[논문]NOx와 PM 배출물 특성을 고려한 오프로드 디젤 엔진의 강건 설계에 관한 연구

정진은; 안중규

doi:10.5762/kais.2014.15.8.4729

NOx와 PM 배출물 특성을 고려한 오프로드 디젤 엔진의 강건 설계에 관한 연구
Study of Robust Design of a Off-road Diesel Engine considering Emission characteristics of NOx and PM 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.8, 2014년, pp.4729 - 4735

정진은 (한국기술교육대학교 기계공학부) , 안중규 (한국기술교육대학교 대학원 기계공학과)

초록
AI-Helper

적극적인 환경보호를 위해 그동안 상대적으로 소홀하였던 오프로드 엔진에 대한 배기가스 배출 규제가 강화되고 있다. 본 연구에서는 NOx와 PM 배출물 특성을 고려하여 오프로드 디젤 엔진의 강건 설계를 수행하였다. 이를 위하여 실험계획법에 따라 배출물 NOx와 PM의 측정 실험을 수행하고 다구찌 기법으로 망소 SN 비를 산출하고 분산 분석을 수행하였다. NOx와 PM 배출량에 영향을 미치는 제어 인잘로 인젝터 홀 수, 연료 분사 시기, EGR 율을 선택하였으며 각 제어 인자에 대하여 2 또는 3 수준을 고려하여 직교 배열표를 작성하였고, 이에 근거하여 실험을 수행하였다. 망소 SN 비를 산출하고 델타 통계량을 계산하였다. 저부하 운전 조건에서는 분사 시기가 NOx 배출량에 가장 큰 영향을 미치며, EGR 율이 PM 배출량에 가장 큰 영향을 미치는 결과를 얻었다. 제어 인자들에 대한 신뢰수준은 90% 이상이었다.

Abstract ▼ AI-Helper

To protect the environment, the regulation of emissions from off-road engines which are relatively neglected, is being reinforced. This paper deals with the robust design of off-road diesel engines considering the emission characteristics. Measurements of the NOx and PM levels based on the DOE were carried out. The injector hole number, injection timing and EGR rate were selected as the control factors. The orthogonal arrays table $L_9(3^3)$ was made from 2 or 3 levels for each factor and measurements of emissions were accomplished based on the table. The small-the-better SN ratio according to the Taguchi method was evaluated. The ANOVA (analysis of variance) for the SN ratio was conducted. The injection timing on the NOx emissions and the EGR rate on the PM have the largest effect on the low-load operation condition. The confidence levels of the control factors were more than 90%.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

NOx 배출량에 가장 큰 영향을 미치는 제어 인자는 분사 시기이므로 NOx 배출량이 가장 적게 발생하는 3번째 수준(4° ATDC)을 선택하고, PM 배출량에 가장 큰 영향을 미치는 제어 인자는 EGR 율이므로 PM 배출량이 가장 적게 발생하는 첫 번째 수준(EGR 율 10%)을 선택한다.
NOx 측정은 Horiba사의 MEXA-9100D EGR로 하였다. PM 분석을 위해 FSN(filter smoke number)을 활용하였으며, FSN은 AVL사의 Smoke Meter 415S로 측정하였다. 제어 인자 중 EGR 율의 경우 식 (1)을 사용하여 계산하였으며, EGR 듀티 값을 제어하여 원하는 값을 설정하였다[6].
실험에 사용된 엔진은 3,400 cc급의 오프로드용 디젤 엔진이며, 세부 제원은 Table 1과 같다. WGT(Waste Gate Turbocharging) 과급 방식을 택하였으며 과급된 공기가 인터쿨러(inter-cooler)를 거쳐 흡기 매니폴드로 유입되도록 실험 장치를 구성하였다.
디젤 엔진의 NOx와 PM 배출량에 영향을 미치는 인자는 다양하다. 그 중 본 실험에서는 인젝터 홀 수, 분사 시기 및 EGR 율을 제어 인자로 선택하였으며, 각각 2수준, 3수준, 3수준을 갖는다. 인자와 수준을 Table 2와 같이 설정하여 실험을 진행하였다.
PM 배출량 분석을 위해 Table 8과 같은 직교배열을 구성하고, 측정한 FSN(filter smoke number) 값을 외측 배열에 입력하였다. 그리고 Minitab을 이용하여 망소특성 SN 비를 구하였다.
본 연구에서 반응 특성치로 선택한 NOx와 PM의 배출량은 그 값이 작을수록 좋기 때문에 다구찌 기법의 손실함수 중 망소특성을 적용하여 SN 비를 도출하였다. 망소특성의 SN 비를 구하는 방법은 식 (3)과 같다.
본 연구에서는 실험 계획법 중 하나인 다구찌 기법을 사용하여 인젝터 홀 수, 분사 시기 및 EGR 율이 오프로드 디젤 엔진의 배기가스 NOx와 PM 배출 특성에 끼치는 영향과 상대적인 기여도를 분석하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
앞 절의 실험과 분석의 결과를 이용하여 오프로드 디젤엔진의 저부하 작동 조건에서의 NOx와 PM 배출을 동시에 고려한 최적 조건을 다음과 같이 선정하였다.
제어 인자로는 인젝터 홀 수, 연료 분사 시기 및 EGR 율을 선정하여 실험하였다. 이를 통하여 배출량이 뚜렷한 상반관계를 가진다고 알려진 NOx와 PM에 대해 해당 제어 인자가 미치는 영향의 민감도를 분석하여 강건 설계를 수행하였다.

