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문제 정의
- 본 논문에서는 EGR Valve의 성능 및 품질 개선을 위한 평가 장치를 개발하는데 고려될 수 있는 설계 요소 및 범위를 EGR Valve가 설치된 3L 급 디젤 엔진의 엔진 성능 및 배출 가스 특성 시험을 수행하였으며, 다음과 같은 주요 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 EGR Valve의 성능 및 품질 개선을 위한 평가 장치를 개발하는데 고려될 수 있는 설계 요소 및 범위를 배출 가스 재순환 밸브가 설치된 3L 급 디젤엔진의 엔진 성능 및 배출 가스 특성 시험을 통해 도출하였다.
제안 방법
- 3은 엔진 부하율 50% 조건에서 대상 엔진의 엔진 속도에 따른 EGR Valve의 입구 영역에서의 배출 가스 온도를 측정한 결과이다. EGR Valve의 개도 양은 각각 20, 100%로 설정하여 시험을 수행하였다. EGR Valve의 입구 영역에서의 배출 가스 온도는 EGR Valve 개도 양이 100%인 조건에서 20%인 조건보다 최고 온도가 높게 나타났으며, 각 각의 최고 온도는 100% 조건에서 505.
- 1은 본 실험에서 실시한 엔진 시험의 구성을 나타낸 것이다. Fig. 1과 같이 시험 대상 엔진의 출력을 측정하기 위해 AC 엔진 동력계(Max Power:150kW)에 시험 대상 엔진을 설치하여, 실험 대상 엔진의 출력 및 토크를 측정하였다. EGR Valve의 설계 요소 중 EGR Valve의 입, 출구에서의 배출 가스 온도 및 입, 출구 간 온도 편차를 측정하기 위해 #(EGR Valve 입구), #(EGR Valve 출구) 위치에 Thermocouple을 설치하여 배출 가스 온도를 측정하였으며, 각 위치의 배출 가스 압력 및 입, 출구 간 배출 가스의 압력 편차를 측정하기 위해 #(EGR Valve 입구), #(EGR Valve 출구) 위치에 압력 센서를 설치하였다.
- 사전 시험을 통해 대상 엔진의 EGR Valve 작동특성을 파악한 결과, 대상 엔진의 EGR Valve는 엔진 속도 1,000~2,500 rpm 영역 및 엔진 부하율 20~50% 영역에서 작동하는 것으로 파악되었으며 최대 EGR Valve 개도 양은 20%로 파악되었다. 따라서 본 연구에서는 EGR Valve 평가 장치 설계 요소의 최대 영역을 파악하기 위해 엔진 속도 1,000~2,500 rpm 영역에서 EGR Valve가 작동 영역 중 최대 엔진 부하율인 엔진 부하율 50% 영역에서 시험을 수행하였다. 또한 동일 시험 영역에서 EGR Valve를 최대로 열었을 때 엔진 출력 성능 및 배출 가스 특성을 비교하기 위해 EGR Valve를 강제로 100% 개도하여 시험을 수행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 EGR Valve 평가 장치 설계 요소의 최대 영역을 파악하기 위해 엔진 속도 1,000~2,500 rpm 영역에서 EGR Valve가 작동 영역 중 최대 엔진 부하율인 엔진 부하율 50% 영역에서 시험을 수행하였다. 또한 동일 시험 영역에서 EGR Valve를 최대로 열었을 때 엔진 출력 성능 및 배출 가스 특성을 비교하기 위해 EGR Valve를 강제로 100% 개도하여 시험을 수행하였다.
- 전 시험 영역에서 인터쿨러(Inter-cooler) 후단 온도는 23±1℃로 설정하였으며, 엔진냉각수는 냉각수 온도 유지 장치(WTC)를 이용하여 엔진 냉각수 출구 기준 80±5℃로 설정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 EGR Valve의 운전 특성을 확인하기 위해 수행한 엔진 성능 및 배출 가스 성능 시험의 대상 엔진 제원은 Table 1과 같다. 시험 대상 엔진은 2.9L 배기량을 가진 디젤 엔진으로서 회전속도(RPM) 2,000 rpm에서 31.5 kgf․m의 최대 토크(Torque) 성능을 가지고 있으며, 최대 출력(Power)은 3,800 rpm에서 135 PS이다. 압축비(Compression ratio)는 17.
