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문제 정의
- 본 연구에서는 분무유도방식의 초희박 GDI엔진 시제품을 이용하여 연료분사전략 및 EGR 등의 연료경제성을 포함한 배출가스 특성에 영향을 미치는 연소제어인자의 변화에 따른 연소 및 배출가스 특성을 평가하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 승용 초희박 GDI 엔진 개발을 위한 선행 연구로써 분무유도방식의 초희박 GDI 엔진 시제품을 이용하여 다양한 연료분사전략 및 운전전략을 통한 배출가스 수준과 운전성능을 평가하고 이를 배출가스 규제와 비교·검토함으로써 국내 관련기술 개발 방향 및 상용화 가능성에 대해 검토하고자 하였다.
- 본 연구에서는 초희박 GDI 엔진연소 최적화를 위한 다양한 운전전략의 적용 및 실현 가능성을 검토하기 위해 상용 MPI 방식의 가솔린 엔진을 개조하여 분무유도방식의 GDI 엔진을 개발 및 설치하여 운전전략의 변화에 따른 실험을 실시하였다.
제안 방법
- 연료경제성이 가장 좋은 2단분사 조건에서 EGR 을 적용하여 그 결과를 살펴보았다.
- 효율적인 Exhaust Gas Recirculation(EGR) 가스 공급 및 제어를 위한 여러 시스템을 추가하 였으며, 기존의 엔진에는 장착되어 있지 않은 EGR 모듈 적용을 위한 라인을 별도로 구성하였다. EGR 라인은 스로틀과 흡기매니폴드 사이에 어댑터를 가공 및 장착하여 연결되도록 하고, 정밀한 제어와 신속한 작동이 가능한 전자제어방식 EGR (E-EGR) 밸브와 EGR 쿨러를 사용하였다.
- 2에 나타내었다. 고압연료분사가 가능하도록 배기 캠 샤프트에 플런저방식의 고압펌프를 장착하였고, 연료량 제어 밸브 (Fuel Control Valve; FCV)에 인가되는 전압의 Duty를 제어함으로써 펌핑부에 유입되는 연료량을 제어하여 연료분사압력을 제어하였다. 다채널 피에조 인젝터 드라이버와 컴퓨터에 의해 제어되는 Universal Engine Control System(ECS)를 사용하여 각 연소실로 공급되는 연료의 분사량과 분사 시기 및 분사회수를 임의로 조절이 가능하도록 하였다.
- 고압연료분사가 가능하도록 배기 캠 샤프트에 플런저방식의 고압펌프를 장착하였고, 연료량 제어 밸브 (Fuel Control Valve; FCV)에 인가되는 전압의 Duty를 제어함으로써 펌핑부에 유입되는 연료량을 제어하여 연료분사압력을 제어하였다. 다채널 피에조 인젝터 드라이버와 컴퓨터에 의해 제어되는 Universal Engine Control System(ECS)를 사용하여 각 연소실로 공급되는 연료의 분사량과 분사 시기 및 분사회수를 임의로 조절이 가능하도록 하였다. 효율적인 Exhaust Gas Recirculation(EGR) 가스 공급 및 제어를 위한 여러 시스템을 추가하 였으며, 기존의 엔진에는 장착되어 있지 않은 EGR 모듈 적용을 위한 라인을 별도로 구성하였다.
- 따라서 희박한계보다 약간 농후한 λ며 EGR을 적용하였다.
- 연소제어인자의 변화에 따른 연소특성 분석은 각각의 실린더에 장착된 실린더 압력 센서와 연소분석기를 통해 이루어졌다. 배기가스의 측정은 삼원촉매의 전단에 가스 추출라인(Gas Sampling Line)을 장착하여 배기가스 분석계(AMA i60, AVL)에서 측정되도록 하였다.
- 본 연구의 대상이 되는 승용 가솔린 엔진에서 자주 사용되는 저속·저부하 운전영역 중의 하나인 2,000 rpm, Brake Mean Effective Pressure (BMEP) 0.2 MPa 조건으로 운전조건을 고정하여 실험을 수행하였다.