대상 데이터

NOx 측정은 Horiba사의 MEXA-9100D EGR로 하였다. PM 분석을 위해 FSN(filter smoke number)을 활용하였으며, FSN은 AVL사의 Smoke Meter 415S로 측정하였다.
그러나 인젝터 홀 수가 5개에서 6개로 늘어날 때 NOx 배출량은 24% 증가하나 PM 배출량은 11% 감소하였다. 따라서 인젝터 홀 수 5개에서 PM 배출량이 많아지기는 하나 NOx 배출량 감소분이 더 크므로 인젝터 홀수 5개를 선택한다.
1에 나타내었다. 실험에 사용된 엔진은 3,400 cc급의 오프로드용 디젤 엔진이며, 세부 제원은 Table 1과 같다. WGT(Waste Gate Turbocharging) 과급 방식을 택하였으며 과급된 공기가 인터쿨러(inter-cooler)를 거쳐 흡기 매니폴드로 유입되도록 실험 장치를 구성하였다.
본 논문에서는 56 kW급 오프로드용 기계식 디젤 엔진의 연료 분사시기 등 제어 인자가 NOx와 PM 배출물 특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 다구찌 기법을 사용하였다. 제어 인자로는 인젝터 홀 수, 연료 분사 시기 및 EGR 율을 선정하여 실험하였다. 이를 통하여 배출량이 뚜렷한 상반관계를 가진다고 알려진 NOx와 PM에 대해 해당 제어 인자가 미치는 영향의 민감도를 분석하여 강건 설계를 수행하였다.

데이터처리

실험과 데이터 분석을 위하여 다구찌 기법을 사용하여 SN 비를 도출하고 기여도 파악과 분산 분석을 실시하였다.

이론/모형

본 논문에서는 56 kW급 오프로드용 기계식 디젤 엔진의 연료 분사시기 등 제어 인자가 NOx와 PM 배출물 특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 다구찌 기법을 사용하였다. 제어 인자로는 인젝터 홀 수, 연료 분사 시기 및 EGR 율을 선정하여 실험하였다.
)는 Table 3과 같다. 이때, 제어 인자 중 인젝터 홀 수의 경우 3수준이 아닌 2수준이므로, 2수준 중에서 6 홀을 세 번째 수준으로도 반복시키는 가수준법을 이용하였으며[7], 교호작용이 없다는 전제하에 실험의 배열을 지정하였다.

성능/효과

1) 본 연구에서 선택한 제어 인자들로 배기가스 측정 횟수를 2회로 실험할 경우 일반적인 실험 방법으로는 36번을 진행해야 하지만 다구찌 기법을 이용한 결과 18번의 실험을 수행하였다. 즉, 실험 횟수가 반으로 되어 실험에 소요되는 비용과 시간을 줄일 수 있었다.
2) 다구찌 기법에 따라 망소 SN 비를 산출하여 분석한 결과, 저부하 운전 조건에서는 NOx 배출량에 분사 시기가 큰 영향을 미치고, 인젝터 홀 수와 EGR 율은 상대적으로 작은 영향을 보이며, PM 배출량에 EGR 율이 큰 영향을 미치고, 인젝터 홀 수와 분사 시기는 상대적으로 작은 영향을 미치는 것을 밝혔다.
3) NOx과 PM 배출을 동시에 고려하여 인젝터 홀 수 5개, 분사 시기 4° ATDC, EGR 율 10% 을 최적 조건으로 선정하였다.
3에 나타내었다. PM 배출량에 대해서는 NOx 배출량과 달리 EGR 율의 기여도가 가장 큰 것으로 나타났으며, 분사 시기, 인젝터 홀 수 순으로 영향을 끼친다는 것을 확인할 수 있다.
인젝터 홀 수는 NOx와 PM 배출량에 큰 영향을 미치지 않았다. 그러나 인젝터 홀 수가 5개에서 6개로 늘어날 때 NOx 배출량은 24% 증가하나 PM 배출량은 11% 감소하였다. 따라서 인젝터 홀 수 5개에서 PM 배출량이 많아지기는 하나 NOx 배출량 감소분이 더 크므로 인젝터 홀수 5개를 선택한다.
017이다. 따라서 인젝터 홀 수와 EGR 율은 95% 신뢰수준에서 유의하며, 분사 시기는 90% 신뢰수준에서 유의함을 확인하였다.
망목 특성은 실린더 내경처럼 특정한 품질특성치의 목표치가 정해져 있는 경우에 사용하며, 망소 특성은 차량의 배기 소음과 같이 특성치가 작을수록 좋은 경우이다. 마지막으로, 망대 특성은 연비처럼 특성치가 클수록 좋은 경우이다. 또한, 데이터 분석 시 사용하는 SN 비는 신호 대 잡의 비율(signal-to-noise ratio)을 의미하며, 식 (2)와 같다[8].