- 7로 높은 압축비를 가지고 있으며, 배출 가스를 이용한 흡기압축 및 냉각은 TCI(Turbo Charger Inter-cooler)방식과 WGT(Waste Geometry Turbocharger)방식을 적용하고 있다. 특히 대상 엔진은 연료 분사 제어(Injection Control)를 기계식 제어로 구성되어 있어 별도의 엔진 제어 모듈 없이 엔진 성능 및 배출 가스 특성 시험을 수행할 수 있었다.
성능/효과
- 1) 엔진 부하율 50% 조건에서 시험 대상 엔진의 속도에 따른 엔진의 토크(Torque) 출력 변화를 EGR Valve 개도 양 별로 살펴 본 결과, EGR 율이 증가함에 따라 엔진의 토크가 감소하는 경향을 보였으며, 엔진의 속도가 증가 할 수록 EGR 율에 따른 엔진의 토크 출력 편차가 줄어들었다. 이를 통해 EGR 율이 엔진의 토크 출력에 미치는 영향력은 엔진의 고속 영역 보다 저속 영역에서 크다는 것을 알 수 있었으며, EGR Valve 평가 장치의 입력 기체의 유량 및 기체 상태는 저속 영역에서의 배출 가스 상태를 고려할 수 있음을 알 수 있다.
- 2) 엔진 부하율 50% 조건에서 EGR Valve의 입구 영역을 지나는 배출 가스의 온도 변화를 측정한 결과, EGR Valve 개도 양이 높을수록 EGR Valve 입구 영역의 배출 가스 온도가 높아지는 경향을 보였으며, 최고 온도는 약 510℃로 측정되었다. 이에 EGR Valve 평가 장치의 입력 기체 최고 온도는 약 510℃ 이상의 온도로 설계가 가능할 것으로 판단된다.
- 3) 엔진 부하율 50% 조건에서 EGR Valve의 입, 출구 영역을 지나는 배출 가스 온도의 편차는 EGR 율이 낮을수록 높게 나타났으며, 엔진 속도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. EGR Valve의 입, 출구간 최대 온도 편차는 약 200℃로 측정되었다.
- 4) 엔진 부하율 50% 조건에서 EGR Valve의 입구 영역에서 배출 가스 압력은 최대 0.4 bar로 측정되었으며, EGR 율이 높은 경우 EGR 율이 낮은 경우에 비해 낮은 압력을 유지하였다. 또한 엔진의 속도가 증가함에 따라 배출 가스 압력이 증가하는 경향을 보였으나, 최대 배출 가스 압력이 1bar 이내로 EGR Valve의 성능에 큰 영향을 미칠 수 없을 것으로 파악하였다.
- 5) 엔진 부하율 50% 조건에서 EGR Valve의 입, 출구 영역 간 배출 가스 압력 차는 EGR 율이 낮을수록 높게 측정되었으며, 엔진의 속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였다. 최대 압력 차는 약 0.
- EGR Valve 개도 양 100% 조건에서는 EGR Valve가 완전 개방되어 있어 압력차가 발생하지 않으며, 일부 작은 압력차가 발생한 것은 EGR Valve 자체가 배출 가스 유로를 방해하면서 발생한 것으로 판단된다. EGR Valve 개도 양 20% 조건에서는 시험 대상 엔진의 엔진 속도가 증가하면서 배출 가스 발생량이 함께 증가해 EGR Valve 입, 출구 간의 압력차가 증가하는 것으로 판단된다. 위 결과를 통해 EGR Valve 평가 장치 설계에서 EGR Valve 입, 출구 간 압력차는 1 bar 이내로 설정이 가능함을 확인할 수 있었으며, 이는 EGR Valve의 기계적 동작 특성에 큰 영향은 주지 않을 것으로 판단된다.
