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문제 정의
- 저온 연소기술은 NOx와 PM을 동시에 저감할 수 있는 기술1)이지만, 미연탄화수소와 일산화탄소를 다량으로 배출하고, 높은 EGR(Exhaust Gas Recirculation)율 사용으로 출력에 제한 및 연료소비율 손실이 뒤따르는 문제점이 있다. 본 논문은 대형디젤엔진에서 저온연소기법을 적용하여 실용화관점에서 최적화하는 실험적연구에 관한 내용이다.
- 연구를 통하여 대형디젤엔진에서 시스템적으로 적합한 저온연소 운전 전략을 수립하였고 이에 따른 운전영역 별 최적화 방안을 도출 하였다. 최적화를 통하여 산업용 배기규제 Tier 4 Final을 만족하였으며, 기존 엔진 대비 연료소비율개선 효과도 확인할 수 있었다.
제안 방법
- 1) 요소기술별 연료소비율, NOx, Smoke에 미치는 영향력을 파악하여 운전영역별, 요소별 최적화를 진행하였다.
- 저온연소를 엔진에 적용하기 위하여 다양한 저온연소기법(Lately injected LTC, Early injected LTC, MK, PPCI)을 디젤엔진에서 실험적으로 구현하여 당사의 대형디젤에 가장 적합한 기법을 선정 하였다.2) 선정된 저온연소 기법을 적용하여 저부하 영역(출력 50% load 이하)에서 최적화하는 연구를 진행하였으며, 저온연소 운전영역에서는 Engine-Out 배기가스를 최소화 하는데 주안점을 두어 최적화 하였다. 고부하 영역(출력 50%Load 초과)은 저온연소 적용의 한계로 인하여 일반연소를 적용하였으며, 연료소비율개선에 주안점을 두고 최적화하였다.
- AVL사의 CAMEO software를 이용하여 실험계획법을 적용해 실험횟수를 최소화하고 결과로부터 다수의 변수들 사이의 상관관계를 파악하였다. NRSC 8개 운전점 각각에 대하여 실험계획법을 적용한 실험을 진행하였으며, 고부하영역 운전전략, 저부하영역 (저온연소) 운전전략을 나누어 분석을 진행하였다.
- LP-EGR은 엔진에 EGR을 공급하는 저압의 루트로 터빈의 후단에서 컴프레서의 전단으로 유입된다. LP-EGR 밸브 개도를 변수로 설정하여 0 ~ 100% 사이값에서 5 level을 정하였다. 밸브 개도의 증가는 밸브 열림을 의미하며, 감소는 닫힘을 의미한다.
- AVL사의 CAMEO software를 이용하여 실험계획법을 적용해 실험횟수를 최소화하고 결과로부터 다수의 변수들 사이의 상관관계를 파악하였다. NRSC 8개 운전점 각각에 대하여 실험계획법을 적용한 실험을 진행하였으며, 고부하영역 운전전략, 저부하영역 (저온연소) 운전전략을 나누어 분석을 진행하였다.
- VGT의 경우 터빈 속도 한계가 존재하여 한계 이하 수준에서 실험이 진행되도록 변수 범위를 조절하였다. VGT 밸브 개도를 변수로 설정하여 한계 범위내에서 사이값을 5 level로 정하였다. 밸브 개도의 증가는 밸브 닫힘을 의미하며, 감소는 열림을 의미한다.
- 2) 선정된 저온연소 기법을 적용하여 저부하 영역(출력 50% load 이하)에서 최적화하는 연구를 진행하였으며, 저온연소 운전영역에서는 Engine-Out 배기가스를 최소화 하는데 주안점을 두어 최적화 하였다. 고부하 영역(출력 50%Load 초과)은 저온연소 적용의 한계로 인하여 일반연소를 적용하였으며, 연료소비율개선에 주안점을 두고 최적화하였다. 장착된 요소기술인 HP (High Pressure) EGR+LP (Low Pressure) EGR-VGT (Variable Geometry Turbine)-IPCV (Intake Pressure Control Valve)-FIE (Fuel Injection Elements) 상호간 영향력 및 최적 조합을 찾기 위하여 실험계획법을 적용하여 실험 계획, 진행 및 검증하였다.
- 저온연소의 적용으로 NOx와 Smoke의 저감을 이루었지만 저온연소 기법은 일반연소 대비 높은 EGR율과 진각된 주분사시기로 연료소비율에 손실이 뒤따른다. 손실된 연료소비율을 개선하고자 고부하 영역에서는 연료소비율개선에 초점을 맞추어 최적화를 진행하였다. 앞에서와 같이 엔진의 펌핑 손실을 최소화 할 수 있는 VGT와 HP-EGR 조합을 선정하고, NOx 목표치 달성에 부족한 부분은 LP-EGR을 사용하여 펌핑 손실에 영향 없이 최적화할 수 있었다.