후속연구

4) 본 연구에서 밝혀진 바와 같이 각각의 제어 인자들이 NOx와 PM 배출량에 미치는 영향의 정도가 다르며 서로 상반관계에 있기도 한다. 따라서 본 연구에서 다룬 제어 인자 외에도 배기가스 저감을 위한 다양한 기술들을 제어 인자로 추가하고 수준의 수를 늘려, 보다 합리적인 결과 도출이 필요한 것으로 판단되며, 이에 대한 연구는 추후에 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	오프로드 이동 오염원에서 발생하는 NOx와 PM은 국내 이동 오염원 배출량의 몇 %를 차지하는가?	환경오염과 인체에 대한 유해성으로 인해 자동차 배기가스에 대한 규제가 지속적으로 강화되고 있다. 2009년 국립환경과학원의 발표에 따르면 농업기계, 건설기계 등의 오프로드(off-road) 이동 오염원에서 발생하는 NOx와 PM이 국내 이동 오염원 총 배출량의 30%를 차지하고 있어 오프로드용 엔진 역시 배기가스 저감이 중요시 되고 있다. 이에 따라 국내에서 사용되는 농기계용 엔진에 대해 2015년부터 일괄적으로 Tier4 배기 규제가 적용될 예정이다[1].
	다구찌 기법은 무엇인가?	다구찌 기법(Taguchi method)은 생산 공정이나 제품 설계에 적용되어 생산의 질 혹은 제품의 기능을 저해하는 요소들의 영향을 최소화하기 위하여 고안된 방법이다[3]. 다구찌 기법은 실험계획법의 직교 배열 등이 사용되고, 신호 대 잡음(SN) 비가 도입되며 각종 응답치에 대해 제어 가능한 인자와 제어 불가능한 인자로 나눈 후 이에 대한 분석을 실시하여 응답치가 잡음에 대한 영향을 적게 받도록 하는 강건 설계를 가능하게 하며 다양한 분야에 적용되어 왔다[4,5].
	Tier4 배기 규제를 충족시키기 위한 디젤 엔진 배기가스 배출량 저감 장치에는 무엇이 있는가?	이에 따라 국내에서 사용되는 농기계용 엔진에 대해 2015년부터 일괄적으로 Tier4 배기 규제가 적용될 예정이다[1]. 이러한 배기 규제를 충족시키기 위해 디젤 엔진의 배기가스 배출량 저감을 위한 장치로는 EGR 시스템, 과급기 및 후처리 방식인 DPF와 SCR 장치 등이 있다[2].

참고문헌 (11)

T. V. Johnson, "Diesel Emission Control in Review", SAE 2006 World Congress & Exhibition, 2006
W. Knecht, "Diesel engine development in view of reduced emission standards", Energy, Vol.33, No.2, pp.264-271, 2008 DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2007.10.003

상세보기
G. S. Peace, Taguchi Methods : A Hands-on Approach to Quality Engineering, pp.1-12, Addison-Wesley Publishing Co., 1993
H. Y. Yoo, "A Study on the Forming Conditions of a Forging Piston by using the Finite Elements Simulation and the Taguchi Method," Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 13, No. 5, pp.1990-1995, 2012 DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.5.1990

원문보기 상세보기
J. Chung, J. Ahn, " A Study of Robust Design of FCM Gasket Using Taguchi Method," Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 14, No. 7, pp.3177-3183, 2013 DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2013.14.7.3177

원문보기 상세보기
M. Zheng, G. T. Reader and J. G. Hawley, "Diesel engine exhaust gas recirculation-a review on advanced and novel concepts", Energy Conversion and Management, 45, pp.883-900, 2004 DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S0196-8904(03)00194-8

상세보기
Y. J. Jeong, "A Case Study for Resolution of Variation and Determination of Optimum Conditions in Taguchi's Design of Experiments", MS Thesis, Chung-Ang University, 2002
G. Taguchi, Introduction to Quality Engineering, pp. 104-105, Asian Productivity Organization, 1986
S. H. Park and J. U. Kim, Modern Design of Experiments using MINITAB, pp.528-534, Minyoung Publishing Co., 2011
H. J. Gong, I. G. Hwang, A. H. Ko, C. L. Lee, S. S. Park, C. S. Lim, "Effect of EGR Rate and Injection Timing on the Characteristics of Exhaust Emissions in Light-duty Diesel Engine", Transactions of KSAE, Vol. 30, No. 3, pp.7-12, 2012 DOI: http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2012.20.3.007

원문보기 상세보기
J. Y. Heo, J. P. Cha, S. H. Yoon, C. S. Lee, "Effect of EGR Rate on Combustion and Emission Characteristics in a Single-cylinder Direct Injection Diesel Engine with Common-rail", Transactions of KSAE, Vol. 19, No. 2, pp.20-25, 2011

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증