- EGR Valve의 개도 양은 각각 20, 100%로 설정하여 시험을 수행하였다. EGR Valve의 입구 영역에서의 배출 가스 온도는 EGR Valve 개도 양이 100%인 조건에서 20%인 조건보다 최고 온도가 높게 나타났으며, 각 각의 최고 온도는 100% 조건에서 505.72℃(@ 1,700 rpm), 20% 조건에서 487.63℃(@ 1,300 rpm)를 나타내었다. 각 EGR Valve 개도 양에 따른 최고 온도의 엔진 속도 이후로, 엔진 속도가 증가함에 따라 EGR Valve 입구 영역 온도가 감소하는 경향을 보였다.
- 6는 엔진 부하율 50% 조건에서 대상 엔진의 엔진 속도에 따른 EGR Valve의 입구 영역과 출구 영역 간의 배출 가스의 압력 차를 측정한 결과이다. EGR 율 100%인 EGR Valve 개도 양 100%조건에서는 시험 대상 엔진의 엔진 속도 전 영역에서 0 bar에 가까운 압력차를 보이고 있으며, EGR Valve 개도 양 20% 조건에서는 엔진 속도가 증가함에 따라 압력차도 증가하여 최대 약 0.3bar의 압력차를 보여주고 있다. EGR Valve 개도 양 100% 조건에서는 EGR Valve가 완전 개방되어 있어 압력차가 발생하지 않으며, 일부 작은 압력차가 발생한 것은 EGR Valve 자체가 배출 가스 유로를 방해하면서 발생한 것으로 판단된다.
- 특히 EGR 율이 낮은 EGR Valve 20% 개도 양에 대한 시험 결과에서 엔진 속도가 증가함에 따라 배출 가스 온도 차가 급격히 감소하여 EGR Valve 100% 개도 양에서의 배출 가스 온도 차와의 간격이 좁혀지고 있음을 확인하였다. EGR 율이 낮을수록 EGR Valve 입, 출구 간 배출 가스 온도 차가 큰 이유는 EGR Valve 개도 양이 작음으로 인해 EGR Valve를 통과하는 배출 가스 유량이 줄어듦에 기인하고, 엔진 속도가 증가함에 따라 EGR Valve 입,출구 간의 배출 가스 온도 차가 줄어드는 것은 엔진 속도가 증가함에 따라 배출 가스 전체 유량 자체가 증가함에 기인하는 것으로 판단된다. 위 결과를 통해 EGR Valve 평가 장치의 설계에서 EGR Valve의열적 내구성을 평가하기 위해서는 최대 약 200℃ 이상의 온도 편차를 구현해야 할 것으로 판단된다.
- 1에서 #지점)의 배출 가스 온도를 뺀 값이다. EGR 율이 낮을수록 배출 가스 온도 차가 높게 나타났으며, 엔진 속도가 증가함에 따라 배출 가스 온도 차는 감소하는 경향을 보였다. 특히 EGR 율이 낮은 EGR Valve 20% 개도 양에 대한 시험 결과에서 엔진 속도가 증가함에 따라 배출 가스 온도 차가 급격히 감소하여 EGR Valve 100% 개도 양에서의 배출 가스 온도 차와의 간격이 좁혀지고 있음을 확인하였다.
- 63℃(@ 1,300 rpm)를 나타내었다. 각 EGR Valve 개도 양에 따른 최고 온도의 엔진 속도 이후로, 엔진 속도가 증가함에 따라 EGR Valve 입구 영역 온도가 감소하는 경향을 보였다. 이에 EGR Valve 평가 장치에서 EGR Valve에 공급되는 가스의 최대 온도는 약 510℃로 설계가 가능할 것으로 판단된다.
- 이는 엔진의 속도가 증가할수록 EGR 율이 엔진의 토크 출력에 미치는 영향이 감소하는 것으로 판단된다. 따라서 이 시험 결과를 통해 EGR Valve 평가 장치의 설계 요소 중 밸브 통과 유량은 3L 급 엔진을 기준으로 2,500 rpm 영역 미만의 배출 가스 토출 양에 맞게 설계할 수 있음을 확인하였다.