- 1에 본 연구에 사용된 시험장치의 전체적인 구성을 나타내었다. 분무유도방식을 적용한 헤드를 설계 및 제작하여 실린더 헤드의 중앙에 개방형 노즐을 갖는 피에조 타입의 고압 인젝터와 점화플러그를 장착하였으며, 엔진의 제원을 Table 1에 나타내었다. 실험에 사용된 피에조 인젝터는 고압다단분사가 가능하며 제원과 대표적 구동신 호를 각각 Table 2와 Fig.
- 실린더별로 공기과잉률을 측정할 수 있도록 각각의 배기 매니폴드에 광역산소센서(LA4, ETAS co.)를 설치하여 혼합기의 상태를 독립적으로 측정할 수 있도록 하였다. 연소제어인자의 변화에 따른 연소특성 분석은 각각의 실린더에 장착된 실린더 압력 센서와 연소분석기를 통해 이루어졌다.
- 본 실험에서 최적연료분사시기 및 최적점화시 기는 연료소비율이 가장 낮을 때의 각각의 시기로 정의하였다. 연료분사압력은 20 MPa 로 고정 하고 연료분사 전략 및 EGR 적용에 따른 연료소비율, 배기가스, 연소안정성 등을 검토하였다.
- )를 설치하여 혼합기의 상태를 독립적으로 측정할 수 있도록 하였다. 연소제어인자의 변화에 따른 연소특성 분석은 각각의 실린더에 장착된 실린더 압력 센서와 연소분석기를 통해 이루어졌다. 배기가스의 측정은 삼원촉매의 전단에 가스 추출라인(Gas Sampling Line)을 장착하여 배기가스 분석계(AMA i60, AVL)에서 측정되도록 하였다.
- 이론 공연비 조건과 희박한계 조건에서 점화시기와 연료분사시기의 변경을 통하여 최적점화(Minimum advance for Best Torque; MBT)시기 및 최적 연료분사시기를 결정하였으며, 엔진이 충분히 Warm-up 된 상태에서 냉각수의 온도가 83±2℃에서 유지되도록 냉각수온 조절 시스템을 설정하였다.
- 3에 해당운전 조건에서 각 연료분사 전략에 따른 희박연소시 연료소비율을 이론공 연비 연소조건과 비교하였다. 이론공연비 조건에 서는 단분사 만을 적용하였으며, 희박연소조건에 서는 다단분사에 의한 효과를 관찰하였다. 공기 과잉률을 희박한계조건인 λ=3.
- 희박한계조건에서 2단분사를 적용하여 안정적인 희박연소를 확보한 상황에서 연료소비율이 큰폭으로 개선되었으나, NOx 저감을 위한 별도의 후처리장치 없이 상용화하기에는 높은 NOx 배출 결과를 나타내었다. 이에 효과적인 배출가스저감을 위해 EGR을 적용하여 EGR 율에 따른 연소 및 배출가스특성을 비교하였다. Fig.
- 이론 공연비 조건과 희박한계 조건에서 점화시기와 연료분사시기의 변경을 통하여 최적점화(Minimum advance for Best Torque; MBT)시기 및 최적 연료분사시기를 결정하였으며, 엔진이 충분히 Warm-up 된 상태에서 냉각수의 온도가 83±2℃에서 유지되도록 냉각수온 조절 시스템을 설정하였다. 전용 컨트롤러를 사용하여 E-EGR 밸브의 개로를 제어하여 목표 EGR율을 결정하였으며, EGR율의 측정은 가스분석기를 사용하여 측정한 CO 2 값을 이용하여 식 (1)로부터 산출하였다.
- 다채널 피에조 인젝터 드라이버와 컴퓨터에 의해 제어되는 Universal Engine Control System(ECS)를 사용하여 각 연소실로 공급되는 연료의 분사량과 분사 시기 및 분사회수를 임의로 조절이 가능하도록 하였다. 효율적인 Exhaust Gas Recirculation(EGR) 가스 공급 및 제어를 위한 여러 시스템을 추가하 였으며, 기존의 엔진에는 장착되어 있지 않은 EGR 모듈 적용을 위한 라인을 별도로 구성하였다. EGR 라인은 스로틀과 흡기매니폴드 사이에 어댑터를 가공 및 장착하여 연결되도록 하고, 정밀한 제어와 신속한 작동이 가능한 전자제어방식 EGR (E-EGR) 밸브와 EGR 쿨러를 사용하였다.
