[논문]커먼레일 중형 디젤엔진의 개념설계 및 초기 시험개발

김만영; 허행표; 김창일; 최규훈

커먼레일 중형 디젤엔진의 개념설계 및 초기 시험개발
Development of Medium-Duty Diesel Engine with CP3.3 Common Rail - Concept Study and Initial Experimental Work 원문보기

김만영 (현대자동차 승용디젤엔진시험팀) , 허행표 (현대자동차 승용디젤엔진시험팀) , 김창일 (현대자동차 승용디젤엔진시험팀) , 최규훈 (현대자동차 일본기술연구소)

An experimental feasibility study of the E3.9 engine with CP3.3 and EDC7C was conducted to understand the initial performance and the possibility for EURO-III regulation. ID cycle simulation for concept study was conducted using the BOOST. Also, some basic investigations through such various parameters as injection timing and rail pressure have been carried out to find the feasibility on EURO-III ESC mode. Based on the results, the feasibility of the E3.9 engine for EURO-III characteristics such as performance, emissions, and fuel economy was demonstrated.

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문제 정의

9엔진의 목표 성능 곡선으로서, 최고 토크는 1, 400-1, 800rpm 구간에서 나타나며, 최고 출 력은 2, 500rpm에서 나타난다. 본 시험은 두 가지 사양, 즉, 고마력 개발사양과 저마력 의 양산 사양 중에서 Feasibility 시험 특성을 고려한 저마력 양산 사양을 기초로 한 것이다.
본 연구에서는 이러한 분사 시기에 따른 엔진의 특성을 살펴보기 위하여 넓은 범위의 분사 시기 변화시험을 수행하여 최적화를 시도하였다. Fig.
특히, 고압연료 분사와 전자제어시스템은 디젤엔진의 개발에 있어서 중요한 수단이 되고 있는 추세로서4), 본 논문에서는 이러한 시스템을 채용하여 EURO-Ⅲ 및 IV 규제 대응을 위하여 당팀에서 수행하였던 커먼레일 장착전자제어 E3.9H 디젤엔진의 개발이력, 해석 프로그램을 이용한 초기 개념 설계 및 최적화, 그리고 성능1호 엔진과의 상관관계를 규명 함으로서 커먼레 일 장착전자제어 중형 디젤엔진 개발의 기초자료를 제공하는데 그 목적이 있다.

제안 방법

E3.9엔진의 개발 가능성 및 특성을 고찰하기 위하여 EURO-Ⅲ 규제 모드인 ESC 모드 각 포인트에서의 엔진 특성을구체적으로살펴보았다.
E3.9엔진의 초기 개념 설계를 위하여 흡배기를 갖는 엔진의 열역학적 과정을 1차원적으로 시뮬레이션하는 AVL BOOST 프로그램5)을 이용한 사이클 시뮬레이션을 진행하였다. Fig.
9 H 중형 디젤 엔진이다. EURO-Ⅲ 배기 규제 대응을 위하여 당사의 중대형 디젤엔진으로서는 최초로 최고 레일 압이 l, 350bar인 Bosch의 CP3.3 커먼레일 시스템을 장착하였고, EGR 시스템을 장착할 경우 EURO-IV 규제 대응이 가능하도록 개념 설계가 이루어졌다. 아래의 Fig.

대상 데이터

본 연구의 대상 엔진은 압축비 17.5인 3.9 H 중형 디젤 엔진이다. EURO-Ⅲ 배기 규제 대응을 위하여 당사의 중대형 디젤엔진으로서는 최초로 최고 레일 압이 l, 350bar인 Bosch의 CP3.

성능/효과

우선, l, 200bar일 때의 결과를 살펴보면, 분사시 기를 btdc 12도에서 atdc 0도로 변화시켰을 때 NOx는 약 55.8% 정도 감소하는 반면 PMe 약 2.3배, 그리고 bsfb는 약 18.6% 악화됨을 알 수 있다. 한편, 레일압이 l, 000bar인 경우 분사 시기를 동일하게 변화 시 켰을 때 NOx는 약 57.
레일 압을 증가시킬수록 연료의무화 및 연료 공기의 혼합이 개선되고 이에 따라 연소가 개선됨에 따라 NOx는 점점 증가하고 PM과 연비는 감소하고 있음을 알 수 있다. 즉, l, 500rpm의 우, 레일압을 900bar에서 1, 250 bar로 증가시키 면 NOx는 약 20.6% 증가하고 PMe 약 37.7%, 그리고 연비는 약 3.3% 정도 개선되고 있으며, 2, 500rpm의 경우, NOx는 약 55.8% 정도 악화되지만 PMe 약 79.1%, 그리고 연비는 14.7% 정도 개선되는 효과를 얻을 수 있다. 한편, 레일압 변경에 따른 NOx의 변화 정도는 중속과 고속에서 같지만 PM과 연비의 경우 고속에서 그 변화가 크게 나타남을 알 수 있다.
한편, 각 모드 포인트에서의 NOx 및 PM의 배출 기여도를 파악하기 위하여 아래의 Fig. 10과 같은 EM 배출 분포도를 살펴보면, PM과 NOx 모두 전부 하포인트에서 많은 양이 배출되고 있으며 이에 대한 개선이 이루어질 경NOx 및 PM의 배출량을 상당량 개선 가능함을 알 수 있다.
한편, 이와 같은 Feasibility 시험 결과를 분석해 보면, 비록 향후 해결해야 할 과제가 많이 쌓여 있음에도 불구하고, 성능1호기 엔진으로 어떠한 H/W의 사양 변경 없이 목표 성능의 확인 및 적절한 연비 수준, 그리고 EURO-Ⅲ 규제 대응이 가능함을 제시하였음은 주목할 만하다 또한, 초기 개념 설계 시 사용하였던사이 클시 물레 이 션을 적용하여 적절한시험 조건설정 및 결과 예측에 활용할 수 있었다.

후속연구

한편, 아래에서 설명하게 될 EURO-Ⅲ ESC 모드의 경우, 모드 포인트는 1,500, 1, 950, 그리고 2, 400rpm으로서 NOx규제대응을 위하여 이 구간에서는 분사 시 기 가 다소 지각되어 있다. 연소계 및 흡 배기 계 등의 최적화 매칭을 통한 배출가스 규제 대응 및 배출 수준을 조절하기 위한 ESC 모드 포인트에서의 분사 시기 지각으로 인한 연비 개선 연구가 필요함을 알 수 있다. 한편, Smoke의 경우, 저속 구간 에서 과도하게 배출될 뿐만 아니라 고속구간으로 갈수록 배압이 지나치게 높아지고 있는데, 이는 적절한 공기량 확보 및 성능/연비를 고려한, 적절한 터보챠저 매칭이 필요함을 보여주는 것이다.
그림에서 알 수 있듯이, NOx와 PM 모두 EURO-Ⅲ 규제치에 근접하고 있으나 향후 개발 시 DF 계수를 고려한 개발 목표를 만족하기 위해서는 추가적인 노력이 필요함을 알 수 있다. 전술하였듯이 본 시험에서는 적절한 공기량의 매칭, 연소계 최적화, 그리고 기타 부품의 최적화가 진행되지 않은 상태의 결과이므로 개발 목표를 만족시키는 것은 충분히 가능하리라 사료된다.

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