- 엔진 부하율 50%인 부분 부하 조건에서는 시험 대상 엔진의 토크 출력이 1,200 ~ 1,300 rpm 영역에서 최대 토크 출력을 보이 고 있으며, 엔진의 속도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보이고 있음을 확인하였다. 또한 EGR Valve 개도 양이 증가함에 따라 토크 출력이 감소하고 있으며, EGR Valve 개도 양에 따른 토크 출력 편차는 엔진의 속도가 증가할수록 감소함을 확인하였다. 이는 엔진의 속도가 증가할수록 EGR 율이 엔진의 토크 출력에 미치는 영향이 감소하는 것으로 판단된다.
- 4 bar로 측정되었으며, EGR 율이 높은 경우 EGR 율이 낮은 경우에 비해 낮은 압력을 유지하였다. 또한 엔진의 속도가 증가함에 따라 배출 가스 압력이 증가하는 경향을 보였으나, 최대 배출 가스 압력이 1bar 이내로 EGR Valve의 성능에 큰 영향을 미칠 수 없을 것으로 파악하였다.
- Table 2는 본 연구에서 실시한 시험조건이다. 사전 시험을 통해 대상 엔진의 EGR Valve 작동특성을 파악한 결과, 대상 엔진의 EGR Valve는 엔진 속도 1,000~2,500 rpm 영역 및 엔진 부하율 20~50% 영역에서 작동하는 것으로 파악되었으며 최대 EGR Valve 개도 양은 20%로 파악되었다. 따라서 본 연구에서는 EGR Valve 평가 장치 설계 요소의 최대 영역을 파악하기 위해 엔진 속도 1,000~2,500 rpm 영역에서 EGR Valve가 작동 영역 중 최대 엔진 부하율인 엔진 부하율 50% 영역에서 시험을 수행하였다.
- 5는 엔진 부하율 50% 조건에서 대상 엔진의 엔진 속도에 따른 EGR Valve의 입구 영역에서 배출 가스의 압력을 측정한 결과이다. 시험 결과를 통해 시험 대상 엔진의 속도가 증가함에 따라 배출 가스 압력이 증가하는 경향을 확인하였으며, EGR Valve 입구 영역의 배출 가스 압력은 최대 약 0.4 bar까지 증가하였다. 이는 엔진의 속도가 증가하면서 배출 가스양이 증가함에 따라 EGR Valve 입구 영역의 압력이 증가한 것으로 판단하였다.
- 이는 엔진의 속도가 증가하면서 배출 가스양이 증가함에 따라 EGR Valve 입구 영역의 압력이 증가한 것으로 판단하였다. 시험 대상 엔진의 전 속도 영역에서 EGR 율이 높은 EGR Valve 개도 양 100% 조건에서 EGR 율이 낮은 EGR Valve 개도 양 20% 조건에 비해 다소 낮은 배출 가스 압력을 보여주고 있다.
- 2는 엔진 부하율 50% 조건에서 시험 대상 엔진의 속도에 따른 엔진의 토크(Torque) 출력 변화를 EGR Valve 개도 양 별로 나타낸 것이다. 엔진 부하율 50%인 부분 부하 조건에서는 시험 대상 엔진의 토크 출력이 1,200 ~ 1,300 rpm 영역에서 최대 토크 출력을 보이 고 있으며, 엔진의 속도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보이고 있음을 확인하였다. 또한 EGR Valve 개도 양이 증가함에 따라 토크 출력이 감소하고 있으며, EGR Valve 개도 양에 따른 토크 출력 편차는 엔진의 속도가 증가할수록 감소함을 확인하였다.
- EGR Valve 개도 양 20% 조건에서는 시험 대상 엔진의 엔진 속도가 증가하면서 배출 가스 발생량이 함께 증가해 EGR Valve 입, 출구 간의 압력차가 증가하는 것으로 판단된다. 위 결과를 통해 EGR Valve 평가 장치 설계에서 EGR Valve 입, 출구 간 압력차는 1 bar 이내로 설정이 가능함을 확인할 수 있었으며, 이는 EGR Valve의 기계적 동작 특성에 큰 영향은 주지 않을 것으로 판단된다.
