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문제 정의
- 기존 디젤 인젝터에 DME 연료를 사용할 경우, 인젝터에서 복합적인 성능문제와 내구성 문제가 발생된다. 따라서 본 연구에서는 노즐의 주요 치수를 변경하여 재설계하고, 인젝터의 성능을 평가하였다.
- 기존 디젤 커먼레일 시스템에 DME 연료를 적용하기 위해서는 DME 연료의 특성을 고려한 설계 변경이 필요하다. 본 연구에서는 기존 커먼레일 시스템의 핵심부품인 인젝터와 연료펌프를 DME 연료의 특성에 맞도록 재설계하였다. 또한 인젝터 내부에 위치한 Sealing재를 HNBR 소재로 변경하고, 시제품을 제작하여 벤치 평가를 통한 성능시험을 수행하였다.
제안 방법
- Cavitation의 발생이 유효 유동면적과 분사 유량에 미치는 영향을 확인하기 위하여 인젝터 내부유동 해석을 통해 유량을 평가하였다. 1D 해석 프로그램인 AMESim을 사용하여 니들의 거동을 예측하였고, 3D 해석 프로그램인 STAR-CCM+와 연계하여 해석을 진행하였다. Cavitation은 노즐의 입구부에서 급격하게 발생하였고, 유효 유동면적의 감소로 최대 리프트에서 DME 의 유량이 디젤 대비 4.
- 2.9 리터급 트럭에 DME 커먼레일 엔진을 장착하기 위해 커먼레일 시스템을 일부 수정하여 DME 트럭을 시제작하였고, 새롭게 개발된 DME 트럭의 차량시험을 통해 연비 및 주행 성능 연구를 수행하였다.
- DME는 디젤 대비 끓는 점이 낮기 때문에 정압이 낮고, 유속이 빠른 인젝터 노즐의 입구부에서 cavitation의 급격한 발생이 예상된다. Cavitation의 발생이 유효 유동면적과 분사 유량에 미치는 영향을 확인하기 위하여 인젝터 내부유동 해석을 통해 유량을 평가하였다. 1D 해석 프로그램인 AMESim을 사용하여 니들의 거동을 예측하였고, 3D 해석 프로그램인 STAR-CCM+와 연계하여 해석을 진행하였다.
- DME 고압연료펌프 시제품에 대한 성능 평가를 위해 편심 캠 타입의 고압연료펌프 시제품을 제작하였고, 입구 IMV를 정상개방 조건으로 설정하여 토출유량을 측정하였다. 연료 레일압 400 rpm(40 MPa)에서 펌프 토출유량은 15.
- DME 엔진의 매핑 데이터를 DME 차량의 실차 토크 제어로직에 적용하여 차량 매핑을 통한 주행 성능을 확보하였고, Fig. 21과 같이 NEDC 시험 모드를 통해 차량의 성능 평가를 수행하였다. 그 결과 냉시동 로직에 의한 단발시동이 가능하였고, 최고 시속 120 km/h로 주행이 가능하였다.
- DME 연료탱크로부터 자동밸브 및 연료필터를 거쳐 DME 연료가 고압연료펌프로 공급되는 과정에서 연료의 기화 방지와 지속적인 액상 공급을 위해 피드펌프 및 레귤레이터를 사용하여 연료용기압력보다 약 0.7 MPa 정도 높게 가압하여 연료를 공급하도록 설계하였다. 또한 연료라인 내의 맥동을 방지하기 위해 고압연료펌프 전단에 어큐뮬레이터를 설치하였고, 고압연료펌프의 내구성을 위해 마이크로 필터와 체크밸브를 장착하였다.
- DME 커먼레일 엔진에는 새롭게 개발한 DME 커먼레일 시스템과 DME 엔진의 최적 성능 구현을 위한 ECU 시스템을 개발하였다. 주요 개발 내용으로 모델 기반의 제어 알고리즘을 바탕으로 엔진 캘리브레이션이 가능하고, 솔레노이드 타입의 인젝터를 제어하는 별도의 인젝터 드라이버를 포함하고 있다.
