[논문]커먼레일 디젤기관의 인터쿨러 대체를 위한 볼텍스 튜브적용 특성에 관한 실험 연구

임석연; 이호길; 정영철; 최두석; 류정인

문제 정의

따라서 본 논문은 커먼레일 디젤기관의 인터쿨러 대체를 위한 볼텍스 튜브를 실제 커먼레일 디젤기관에 적용하여 기관성능 특성 및 배출가스 특성을 파악하여 대체 가능성을 확인하는데 그 목적을 두고 있다. 또한 수행된 실험이 공냉식 인터쿨러 조건에서 이루어졌기 때문에 선박 엔진 및 발전기 등과 같은 정치형 기관에서 사용되는 수냉식 인터쿨러 조건과는 직접적으로 비교 할 수는 없었지만, 관련 데이터를 확인하여 공냉식 및 수냉식 인터쿨러 적용 디젤기관에서의 인터쿨러 대체 가능성을 파악하고자 하였다.
있다. 또한 수행된 실험이 공냉식 인터쿨러 조건에서 이루어졌기 때문에 선박 엔진 및 발전기 등과 같은 정치형 기관에서 사용되는 수냉식 인터쿨러 조건과는 직접적으로 비교 할 수는 없었지만, 관련 데이터를 확인하여 공냉식 및 수냉식 인터쿨러 적용 디젤기관에서의 인터쿨러 대체 가능성을 파악하고자 하였다.

제안 방법

볼텍스튜브의 성능특성과기관적용실험은 커먼레일 디젤기관의 실제 작동구간"을 고려하여 기관 회전수 l, 250rpm~2, 500rpm까지 250rpm 간격으로 하고, 기관부하는 최대토크를 기준으로 하여 25%, 50%, 75% 및 100%의 조건에서 수행되었다.
기관적용 실험 장치에 장착한 열전대와 압력변환기는 예비실험을 통하여 보정하였고, 볼텍스 튜브의 에너지 분리특성에 영향을 주는 저온 공기 유량을 조절 시 터보차저에 의해 과급된 공기가 볼텍스 튜브로 공급된 후 터보과급 공기유량 변동이 없도록 충분한 시간을 두고 스로틀 밸브를 조절하였으며 온도 측정 또한 각 측정 부위의 온도가 정상상태 (±0.2℃)에 도달한 뒤에 측정하였다.
기초실험을 통하여 최적 설계 . 제작된 볼텍스 튜브를 커먼레일 디젤기관에서 인터쿨러 대신 적용하여 실제 작동구간에서의 적용 특성, 기관성능 특성 및 배출가스 특성을 파악하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
현재 사용되고 있는 인터쿨러 장치의 단점을 극복하기 위하여 볼텍스 튜브의 기하학적 형상에 따른 에너지 분리특성을 확인하여 최적의 조건을 찾아 대형 볼텍스 튜브의 에너지 분리특성을 확인하여, 실제 상용되고 있는 터보 인터쿨러가 장착된 커먼레일 디젤기관에 적용하였다.

대상 데이터

기관적용을 위한 실험기관은 터보차저 인터쿨러가 장착된 수냉식, 4행정, 4기통 배기량 2,OOOcc의 커먼레일 디젤기관으로서 주요제원은 Table 2와 같고, 실험에 사용된 기관 성능 및 배출가스 측정 장치와 장치 개략도는 Table 3과 Fig. 3에 각각 나타내었다.