- EGR 율이 낮을수록 EGR Valve 입, 출구 간 배출 가스 온도 차가 큰 이유는 EGR Valve 개도 양이 작음으로 인해 EGR Valve를 통과하는 배출 가스 유량이 줄어듦에 기인하고, 엔진 속도가 증가함에 따라 EGR Valve 입,출구 간의 배출 가스 온도 차가 줄어드는 것은 엔진 속도가 증가함에 따라 배출 가스 전체 유량 자체가 증가함에 기인하는 것으로 판단된다. 위 결과를 통해 EGR Valve 평가 장치의 설계에서 EGR Valve의열적 내구성을 평가하기 위해서는 최대 약 200℃ 이상의 온도 편차를 구현해야 할 것으로 판단된다.
- 3 bar로 EGR 율이 100% 인 경우 전 속도 영역에서 0 bar로 측정되었다. 이 결과를 통해 EGR Valve 평가 장치 설계에서 EGR Valve 입, 출구 간 압력차는 1 bar 이내로 설정이 가능함을 확인할 수 있었으며, 이는 EGR Valve의 기계적 동작 특성에 큰 영향은 주지 않을 것으로 판단된다.
- 1) 엔진 부하율 50% 조건에서 시험 대상 엔진의 속도에 따른 엔진의 토크(Torque) 출력 변화를 EGR Valve 개도 양 별로 살펴 본 결과, EGR 율이 증가함에 따라 엔진의 토크가 감소하는 경향을 보였으며, 엔진의 속도가 증가 할 수록 EGR 율에 따른 엔진의 토크 출력 편차가 줄어들었다. 이를 통해 EGR 율이 엔진의 토크 출력에 미치는 영향력은 엔진의 고속 영역 보다 저속 영역에서 크다는 것을 알 수 있었으며, EGR Valve 평가 장치의 입력 기체의 유량 및 기체 상태는 저속 영역에서의 배출 가스 상태를 고려할 수 있음을 알 수 있다.
- 각 EGR Valve 개도 양에 따른 최고 온도의 엔진 속도 이후로, 엔진 속도가 증가함에 따라 EGR Valve 입구 영역 온도가 감소하는 경향을 보였다. 이에 EGR Valve 평가 장치에서 EGR Valve에 공급되는 가스의 최대 온도는 약 510℃로 설계가 가능할 것으로 판단된다.
- 2) 엔진 부하율 50% 조건에서 EGR Valve의 입구 영역을 지나는 배출 가스의 온도 변화를 측정한 결과, EGR Valve 개도 양이 높을수록 EGR Valve 입구 영역의 배출 가스 온도가 높아지는 경향을 보였으며, 최고 온도는 약 510℃로 측정되었다. 이에 EGR Valve 평가 장치의 입력 기체 최고 온도는 약 510℃ 이상의 온도로 설계가 가능할 것으로 판단된다.
- EGR 율이 낮을수록 배출 가스 온도 차가 높게 나타났으며, 엔진 속도가 증가함에 따라 배출 가스 온도 차는 감소하는 경향을 보였다. 특히 EGR 율이 낮은 EGR Valve 20% 개도 양에 대한 시험 결과에서 엔진 속도가 증가함에 따라 배출 가스 온도 차가 급격히 감소하여 EGR Valve 100% 개도 양에서의 배출 가스 온도 차와의 간격이 좁혀지고 있음을 확인하였다. EGR 율이 낮을수록 EGR Valve 입, 출구 간 배출 가스 온도 차가 큰 이유는 EGR Valve 개도 양이 작음으로 인해 EGR Valve를 통과하는 배출 가스 유량이 줄어듦에 기인하고, 엔진 속도가 증가함에 따라 EGR Valve 입,출구 간의 배출 가스 온도 차가 줄어드는 것은 엔진 속도가 증가함에 따라 배출 가스 전체 유량 자체가 증가함에 기인하는 것으로 판단된다.
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