- DME 커먼레일 엔진의 동력성능과 배기성능을 평가하기 위해 엔진동력계 성능시험을 수행하였다.
- DME 커먼레일 엔진의 배기 성능과 EGR율에 따른 배출가스 특성을 평가하기 위해 촉매(DOC) 전단에서 배출된 배기가스를 측정하였다. Fig.
- DME 커먼레일 인젝터 시제품의 성능평가를 위해 CFD 해석을 수행하였고, 분무형상 해석과 내부 유동 해석을 통해 DME 커먼레일 인젝터의 성능을 평가하였다.
- 또한 연료라인 내의 맥동을 방지하기 위해 고압연료펌프 전단에 어큐뮬레이터를 설치하였고, 고압연료펌프의 내구성을 위해 마이크로 필터와 체크밸브를 장착하였다. 공급된 DME 연료는 고압연료펌프에 설치된 IMV에 의해 설정된 연료압력이 유지되도록 설계하였다. 그리고 분사되고 남은 인젝터의 리턴연료는 냉각장치를 거쳐 연료탱크로 유입되도록 설계하였다.
- 공급된 DME 연료는 고압연료펌프에 설치된 IMV에 의해 설정된 연료압력이 유지되도록 설계하였다. 그리고 분사되고 남은 인젝터의 리턴연료는 냉각장치를 거쳐 연료탱크로 유입되도록 설계하였다. 이러한 DME 커먼레일 연료시스템의 개략도는 Fig.
- 따라서 고압 연료펌프의 플런저 직경(Plunger Bore)을 증가시키고, 압축성을 가지는 연료 특성과 누설 특성을 고려한 토출압 확보를 위해 스트로크(Stroke)를 디젤보다 증가시켰다. 그리고 플런저의 충분한 스트로크를 위해 편심 캠(Eccentric cam) 또는 프로파일 캠(Profile cam)이 적절한 캠 리프트를 가지도록 설계하고, 누설 방지를 위해 플런저 표면처리를 통해 표면조도를 향상시켰다.
- 기존 고압연료펌프와 비교해 플런저의 누설을 최소화 하는 10μm의 간극으로 체크 밸브의 내구성능을 강화하고, 스트로크 수와 스프링 상수, 두께를 증가시켰다.
- 또한 엔진동력계 실험을 통해 시제작 엔진의 동력성능과 배기성능을 분석하고, 엔진제어로직 개발 및 ECU 매핑을 수행하였다. 더불어 새롭게 개발한 DME 커먼레일 엔진을 적용하여 2.9리터급 DME 트럭을 개발하고, 이에 따른 차량시험을 통한 주행성 능과 연비성능을 분석, 확인하였다.
- 동력 성능평가는 DME 커먼레일 엔진의 차량적용을 위한 실험 단계로써, DME 커먼레일 시스템과 DME 전용 ECU 시스템을 이용하여 연구를 수행하였다. 그 결과 900 rpm ~ 3,300 rpm의 전부하영역에서 베이스 디젤엔진 대비 DME 엔진의 동력성능은 평균 90% 수준으로 확보할 수 있었다.
- DME 커먼레일 시스템에 적용되는 고압연료펌프의 토출유량의 결정은 기존 디젤 엔진의 출력을 고려하여 토출유량을 확보하기 위한 재설계가 필요하다. 따라서, 기존과 동등한 출력을 위한 토출유량을 확보하기 위해 고압연료펌프의 주요 치수를 변경하여 재설계하고, 그에 따른 성능평가를 수행하였다.
- 또한 DME 엔진의 부하에 따른 연소실 압력, 엔진 성능, 배출가스 수준 등을 고려하여 분사시기 및 분사기간 등의 최적화를 통해 냉시동성 개선 매핑을 완료하였다.
- 20과 같이 연료탱크는 짐칸 상부에 설치하였고, 하부에는 DME 연료공급장치를 설치하였다. 또한 DME 차량의 기동정지 및 데이터 저장장치를 조수석 앞쪽에 설치하여 운전성과 편의성을 확보하였다. Table 3은 개발된 DME 차량의 제원을 나타내고 있다.
