이 PM 저감을 위하여 분사시기를 지 각시킬수록 연소안정성의 악화와 출력저하로 안정 적인 엔진운전이 불가능하였다. 이는 추가적인 분 사시기 지각은 TDC이후로 연소시작 시점을 이동시 키고, 다량의 EGR공급이 연소기간을 지연시켜 연 소실내의 연소유효 압력이 낮은 조건에서 연소가 이루어져 불완전 연소가 증가하고 연료소비율이 증 가하게 된다. 이와 같은 결과를 바탕으로 저온연소 실용화 관점에서 이른 분사시기의 채택이 PM 저감 및 연소안정성, 연료소비율 측면에서 유리한 저온 연소 전략임을 알 수 있다.

3.4 저온연소 기법 별 최적화 결과

각각의 저온연소기법에서 연소상(combustion phase) 과 air management system의 조율을 통하여 배기배 출물과 연료소비율을 최소화 하는 최적점을 도출하 였고, 도출한 각 저온연소기법들의 실험결과를 Fig. 7 과 Fig. 8에 도식화하였다. 그리고 Table 4에서는 저 온연소 실용화에 필요한 주요 인자들(배기, 연소모 드전환성, 연소안정성, 연료소비율)에 대하여 각 저 온연소기법들이 가지고 있는 장단점을 점수화 하여 분석하였다.

3.4.1 Lately Injected LTC

다량의 EGR과 이른 분사를 적용하는 L-LTC는

58% 이상의 EGR을 연소실에 주입한 결과 NOx의

배출 수준이 거의 ‘0’수준으로 저감되었다. 반면 PM

경우 높은 EGR율 적용으로 NOx-PM trade off 그래

프 상 PM 과도구간에 위치하여 다량의 PM이 배출

되고 있음을 확인하였다. PM 생성을 억제하기 위하

여 EGR을 추가로 주입할 경우 연소실내의 산소량

부족으로 출력저하 현상이 나타났으며, 연소안정성

또한 COV 5% 이상으로 증가하며 운전상태가 매우

불안정해졌다. 그리고 분사시기를 추가로 지각시켜

PM을 저감하려 하였을 경우 Fig. 6에서와 같이 출력

저온연소엔진 실용화를 위한 연소전략에 대한 연구

Fig. 7 Comparison of each LTC combustion on in-cylinder pressure and HRR versus crank angle (Tested data is connected with Fig. 8 and Table 4)

Fig. 8 Comparison of each LTC concept at emission, ignition delay and fuel consumption on optimal operating condition

이 저하되어 안정적인 연소가 불가능하였다. 이것 은 Fig. 7에서 L-LTC의 열방출율(HRR; Heat Release Rate)곡선에서 볼 수 있는 것과 같이 TDC 이후로 SOC를 지각할 경우 다량의 EGR주입으로 길어진

Table 4 Grading of each LTC concept on optimal operating condition [A(Good) ↔ C (Bad)]

Combustion concept L-LTC E-LTC PPCI MK CDC

Load [%] 30 30 30 30 30

SOI [deg btdc] 8 28 23 4 6

EGR rate [%] 58 57 50 50 17

NOx A⁺ A⁺ A A⁺ C

PM C A⁺ A⁺ C C

CO C C B⁺ C A⁺

HC C B A B A⁺

Combustion mode change C C A B -

COV C B A C A

Fuel consumption C A A A A

연소기간이 낮은 압축압력 환경에서 연소가 이루어 지게 하므로 불안전연소의 증가와 출력저하가 불가 피 하였다. 이와 같은 이유로 인하여 L-LTC의 경우 NOx와 PM을 동시에 저감하는 실질적인 저온연소 를 구현하는데 적합하지 않은 저온연소기법으로 평 가되었다.

3.4.2 Early Injected LTC

다량의 흡기희석 및 이른 분사시기를 적용한 E-LTC의 경우 Fig. 4의 Zone②의 실험결과와 같이 NOx와 PM의 생성조건을 회피 할 수 있는 수준의 EGR율 영역에서 연소가 진행되고 있음을 확인하였 다. 다량의 EGR공급은 BTDC 28 CAD에 해당하는 이른 연료분사 조건과 결합하여 연소지연효과를 극 대화 하였다. 그 결과 연소실내로 분사된 연료의 균 질 혼합이 가능하게 되어 Fig. 1의 Soot 생성영역을 피할 수 있었던 것으로 판단된다. 배기배출물 수준 에서는 4가지 저온연소 기법 중 가장 뛰어난 수준을 보이고 있으나, 과도한 흡기희석으로 불안전연소가 증가하여 CO와 HC의 배출이 과도하게 증가하였다.

