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문제 정의
- 본 연구에서는 최근 출시된 Peugeot 406경유승용 차에 장착된 매연여과장치의 재생 기술을 엔진시험 을 통하여 분석함으로써, 향후 국내에서 개발되는 경유승용차의 매연여과장치 재생 기술 개발에 기여 하고자 한다.
제안 방법
- 따라서 엔진시험을 위해서 차량에서 탈거한 실차 연료탱크를 그대로 사용하였으며, 연비 계로의 연료 이송을 위해 별도의 저압펌프를 추가로 부착하였 고, 후단에는 3회로 밸브를 구성하여 일정압력으로 이송되도록 하였다.
- 매연여과장치의 Ash 축적에 대한 엔진 배압 및 출력 의 영 향도 를 파악하기 위 하여, 80, 000Km가 주 행된 차량의 매연여과장치와, 8, 000Km가 주행된 차 량의 매연여과장치를 교환하여 엔진시험을 수행하 였다. Fig.
- 본 푸조 406 차량에 탑재된 2.2 리 터 엔진은 매번 약 850Km 일정 주행 거 리 마다 강제 적 으로 재 생을 하는 것이 확인되었는데, 재생된 직후부터 다시 재 생이 일어나기 전까지 배압증가 및 매연여과장치 내의 매연 축적량을 확인하기 위해, 임의의 회전수 에서 임의의 부하영역을 운전영역의 대표점으로 잡 고, 이때의 차 속도를 30Km/h로 가정하여 운행거리 가 850Km가 될 때까지 30여 시 간 운전을 하여 측정 하였다. 시험결과 재생이 일어나기 직전인 950Km 운행거리에서 배압은 약 15% 상승하여, 약 15g 가량 의 매연이 축적되는 것이 확인되었다.
- 하드웨어 구성으로는 보쉬(Bosch)社의 커먼레일 (Common Rail)분사계, 가변밸브 터보 챠져(VGT: Variable Geometry Turbocharger)터보챠셔, 냉각 EGR, 듀얼라인 흡기 시스템 등의 기술과 함께 적용 하여, Euro HI 규제치를 만족하였다. 성능 면에서는 출력 133PS, 토오크 32kg.
대상 데이터
- 본 푸조의 DW12ATED4 엔진은 4도어 세단 차량 인 406(GVW:l , 950kg)에 탑재 되 며 배 기 량 2, 179cc의 엔진으로, 세계 최초로 첨가제 방식의 매연여과장 치를 적용하여 동 차량 및 607 차량에 양산 적용하 였다. 디 젤 매 연 및 입자상물질은 통상적 으로 55UC 이상에서 완전연소 되며, 첨가제 방식은 적어도 배 기가스 온도가 450°C 이 상 요구되므로 매연여과장 치 내에 포집된 매연을 태우기 위해서는 연료의 후 분사 등 을 통하여 엔진의 배기온도를 450°C 이상 상승 및 유지 시킬 필요가 있다.
성능/효과
- 1) 푸조406차량에 탑재된 엔진은 세계 최초로 첨가 제 방식의 매연여과장치를 장착하여 양산한 엔 진으로 이 번 시험을 통하여, 재생 시 각 변수들이 어떻게 변경되어 배기가스 온도를 재생가능 온 도까지 도달하도록 하였는지 전략을 확인하였다.
- 2) 재생 시 분사시기는 2000rpm 6bar 이하에서는 Pilot와 Main 분사시기를 진각 시켰으며, 나머지 영역에서는 변화를 주지 않았다. Post분사시기는 ATDC 40〜90도 위치에 있음을 확인 했다.
- 3) 재 생 시 분사기 간은 Pilot분사는 미 소 증가, Main 분사는 미소 감소, Post분사는 영역별로 상당한 차이가 있었다.
- 4) 재생 시 엔진의 연료소비율은 Post분사 등에 의 하 여 통상연소 시 대비 2A200% 악화되 었으며 Nox 는EGR 중단에 의하여 미소 증가함을 확인 하였다.
- 5) 매연 필터의 교환주기 인 80, 000Km 주행이 완료 된 경우 여과장치 내의 남아있는 Ash에 의한 배 압증가는 미미하며, 이로 인한 출력 저하는 무시 할수준이었다.
- 6) 재생조건은 차압에 관계없이는 약 830Km마다 재생하였고, 아이들 구간 및 80%이상의 부하구 간에서는 재생을 하지 않았다.
- 네 번째로 매 연후처 리 장치 입 구부의 배 기 온도는 후 분사, 터보챠져 베인의 개도 등의 변경에 의해, 저회전수 일부구간을 제외하고 배기온도는 매연후 처 리 장치 전단 기준으로 450도 이상 유지되는데, 이는 Post 분사 등에 의 해 배 기온도(매 연여과장치 전 단)가 약 50 〜 250도 상승된 것 이 다(Fig. 8).