- 주요 개발 내용으로 모델 기반의 제어 알고리즘을 바탕으로 엔진 캘리브레이션이 가능하고, 솔레노이드 타입의 인젝터를 제어하는 별도의 인젝터 드라이버를 포함하고 있다. 또한 ECU 맵핑을 통해 연료량, 연료압력, 분사 시기, 분사기간, 다단분사, 부스트압력, EGR율(EGR Valve Position[%]) 등의 변경이 가능하도록 설계하였다. Fig.
- 최종 선정된 Type A는 레일 압력이 40 MPa인 경우 Base 인젝터 대비 약 65%의 유량 증가를 보였고, 분사압력이 커질수록 연료량이 증가하는 특성을 가진다. 또한 다기통 엔진에 적용되는 인젝터 간의 연료분사량의 편차를 확인하여 보다 정확한 평가를 위해 동일 제어기로 인젝터를 변경하면서 성능시험을 수행하였다. 디젤유를 이용한 인젝터의 연료분사량 편차를 확인한 결과 40 MPa에서 3.
- 또한 엔진동력계 실험을 통해 시제작 엔진의 동력성능과 배기성능을 분석하고, 엔진제어로직 개발 및 ECU 매핑을 수행하였다. 더불어 새롭게 개발한 DME 커먼레일 엔진을 적용하여 2.
- 7 MPa 정도 높게 가압하여 연료를 공급하도록 설계하였다. 또한 연료라인 내의 맥동을 방지하기 위해 고압연료펌프 전단에 어큐뮬레이터를 설치하였고, 고압연료펌프의 내구성을 위해 마이크로 필터와 체크밸브를 장착하였다. 공급된 DME 연료는 고압연료펌프에 설치된 IMV에 의해 설정된 연료압력이 유지되도록 설계하였다.
- 본 연구에서는 기존 커먼레일 시스템의 핵심부품인 인젝터와 연료펌프를 DME 연료의 특성에 맞도록 재설계하였다. 또한 인젝터 내부에 위치한 Sealing재를 HNBR 소재로 변경하고, 시제품을 제작하여 벤치 평가를 통한 성능시험을 수행하였다.
- 크랭크 상태 제어는 엔진의 시동성을 위해 엔진 회전수와 냉각수 온도를 기반으로 제어한다. 런 상태 제어는 엔진의 정상 운전을 위해 엔진 회전 속도와 가속페달, 냉각수 온도 등을 기반으로 제어 하며, 이를 통해 동력 및 배기성능 그리고 운전성 및 정숙성 등을 요구범위 이내로 제어할 수 있으며, Fig. 17과 같이 다단분사 로직을 적용하여 최대 5단분사가 가능하도록 설계하였다.
- 본 연구를 통해 개발된 DME 인젝터와 고압연료 펌프를 적용한 DME 커먼레일 엔진을 시제작하고, 엔진 성능시험과 제어로직 개발 및 ECU 매핑을 수행하였다.
- 본 연구를 통해 개발된 DME 커먼레일 시스템을 2.9 리터급 트럭에 적용하기 위해, Fig. 20과 같이 연료탱크는 짐칸 상부에 설치하였고, 하부에는 DME 연료공급장치를 설치하였다. 또한 DME 차량의 기동정지 및 데이터 저장장치를 조수석 앞쪽에 설치하여 운전성과 편의성을 확보하였다.
- 본 연구를 통해 개발된 DME 커먼레일 인젝터와 고압연료펌프의 시제품에 대한 성능평가를 위해 벤치 평가 시스템을 개발하여 성능평가를 수행하였다.
- 본 연구에서는 DME 커먼레일 엔진의 연소실 압력, 엔진 성능, 배출가스 수준 등을 고려하여 크랭킹 상태(Cracking state), 런 상태(Run state), 스톨 상태(Stall state)에 따라 ECU 제어로직을 구성하였다. Fig.
- 본 연구에서는 Fig. 7과 같이 유량확보를 위해 2개의 캠과 2개의 스트로크/캠을 이용한 대유량 컨셉의 고압연료펌프를 개발하였다. 기존 고압연료펌프와 비교해 플런저의 누설을 최소화 하는 10μm의 간극으로 체크 밸브의 내구성능을 강화하고, 스트로크 수와 스프링 상수, 두께를 증가시켰다.
