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문제 정의
- 그리고 LP-EGR cooler 설치를 통해 EGR 온도를 충분히 낮추고 압축기의 효율을 높이고자 하였다. Cooler 쪽 내경 역시 관로 손실을 최소화하기 위해 EGR Valve와 같은 관경을 적용하였다.
- 본 연구에서는 6.0L Wastegate 사양의 터보차저가 장착된 HDDI(Heavy Duty Direct Injection) 엔진을 이용하여 연료소비율 개선을 위한 HP, LP-EGR의 운전전략을 수립하고자 하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같다.
- 실험은 6.0L HP-EGR system을 갖춘 당사의 DL06엔진에 다량의 EGR 공급을 구현하기 위한 목적으로 LP-EGR을 추가 적용하였다. 또한 LP-EGR의 효율을 극대화하기 위해 IPCV(흡기압력조절밸브)를 적용함으로써 엔진을 개선하였다.
제안 방법
- 1) 저온연소의 안적정인 구현이 가능한 고압, 저압 배기재순환 시스템을 엔진에 적용하여 저온연소 엔진을 구축하였다.
- 2) 저온연소 엔진의 연료소비율 개선을 위한 최적 EGR 운전전략을 수립하였다. EGR 운전전략은 부하와 연소모드에 따라 나뉜다.
- 50% load 이하의 저온연소 운전조건에서 EGR 운전전략을 연료소비율 측면에서 살펴보았다. 저온연소 운전조건에서의 EGR 운전전략은 저부하, 중부하의 전략으로 나눌 수 있다.
- 운전 조건 별로 변화시키는 요소는 다르다. Fig. 11과 같이 50% load 이하의 저온연소 운전조건에서는 HP-EGR valve duty와 IPCV valve duty를 변화시키며 일정한 EGR율을 유지하며 결과값을 측정하였다. 이는 IPCV를 통해 저온연소 구현을 위해 다량의 EGR을 안정적으로 공급함과 동시에 LP-EGR의 비중을 효율적으로 조절하기 위함이었다.
- 7에서 보이는 바와 같이 실제 엔진에 EGR 시스템의 Layout을 검토를 진행하였다. LP-EGR 은 후처리 DOC 후단에서 배기가스를 추출하여 흡기 Compressor의 전단에서 신기와 합류하도록 하였다.
- 고부하 일반디젤연소 조건에서의 EGR율은 약 25%로 설정하여 실험을 진행하였다. 해당 EGR율은 HP/LP-EGR의 동시 사용만으로도 안정적으로 공급할 수 있는 수준이다.
- 12) 저온연소 운전영역을 최대 51% load까지 확장을 하였으며, 이에 본 실험에서도 저온연소 운전영역의 한계를 50%로 설정하였다. 그 이상의 부하에서는 일반 디젤연소의 운전조건을 설정하여 실험을 진행하였다. Fig.
- 기존의 HP-EGR에 LP-EGR을 추가 적용한 시스템의 EGR율을 1-D Wave를 통해 평가하였다. Fig.
- 해당 EGR율은 HP/LP-EGR의 동시 사용만으로도 안정적으로 공급할 수 있는 수준이다. 따라서 고부하 일반디젤연소 조건에서는 IPCV 사용을 배제하고, HP-EGR과 LP-EGR만으로 EGR의 운전전략을 평가하였다.
- 0L HP-EGR system을 갖춘 당사의 DL06엔진에 다량의 EGR 공급을 구현하기 위한 목적으로 LP-EGR을 추가 적용하였다. 또한 LP-EGR의 효율을 극대화하기 위해 IPCV(흡기압력조절밸브)를 적용함으로써 엔진을 개선하였다. Table 1은 엔진 제원이며, Fig.
- 0L Wastegate 사양의 터보차저가 장착된 HDDI(Heavy Duty Direct Injection) 엔진을 이용하여 HP, LP-EGR 시스템을 구축하였다. 또한 엔진의 운전영역 및 연소조건을 저온연소와 일반디젤연소로 구분한 뒤, 연료소비율 개선을 위한 HP/LP-EGR의 운전전략을 수립하였다.
- 저온연소의 안정적인 구현을 위해 기존의 HP-EGR 만을 적용한 엔진에 LP-EGR을 추가로 적용하였다. 또한 저온연소가 가능한 EGR율을 50%로 설정하고, 0-D와 Fig. 3과 같이 1-D Wave를 이용하여 LP-EGR 최적화를 진행하였다.
- 반면에 Fig. 12와 같이 50% load 이상의 일반디젤 연소조건에서는 HP-EGR과 LP-EGR의 valve duty를 변화시키며 목표 EGR율로 고정하였다. 일반디젤연소 조건에서는 다량의 EGR이 필요하지 않기 때문에 IPCV는 사용하지 않고 최대로 열어 두었다.
- 실험은 동일한 EGR율에서 HP-EGR과 LP-EGR의 비중에 따라 변화되는 양상을 측정하는 방법으로 진행하였다.
- 앞서 설정한 저온연소 운전영역을 바탕으로, 운전 조건별로 상이한 부하 별 EGR 영역에서 실험을 진행하였다. 저온연소 영역에 해당되는 50% load 이하의 출력에서는 다량의 EGR 영역인 50% EGR 율로, 50% load를 초과하는 부하에서는 부하에 따라 각각25% EGR 율에서 실험을 진행하였다.
- 위의 1-D에서 도출한 설계안을 바탕으로 3-D 설계를 통해 Fig. 7에서 보이는 바와 같이 실제 엔진에 EGR 시스템의 Layout을 검토를 진행하였다. LP-EGR 은 후처리 DOC 후단에서 배기가스를 추출하여 흡기 Compressor의 전단에서 신기와 합류하도록 하였다.