성능/효과

1) 볼텍스 튜브에 의한 과급공기의 냉각율은 기관회전수 l, 250rpm, 기관부하 25%에서 인터쿨 러에 의한 냉각율보다 최대 22% 정도 냉각율 상승효과를 보였으나, 기관회전수 2, 500rpm, 기관 부하 50%와 기관 부하 75% 이상의 경우 기관회전수 2,000rpm 이상의 조건부터는 오히려 냉각율이 인터쿨러의 경우보다 최대 16% 정도 저하되었다.
2) 제동연료소비율은 기관부하 25% 경우 최대 3%, 기관부하 50%인 경우 최대 2.5% 이고 기관부하 75% 경우에는 15% 정도 개선효과를 보이고 있으나, 기관부하 100% 조건에서는 오히려 최대 5.5% 정도 악화되었다.
3) 매연의 경우, 기관부하 50%까지는 최대 20% 정도의 저 감효과를 보였으나, 기관부하가 증가 할수록 오히려 매연 배출량이 증가되어 기관부 하 100%, 기관회전수 2, 250rpm 경우에는 약 28% 정도 증가하였다.
4) 질소산화물은 매연의 경우와 반대로 저부하 영역에서는 최대 26% 정도 증가하였고, 기관 부하가 고부하 영역으로 이동될수록 질소산화물 증가율이 감소되어 기관부하 100%, 기관회 전수 2, 250rpm 영역에서는 오히려 15% 정도의 배출량 감소를 보였다.
Fig. 4를 보면, 실제 기관에서 인터쿨러의 냉각율은 기관회전수, 기관부하가 증가하면서 냉각율이증가하였으나, 적용된 볼텍스 튜브에 의한 과급 공기의 냉각율은 인터쿨러와 비교하여 기관부하가 증가할수록 냉각율은 동일하거나 약간 저하되었고, 기 관부하 75%까지는 증가되었으나 기관부하 100%일 경우에는 오히려 저하됨을 보이고 있다. 이는 인터쿨러에 의한 냉각시스템은 비록 수냉 장치에 의해 냉각이 되지만 과급유량과 과급온도가 낮기 때문에 실제 기관으로 냉각되어 공급되는 온도는 과급 온도보다 냉각율이 크지 않은 것으로 생각되고, 볼텍스 튜브에 의한 과급공기의 냉각은 과급된 공기 가 튜브로 공급되면서 볼텍스를 생성 하는 노즐의 면적 감소로 인하여 인터쿨러 적용 시보다 볼 텍스 튜브에 공급되는 과급공기의 압력이 상승하여 볼 텍스 튜브의 에너지 분리효율이 증가하기 때문에 과급 공기 의 냉 각율이 더 증가하는 것으로 사료된다.
기 관회 전수가 증가함에 따라 제동연료소비 율 개선 효과는 저하되었으며, 기 관회 전수 2, 250rpm 이 상의 경우에는 모든 구간에서 제동연료소비율이 악화되었고, 기관부하가 증가할수록 제동 연료소 비율이악화되는 기관회전수는 저회전수 영역쪽으로 이동되는 것도 확인할 수 있었다. 그 이유는 상대적 으로저회전수 및 저부하 영역에서는 볼텍스 튜브에 의한 과급공기 압력감소량보다 과급공기 냉각율 효과가 더 크게 되어 제동연료소비율이 개선되는 효과를 보였지만, 기관회 전수 및 기관부하가 증가됨에따라 기관에서 요구되는 흡입공기량이 증가되기 때문에 볼텍스 튜브에 의한 개선효과보다 과급공기 량부족에 의한 연소악화 때문으로 생각된다.
볼텍스 튜브 적용 시 제동연료소비율은 기관부하 25% 경우 최대 3%, 기관부하 50%인 경우 최대 2.5% 이고 기관부하 75% 경우에는 1.5% 정도 개선 효과를 보이고 있으나, 기관부하 100% 조건에서는 오히려 최대 5.5% 정도 악화되었다.
실험을 통해 볼텍스 튜브에 의한 과급공기의 냉각율은 저회전수 및 저부하 영역에서 인터쿨러에 의한 냉각율보다 최대 22% 정도 냉각율 증가를 보였으나, 기관회전수 2, 500rpm, 기관부하 50%와 기 관부하75% 이상의 경우 기관회전수2,000rpm 이상의 조건부터는 오히려 냉각율이 인터쿨러 경우보다 떨어지는 것을 알 수 있었다. 이는 Fig.
질소산화물의 경우에는 매연의 경우와 반대로 저 부하 영역에서는 최대 26% 정도의 증가를 보이고, 기관부하가 고부하 영역으로 이동될수록 질소산화물 증가율이 감소되어 기관부하 100%, 기관회전수 2, 250rpm 영역에서는 오히려 15% 정도의 배출량 감소를 보이고 있다,

후속연구

따라서 이러한 에너지 분리특성이 있는 볼 텍스 튜브를 인터쿨러 장치 대용으로 적용한다면 공냉식인터쿨러의 저속구간에서의 낮은 과급 공기 냉각효율과 수냉식 인터쿨러의 과급 공기 냉각효율에 비해 높은 냉각효율을 얻을 수 있어 엔진의 충진효율을 향상시킬 수 있을 것이다.
이에 반해 냉각수에 의해 과급 공기를 냉각시키는 수냉식 인터쿨러(water cooled type intercooler)는 엔진의 냉각용 라디에이터 또는 전용의 라디에 이터에 냉각수를 순환시켜 과급공기를 냉각시키기 때문에 냉각에 한계점이 있다. 이러한 방법은 선박용 엔진 및 발전기 등과 같은 정치형 기관 (stationary engine)에 주로 사용하게 되는데, 만약 고온의 과급공기를 냉각시키는 엔진 냉각수의 온도보다 과급공기를 낮출 수 있는 방법이 강구된다면 보다 더 향상된 연소효율, 엔진 출력 및 배출가스 특성을 기대할 수 있을 것이다.
가능하리라 생각된다. 이를 위해서는 에너지 분리효율은 저하시키지 않으면서 기관 조건에 따라 가변적으로 볼텍스 제너레이터 노즐 면적을 조절하여 연소실로 공급되는 공기량을 증가시키 게하고 동시에 에너지 분리특성과 관계가 깊은 저온 공기 유량비를 적절하게 조절할 수 있는 시스템들을 구축하는 것이 필요할 것이다.
이상의 결과를 종합하여 볼 때, 볼텍스 튜브는 여러 개선점을 보완한다면 상용 커먼레일 디젤기관에 적용이 가능하리라 생각된다. 이를 위해서는 에너지 분리효율은 저하시키지 않으면서 기관 조건에 따라 가변적으로 볼텍스 제너레이터 노즐 면적을 조절하여 연소실로 공급되는 공기량을 증가시키 게하고 동시에 에너지 분리특성과 관계가 깊은 저온 공기 유량비를 적절하게 조절할 수 있는 시스템들을 구축하는 것이 필요할 것이다.

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