- 스톨 상태 제어는 연료 분사기간과 목표 레일압, EGR 밸브 개도, WGT 제어 등을 모두 0으로 하고, 이를 통해 엔진에 회적력이 발생하지 않도록 제어하였다. 크랭크 상태 제어는 엔진의 시동성을 위해 엔진 회전수와 냉각수 온도를 기반으로 제어한다.
- 개발된 DME 인젝터에 디젤과 DME를 적용하여 분무패턴 해석을 수행하였다. 연료 공급압력 35MPa, 분위기 압력 5MPa로 설정하여 분사패턴 해석을 수행하고, 각 연료의 연소실내 거동 및 분포특성을 분석하였다. 연소실내의 분위기 압력이 낮고 연료 공급 압력이 높을수록 도달거리는 증가하였고, 분무 초기 입자의 분열은 분무속도에 의한 영향력이 지배적인 것으로 확인되었다.
- 이러한 관점에서 본 연구는 기존 커먼레일 시스템의 인젝터와 고압연료펌프의 설계를 변경하여 DME 커먼레일 인젝터와 고압연료펌프의 시제품을 개발하고, 성능시험을 통한 우수한 시제품을 선정하여 DME 커먼레일 엔진을 시제작하였다.
- 이를 통해 선정된 시제품을 DME 커먼레일 엔진에 적용하여 엔진 성능시험을 수행하고, 엔진 제어로직 개발과 ECU 매핑을 수행하였다. 이를 통해 DME 커먼레일 시스템을 장착한 2.9 리터급 DME 트럭을 개발하였고, 차량실험을 통해 연비 및 주행성능을 분석 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 친환경 대체연료인 DME 연료를 사용하는 차량 개발을 위해 DME 커먼레일 시스템의 주요 구성품인 인젝터와 고압연료펌프를 재설계하여 시제품을 제작하고, 각 제품의 성능시험을 수행하였다. 이를 통해 선정된 시제품을 DME 커먼레일 엔진에 적용하여 엔진 성능시험을 수행하고, 엔진 제어로직 개발과 ECU 매핑을 수행하였다. 이를 통해 DME 커먼레일 시스템을 장착한 2.
- 제어기는 Peak&Hold 방식 솔레이노이드 인젝터 구동 드라이버와 PCV 제어기를 사용하고, 레일압력 변화에 따른 분사량, 분사율, 레일의 연료 맥동특성을 제어한다.
- 친환경 대체연료인 DME 연료를 사용하는 차량 개발을 위해 DME 커먼레일 시스템의 주요 구성품인 인젝터와 고압연료펌프를 재설계하여 시제품을 제작하고, 각 제품의 성능시험을 수행하였다. 이를 통해 선정된 시제품을 DME 커먼레일 엔진에 적용하여 엔진 성능시험을 수행하고, 엔진 제어로직 개발과 ECU 매핑을 수행하였다.
- 펌프의 최대 토출 압력 선정을 위해 플런저 구조 해석을 수행하였다. 플런저 길이에 따른 플런저 변위를 유한요소법에 기반하여 해석하면, 플런저 로드와 캠의 압력 면 사이에서 최대응력(Von-Mises)이 발생한다.
- 한편 벤치 평가를 통해 평가된 인젝터를 DME 커먼레일 성능시험 장치에 장착한 후, 인젝터의 분사율 특성과 연료 레일의 압력 맥동 특성을 분석하였다. 단일 분사시 분사율은 Fig.
데이터처리
- 개발된 DME 인젝터에 디젤과 DME를 적용하여 분무패턴 해석을 수행하였다. 연료 공급압력 35MPa, 분위기 압력 5MPa로 설정하여 분사패턴 해석을 수행하고, 각 연료의 연소실내 거동 및 분포특성을 분석하였다.
- 3은 시간에 따른 디젤과 DME의 분무 발달을 보여준다. 인젝터 분사 패턴 해석의 신뢰성 확보를 위해 동일 조건의 가시화 실험과 비교하였다. Fig.