- 시험결과 재생이 일어나기 직전인 950Km 운행거리에서 배압은 약 15% 상승하여, 약 15g 가량 의 매연이 축적되는 것이 확인되었다. 동 엔진에 적 용된 매연여과장치의 용량은 3.75L이며 통상 L당 매연 축적 허용치가 8g 임을 감안하면, 최 대허용 매 연 축적량은 30g이고, 950Km 주행 후 축적된 양은 15g이므로 최대허용 용량의 50% 수준으로 확인되 어 상당히 내구 안전성을 고려하여, 재생이 이루어 짐을 확인 하였다. Fig.
- 후 분사를 하지 않아도 후처 리 장치 입 구 온도가 450도 이상되 거 나, 엔진 부하가 평균 80% 이상인 영 역에서는 재생을 하지 않는 것으로 확인되었다. 또 한 엔진의 저 부하 BMEP 2bar 이하의 영역에서도 재생을 하지 않는 것으로 확인되었다. 재생을 하는 도중, 재생이 되지 않는 영역으로 이동시에는 재생 을 중지하며, 다시 재생되는 영역으로 이동되면 재 생을 재개하는 것이 관찰되었는데, 재생이 시작된 후 운전조건에 따라 재생이 안 되는 영역에서 운전 되더라도 총 재생에 소요되는 시간에서는 제외되 며, 약320~340sec 동안의 총 재생 시간은 유지되도록 매핑이 되어 있음을 확인할 수 있었고, 이는 중분 한 재생 시간을 통하여 후처리 장치 내에 매연을 완 전히 제거 함으로써, 엔진 내구성을 중시한 전략으 로 생각된다.
- 세 번째로 일산화탄소(CO) 및 하이드로카본 (THC)의 변화를 보면 재생모드 운전 시 폭발행정 말기의 Post 분사에 의해 미 연가스가 발생하고, 불 완전 연소되어 정상운전 대비 다량의 CO 및 THC가 발생하게 됨을 알 수 있다.
- 3은 재 생 시 연료 분사기간 변화 결과를 나타내었다. 시험 결과를 보면, 재 생 시 Pilot 분사는 부하증대 에 따라 미소 증가 하며, Main 분사기간은 약간 감소한다. Post 분사는 부하가 증가할수록 상승 목표 배 기 온도 가 낮아지므로 분사 량 이 줄어드는데, 배기가스 온 도를 많이 상승시켜야 하는 저회 전수 일부구간 에서는 Main 분사 량 대 비 Post 분사량이 더 많은 구간 이 존재하는 것을 알 수 있다.
- 2 리 터 엔진은 매번 약 850Km 일정 주행 거 리 마다 강제 적 으로 재 생을 하는 것이 확인되었는데, 재생된 직후부터 다시 재 생이 일어나기 전까지 배압증가 및 매연여과장치 내의 매연 축적량을 확인하기 위해, 임의의 회전수 에서 임의의 부하영역을 운전영역의 대표점으로 잡 고, 이때의 차 속도를 30Km/h로 가정하여 운행거리 가 850Km가 될 때까지 30여 시 간 운전을 하여 측정 하였다. 시험결과 재생이 일어나기 직전인 950Km 운행거리에서 배압은 약 15% 상승하여, 약 15g 가량 의 매연이 축적되는 것이 확인되었다. 동 엔진에 적 용된 매연여과장치의 용량은 3.
- 또 한 엔진의 저 부하 BMEP 2bar 이하의 영역에서도 재생을 하지 않는 것으로 확인되었다. 재생을 하는 도중, 재생이 되지 않는 영역으로 이동시에는 재생 을 중지하며, 다시 재생되는 영역으로 이동되면 재 생을 재개하는 것이 관찰되었는데, 재생이 시작된 후 운전조건에 따라 재생이 안 되는 영역에서 운전 되더라도 총 재생에 소요되는 시간에서는 제외되 며, 약320~340sec 동안의 총 재생 시간은 유지되도록 매핑이 되어 있음을 확인할 수 있었고, 이는 중분 한 재생 시간을 통하여 후처리 장치 내에 매연을 완 전히 제거 함으로써, 엔진 내구성을 중시한 전략으 로 생각된다.
- 후 분사를 하지 않아도 후처 리 장치 입 구 온도가 450도 이상되 거 나, 엔진 부하가 평균 80% 이상인 영 역에서는 재생을 하지 않는 것으로 확인되었다. 또 한 엔진의 저 부하 BMEP 2bar 이하의 영역에서도 재생을 하지 않는 것으로 확인되었다.
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