- 이에 본 논문에서는 6.0L Wastegate 사양의 터보차저가 장착된 HDDI(Heavy Duty Direct Injection) 엔진을 이용하여 HP, LP-EGR 시스템을 구축하였다. 또한 엔진의 운전영역 및 연소조건을 저온연소와 일반디젤연소로 구분한 뒤, 연료소비율 개선을 위한 HP/LP-EGR의 운전전략을 수립하였다.
- 앞서 설정한 저온연소 운전영역을 바탕으로, 운전 조건별로 상이한 부하 별 EGR 영역에서 실험을 진행하였다. 저온연소 영역에 해당되는 50% load 이하의 출력에서는 다량의 EGR 영역인 50% EGR 율로, 50% load를 초과하는 부하에서는 부하에 따라 각각25% EGR 율에서 실험을 진행하였다.
- 저온연소와 일반디젤연소 영역에서의 EGR 운전 전략을 수립하기 위한 본 연구의 실험에 앞서, 저온 연소의 운전영역을 설정하였다.
- 저온연소의 안정적인 구현을 위해 기존의 HP-EGR 만을 적용한 엔진에 LP-EGR을 추가로 적용하였다. 또한 저온연소가 가능한 EGR율을 50%로 설정하고, 0-D와 Fig.
- 중부하(50% load) 저온연소에서 EGR에 따른 BSFC 경향을 조금 더 명확히 관찰하기 위해 Fig. 16과 같이 1400rpm 50% load 보다 더 유량이 많은 1800rpm 50% load의결과를 살펴보았다. 1800rpm에서는 1400rpm에 비해 터빈으로 유입되는 배기유량이 많아 HP-EGR의 비중을 줄여도 EGR 공급 및 출력 유지가 수월하여 많은 실험 데이터를 확보할 수 있었다.
대상 데이터
- 계산 결과 필요한 최소 LP-EGR 관경은 48.9mm 였으며, EGR valve 내경과 함께 파이프 관경을 50mm로 선정하였다.
이론/모형
- LP-EGR 관경은 실험값으로부터 획득한 50% EGR율 달성에 필요한 최소 EGR 유량을 Boundary condition으로 식 (1)의 베르누이 방정식을 이용해 유속을 계산하였다. 이를 식 (2)의 유량식에 대입하여 필요한 관경을 계산하였다.
성능/효과
- 8은 이전의 연구에서 도출한 저온연소 운전 영역을 확장에 관한 그림이다.12) 저온연소 운전영역을 최대 51% load까지 확장을 하였으며, 이에 본 실험에서도 저온연소 운전영역의 한계를 50%로 설정하였다. 그 이상의 부하에서는 일반 디젤연소의 운전조건을 설정하여 실험을 진행하였다.
- 16과 같이 1400rpm 50% load 보다 더 유량이 많은 1800rpm 50% load의결과를 살펴보았다. 1800rpm에서는 1400rpm에 비해 터빈으로 유입되는 배기유량이 많아 HP-EGR의 비중을 줄여도 EGR 공급 및 출력 유지가 수월하여 많은 실험 데이터를 확보할 수 있었다.
- 3) 최종 수립한 EGR 운전전략을 바탕으로 Fine Calibration을 진행한 결과, Tier4Final 배기규제를 만족한 상태에서 연비를 2.01% 개선하였다.
- 이는 BSFC 개선에 긍정적인 요소이다. BSFC에 미치는 두 가지 요소의 상관관계에 따라 최종 BSFC가 결정되는데, 저부하에서는 그림과 같이 LP-EGR의 비중이 HP-EGR보다 상대적으로 높을 때, BSFC 가 개선되는 것을 알 수 있다. 이는 저부하에서는 배기 유량이 터보차저 효율을 충분히 끌어내기에 부족하기 때문이다.
- 기존의 HP-EGR에 LP-EGR을 추가 적용한 시스템의 EGR율을 1-D Wave를 통해 평가하였다. Fig. 5의 결과와 같이 HP/LP-EGR을 통해 EGR율을 45% load에서 50.8%까지 공급 가능하였으며, 총 EGR율에서 LP-EGR loop로 공급 가능한 EGR율은 약 24.5%였다.
- HP-EGR valve duty를 줄이면서 LP-EGR의 비중을 높이기 위해 IPCV를 닫으면 충분한 EGR율이 확보되지 않을 뿐 아니라, Throttling 효과로 인해 신기가 충분히 공급되지않아 출력 역시 저하되었다.
- 6은 HP-EGR 유량을 100으로 하였을 때, EGR 유로 개선 전후의 LP-EGR 유량을 나타낸 그래프이다. LP-EGR cooler를 장착하지 않고, LP-EGR 관경 역시 최적화되지 않은 엔진에서 실험하여 측정한 HP/LP-EGR 유량과 LP-EGR cooler를 장착한 시스템의 1-D 계산값을 비교한 결과, 전체 EGR에서 LP-EGR의 유량이 차지하는 비율이 비약적으로 증가하는 것으로 나타났다.
- 중부하 저온연소 운전조건에서는 앞선 1400rpm 와 마찬가지로 HP-EGR Valve duty를 최대로 열어야 BSFC가 개선되었다. 앞서 실험방법에서 언급한 바와 같이 저온연소 운전조건에서는 LP-EGR valve를 최대로 열고, IPCV로 LP-EGR의 비중을 조절하였다.
- 최종 수립한 저온연소 엔진의 연료소비율 개선을 위한 EGR 운전 전략을 바탕으로 Fine Calibration을 진행한 결과, NRSC 모드 기준으로 NOx와 PM 모두 Tier4Final 규제를 만족하였으며, 연비를 Base엔진 대비2.01% 개선하였다.
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