이론/모형
- 본 연구에서는 기존 인젝터에 DME 연료를 사용할 때 발생하는 문제들을 해결하기 위해 Fig. 1의 노즐 홀 설계를 위한 노즐유동모델(Nozzle flow model)을 사용하였다.5) 이 모델은 노즐 유로의 각 상태점에서의 압력과 속도를 경험식으로부터 계산하는 식으로 노즐의 주요 설계인자인 노즐 출구에서의 유효 속도(Effective velocity), 유효직경(Effective diameter) 그리고 유량계수(Discharge coefficient)를 결정할 수있다.
- 제어기는 Peak&Hold 방식 솔레이노이드 인젝터 구동 드라이버와 PCV 제어기를 사용하고, 레일압력 변화에 따른 분사량, 분사율, 레일의 연료 맥동특성을 제어한다. 한편 인젝터 분사조건 변화에 따른 분사율 특성을 위해 Bosch tube법을 사용하였다.
성능/효과
- 1) DME 커먼레일 시스템의 성능시험 결과, 분사시간 1.0 ms 조건에서 분사율 특성은 디젤 연료 대비 응답성이 약 0.045 ms 지연되고, 최대 분사율은 44.3 mm3/ms로 확인되었다.
- 2) DME 커먼레일 엔진의 출력 성능시험 결과, 900 rpm ~ 3,300 rpm의 전부하영역에서 베이스 디젤 엔진 대비 평균 90% 수준을 확보하였다.
- 3) DME 커먼레일 엔진의 배기 성능시험 결과, BMEP 2.0 bar 조건에서 CO는 EGR 30%에서 디젤엔진 대비 80% 수준이며, EGR 40%에서는 동등한 수준이고, THC와 NOx도 디젤엔진과 동등 수준임을 확인할 수 있었다.
- 4) DME 커먼레일 엔진의 제어로직은 크랭킹 상태(Cracking state), 런 상태(Run state), 스톨 상태(Stall state)에 따라 ECU 제어로직 구조가 변경되도록 구성하였다. 또한 매핑을 위해 분사시기, 분사기간 및 연료량 등을 최적화하고, 냉각수 온도에 따라 예열플러그의 작동시간, 연료량, 레일압력의 최적화를 통해 냉시동성 개선 매핑을 확보할 수 있었다.
- 5) NEDC 시험 모드를 통한 DME 개발 차량의 주행 및 연비 성능시험 결과, 냉시동 및 단발시동이 가능하였고 최고 시속 120 km/h임을 확인하였다. 또한 카본발란스법에 의거하여 개발된 DME 차량의 연비는 5.
- 1D 해석 프로그램인 AMESim을 사용하여 니들의 거동을 예측하였고, 3D 해석 프로그램인 STAR-CCM+와 연계하여 해석을 진행하였다. Cavitation은 노즐의 입구부에서 급격하게 발생하였고, 유효 유동면적의 감소로 최대 리프트에서 DME 의 유량이 디젤 대비 4.73%감소하였다.
- 동력 성능평가는 DME 커먼레일 엔진의 차량적용을 위한 실험 단계로써, DME 커먼레일 시스템과 DME 전용 ECU 시스템을 이용하여 연구를 수행하였다. 그 결과 900 rpm ~ 3,300 rpm의 전부하영역에서 베이스 디젤엔진 대비 DME 엔진의 동력성능은 평균 90% 수준으로 확보할 수 있었다.
- 21과 같이 NEDC 시험 모드를 통해 차량의 성능 평가를 수행하였다. 그 결과 냉시동 로직에 의한 단발시동이 가능하였고, 최고 시속 120 km/h로 주행이 가능하였다. 또한 운전자의 주행감(drivability)을 확보하는 차량 매핑을 수행하였고, 카본발란스법(Carbon Balance Method)에 의거하여 계산된 DME 차량의 연비는 5.
- 한편 벤치 평가를 통해 평가된 인젝터를 DME 커먼레일 성능시험 장치에 장착한 후, 인젝터의 분사율 특성과 연료 레일의 압력 맥동 특성을 분석하였다. 단일 분사시 분사율은 Fig. 11과 같으며, 분사시간 1.0 ms 조건에서 분사율 특성을 확인한 결과 DME 연료가 디젤 연료 대비 응답성이 약 0.045 ms 지연되고, 최대 분사율은 44.3 mm3/ms 로 나타났다.