성능/효과
- (1) 분무유도방식의 GDI 엔진에서 다단분사전략을 이용하여 희박연소한계를 λ=3.5까지 확장 하여 안정적인 희박연소를 구현하였으며, 연료소비율을 이론공연비 대비 최대 13%까지 개선할수 있었다.
- (2) 연료소비율은 2단분사조건에서 가장 낮은 결과를 보였으며, 3단분사 조건에서는 매우 이른 시기에 분사되는 최초 분사연료가 연소를 통한 출력상승에 크게 기여하지 못하여 단분사의 경우 보다 연료소모율이 증가하였다.
- (3) 단분사 조건 및 3단분사 조건의 경우 공기 과잉률이 증가될수록 THC 배출이 큰 폭으로 증가하였으나, 2단분사 시 이론공연비 조건과 유사한 수준의 THC 배출을 유지한 상태에서 NOx 배출을 약 50% 정도 저감할 수 있었다.
- (4) 추가적인 NOx 저감을 위해 EGR을 적용하기는 어렵고 연료소비율 개선의 효과는 다소 감소되었다.
- 공기 과잉률을 희박한계조건인 λ=3.5까지 변화시킴에 따라 체적효율의 증가 및 펌핑손실의 감소로 연료소비율이 약 7%에서 최대 13%까지 감소되는 결과를 보였다.
- 본 실험의 운전조건에 해당하는 엔진부하에서 연료분사기간이 상대적으로 긴 단분사 만으로는 적절한 혼합기의 형성이 어렵고 다단분사가 효과 적임을 확인하였다. 상대적으로 농후한 혼합기의 λ=2.
- 상대적으로 농후한 혼합기의 λ=2.0 조건에서는 분사전략에 따른 영향은 관찰하기 어려웠으나, 공기과잉률이 증가됨에 따라 다단분사에 의한 연료의 성층과가 효과적으로 작용하여 5:5의 비율로 2단분사를 적용했을 때 가장 낮은 연료소비율을 보였다.
- 따라서 희박한계보다 약간 농후한 λ며 EGR을 적용하였다. 이때 적용가능한 최대 EGR율은 18.5%였으며, EGR율이 증가할수록 배기가스온도는 감소되고 흡기매니폴드 압력은 증가하였다. 최대 EGR율에서의 스로틀 개도와 흡기매니폴드의 압력은 희박한계 조건과 동일하였다.
- 일반적으로 희박연소시의 연료소비율은 연소안 정성과 관계가 깊기 때문에 3단분사 시 연료소비율 악화의 원인을 연소안정성에 의한 것으로 예상하였으나, Fig. 4에 나타난 것과 같이 희박연소시 단분사를 제외한 모든 조건에서 도시평균유효 압력(Indicated Mean Effective Pressure; IMEP)의변동율을 나타내는 COVIMEP 값이 5% 미만의 안정적인 연소가 구현되었다. 이것은 3단분사 적용시 악화된 연료소비율이 연소안정성과는 관계가 없음을 보여주는 매우 흥미로운 결과로 볼 수 있다.
- 희박한계조건에서 2단분사를 적용하여 안정적인 희박연소를 확보한 상황에서 연료소비율이 큰폭으로 개선되었으나, NOx 저감을 위한 별도의 후처리장치 없이 상용화하기에는 높은 NOx 배출 결과를 나타내었다. 이에 효과적인 배출가스저감을 위해 EGR을 적용하여 EGR 율에 따른 연소 및 배출가스특성을 비교하였다.
후속연구
- 급격한 THC 증가 경향은 일반적인 PFI방식의 가솔린엔진에 EGR을 적용한 경우와 비교했을 때 이례적인 결과로서,(14) 희박한 분위기에서 EGR 적용에 따른 희석효과가 초기 분사된 연료의 연소에 크게 영향을 미쳤기 때문으로 판단된다. THC 배출 증가와 동시에 연료소비율 악화를 감수하더라도 여전히 높은 수준의 NOx 배출 결과를 고려할 때 EGR의 적용이 배출 규제 만족을 위한 대안이 될 수 없으며, 높은 효율의 후처리시스템의 적용이 상용화에 가까운 성능을 보장할 수 있을 것으로 예상된다.
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