그리고 일반연소에 비하여 연비가 약 4%가량 악화 되었으며, LTC와 CDC 운전모드 전환 시 PM Peak 구간을 지나가야 하는 단점을 가지고 있다.

3.4.3 PPCI

E-LTC에 비하여 상대적으로 낮은 수준의 EGR

(50% EGR)을 주입하여 NOx의 배출은 상대적으로

높지만 이른분사와 적절할 흡기희석으로 연소지연

기간을 확보하여 PM배출 수준은 E-LTC와 거의 동

등 수준으로 저감할 수 있었다. 또한 연료분사 시점

Euijoon Shim․Youngdeok Han․Seunghyup Shin․Duksang Kim․Sangil Kwon

의 최적화를 통하여 연료소비율 악화를 최소화 할 수 있었다. 무엇보다 PPCI 조건의 저온연소는 Fig. 4 의 NOx-PM trade off graph에서 PM peak 구간 이하 의 EGR율을 사용함으로써 저온연소 시 문제시 되 었던 CO와 HC의 배출수준이 기존 엔진시스템의 DOC 시스템으로 충분히 저감 가능한 수준으로 평 가되었으며, CDC-LTC운전모드 전환 시 PM peak구 간을 회피 할 수 있어 저온연소 실용화에 가장 현실 적인 저온연소 전략으로 평가되었다.

3.4.4 MK

상대적으로 적은 흡기희석 및 늦은 연료분사시기 를 사용하는 MK는 학술논문

에서 NOx와 PM을 동 시에 저감 할 수 있다고 주장하였으나 본 연구에서 사용한 대형디젤에서는 NOx와 PM을 동시에 저감 가능한 연소조건을 찾지 못하였다. EGR율 및 분사 시기를 조정하여 실험을 진행하였으나 PPCI에 비 하여 낮은 연소압력으로 NOx의 배출은 상대적으로 저감할 수 있었으나, PM은 오히려 CDC 조건보다 증가하였고, CDC에 비하여 증가한 EGR율 조건에 서 TDC 이후의 연소가 이루어지는 연소환경은 불 안전연소를 증가시켜 CO와 HC 배출을 증가시켰으 며, 연소상(combustion phase) 부적합으로 연소불안 정성을 증가시켰다.

위의 4가지 저온연소기법에 대한 연구결과를 종 합해 보았을 때 PPCI에서 적용한 적절한 EGR율과

‘combustion phase matching’을 고려한 이른 분사 전 략은 저온연소를 실용화 하는데 걸림돌로 작용해온 HC / CO 배출문제, CDC-LTC 운전모드전환 문제 등 을 효과적으로 해결할 수 있음을 실험적으로 확인 하였다.

4. 결 론

6L급 상용디젤엔진에 L-LTC, E-LTC, PPCI, MK 에 해당하는 다양한 저온연소 기법을 구현하였으 며, 저온연소 실용화에 적합한 연소전략을 도출하 였다.

1) PPCI기법은 다량의 EGR과 충분한 연소지연시 간 확보로 NOx와 PM의 배출을 동시에 저감 가 능 하였다.

2) PPCI기법은 CDC-LTC운전모드 전환 시 높은 흡

기희석 시 나타나는 PM Peak 구간을 회피할 수 있 으며, HC / CO 배출수준이 기존 상용엔진의 DOC 장치로 저감 가능한 수준으로 저온연소 실용화에 가장 적합한 저온연소 기법으로 평가되었다.

3) E-LTC 기법은 NOx와 PM을 동시에 저감 가능하 나 CDC-LTC 운전모든 전환과 다량의 HC / CO 배출, CDC 대비 4% 이상의 연비악화 문제로 실 용화에는 적합 하지 않은 것으로 평가되었다.

4) L-LTC와 MK의 경우 높은 연소불안정성과 좁은 운전가능영역, 다량의 PM배출로 저온연소 실용 화에 가장 부적합한 것으로 평가되었다.

후 기

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

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