- 또한 다기통 엔진에 적용되는 인젝터 간의 연료분사량의 편차를 확인하여 보다 정확한 평가를 위해 동일 제어기로 인젝터를 변경하면서 성능시험을 수행하였다. 디젤유를 이용한 인젝터의 연료분사량 편차를 확인한 결과 40 MPa에서 3.9 mg으로 약 15% 편차가 존재했으나, ECU 제어를 통해 이를 보정하였다.
- 4) DME 커먼레일 엔진의 제어로직은 크랭킹 상태(Cracking state), 런 상태(Run state), 스톨 상태(Stall state)에 따라 ECU 제어로직 구조가 변경되도록 구성하였다. 또한 매핑을 위해 분사시기, 분사기간 및 연료량 등을 최적화하고, 냉각수 온도에 따라 예열플러그의 작동시간, 연료량, 레일압력의 최적화를 통해 냉시동성 개선 매핑을 확보할 수 있었다.
- 그 결과 냉시동 로직에 의한 단발시동이 가능하였고, 최고 시속 120 km/h로 주행이 가능하였다. 또한 운전자의 주행감(drivability)을 확보하는 차량 매핑을 수행하였고, 카본발란스법(Carbon Balance Method)에 의거하여 계산된 DME 차량의 연비는 5.7 km/L로써 디젤 베이스 차량의 연비인 11.0 km/L의 48% 수준임을 확인하였다. 이는 DME 연료의 저위발열량(MJ/kg)이 디젤 대비 35% 정도 낮아서, 디젤과 동등한 동력성능을 유지하기 위해 연료의 사용량이 증가한 것으로 판단된다.
- 5) NEDC 시험 모드를 통한 DME 개발 차량의 주행 및 연비 성능시험 결과, 냉시동 및 단발시동이 가능하였고 최고 시속 120 km/h임을 확인하였다. 또한 카본발란스법에 의거하여 개발된 DME 차량의 연비는 5.7 km/L임을 확인할 수 있었다.
- DME 연료는 디젤 연료와 비교하여 저위발열량 및 에너지 밀도가 낮기 때문에 디젤엔진과 동등한 동력 성능을 유지하기 위해서는 연료량을 증대시켜야 한다. 본 연구에서 개발된 DME 커먼레일 엔진은 Fig. 18에서와 같이 저속 저부하 영역에서는 1.7 배 정도의 연료가 증가되었고, 고속 고부하로 갈수록 2 배 이상의 연료가 증가됨을 확인하였다.
- 연료 공급압력 35MPa, 분위기 압력 5MPa로 설정하여 분사패턴 해석을 수행하고, 각 연료의 연소실내 거동 및 분포특성을 분석하였다. 연소실내의 분위기 압력이 낮고 연료 공급 압력이 높을수록 도달거리는 증가하였고, 분무 초기 입자의 분열은 분무속도에 의한 영향력이 지배적인 것으로 확인되었다. DME의 도달거리는 디젤 대비 11% 감소하는데, 이것은 DME 연료의 낮은 표면장력과 휘발성으로 인해 분사 초기 모멘텀이 급격히 감소한 것으로 보인다.
- 10과 같다. 최종 선정된 Type A는 레일 압력이 40 MPa인 경우 Base 인젝터 대비 약 65%의 유량 증가를 보였고, 분사압력이 커질수록 연료량이 증가하는 특성을 가진다. 또한 다기통 엔진에 적용되는 인젝터 간의 연료분사량의 편차를 확인하여 보다 정확한 평가를 위해 동일 제어기로 인젝터를 변경하면서 성능시험을 수행하였다.
후속연구
- 6) 향후 ECU 제어로 연료분사를 최적화하는 전략을 개발하고, DME 인젝터의 성능향상을 위한 해석 및 성능평가, 최적 설계를 병행함으로써 고연비 고효율의 DME 차량을 개발하고자 한다.
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