- 실험계획법을 이용하여 얻어진 모델은 높은 수준신뢰도를 확보하였으며, 이를 통하여 엔진의 요소 기술에 대한 상관관계를 파악하였다. 최적화 결과 고부하영역에서는 연비개선에 초점을 맞추어 LP, HP-EGR과 VGT, 주분사시기의 영향력을 확인하였다.
- 실험은 당사의 6L급 디젤 엔진을 사용하였다. 엔진에 기본적으로 HP-EGR과 WGT T/C (Waste Gate Turbine Turbocharger)가 적용된 사양에서 저온연소 구현을 위한 안정적인 EGR 공급을 위하여 HP-EGR과 LP- EGR, IPCV를 장착하였다. 또한 더 많은 양의 공기를 확보하기 위하여 WGT T/C 대신 VGT T/C가 적용되었다.
- 고부하 영역(출력 50%Load 초과)은 저온연소 적용의 한계로 인하여 일반연소를 적용하였으며, 연료소비율개선에 주안점을 두고 최적화하였다. 장착된 요소기술인 HP (High Pressure) EGR+LP (Low Pressure) EGR-VGT (Variable Geometry Turbine)-IPCV (Intake Pressure Control Valve)-FIE (Fuel Injection Elements) 상호간 영향력 및 최적 조합을 찾기 위하여 실험계획법을 적용하여 실험 계획, 진행 및 검증하였다. 연료소비율 및 배기가스 결과에 대한 비교 대상으로는 당사의 양산 중인 동급의 엔진으로 선정하였다.
- 최적화 결과 고부하영역에서는 연비개선에 초점을 맞추어 LP, HP-EGR과 VGT, 주분사시기의 영향력을 확인하였다. 저부하영역은 저온연소 구현과 배기배출물에 초점을 맞추어 Engine Out 기준 Tier 4 Final 수준의 배기배출물과 IMEPCoV (Indicated Mean Effective Pressure Coefficient of Variation) 3% 이내의 연소안정성을 확보하도록 LP, VGT, IPCV를 최적화하였다.
- 최적화를 진행할 실험조건으로는 산업용 배기 인증 모드인 NRSC (Non Road Steady Cycle)중 C1-8mode가 대상이 되었다. 저온연소를 엔진에 적용하기 위하여 다양한 저온연소기법(Lately injected LTC, Early injected LTC, MK, PPCI)을 디젤엔진에서 실험적으로 구현하여 당사의 대형디젤에 가장 적합한 기법을 선정 하였다.2) 선정된 저온연소 기법을 적용하여 저부하 영역(출력 50% load 이하)에서 최적화하는 연구를 진행하였으며, 저온연소 운전영역에서는 Engine-Out 배기가스를 최소화 하는데 주안점을 두어 최적화 하였다.
- 주분사시기를 FIE 시스템에서 주요 변수로 선정하여 실험을 진행하였다.
- 하지만 실험계획법에 의한 결과는 배기배출물이나 연료소비율에 영향력이 적은 것처럼 확인되어 이점에 대한 정확한 분석을 진행하였다. Fig.
대상 데이터
- 저온연소 엔진 시스템 최적화를 위하여 아래 요소기술을 변수로 선정하였다. 디젤엔진에서 신기유입을 조절하는 VGT와 IPCV, EGR을 조절하는 HP-EGR과 LP-EGR, 연료 분사를 조절하는 FIE의 주분사기기가 선정되었다.
- 실험은 C1-8mode 총 8개의 운전점에서 진행되었다. Fig.
- 실험은 당사의 6L급 디젤 엔진을 사용하였다. 엔진에 기본적으로 HP-EGR과 WGT T/C (Waste Gate Turbine Turbocharger)가 적용된 사양에서 저온연소 구현을 위한 안정적인 EGR 공급을 위하여 HP-EGR과 LP- EGR, IPCV를 장착하였다.
- 실험을 위하여 최대 출력이 123kW인 6리터급 산업용 디젤엔진을 사용하였다. 최적화를 진행할 실험조건으로는 산업용 배기 인증 모드인 NRSC (Non Road Steady Cycle)중 C1-8mode가 대상이 되었다.
- 장착된 요소기술인 HP (High Pressure) EGR+LP (Low Pressure) EGR-VGT (Variable Geometry Turbine)-IPCV (Intake Pressure Control Valve)-FIE (Fuel Injection Elements) 상호간 영향력 및 최적 조합을 찾기 위하여 실험계획법을 적용하여 실험 계획, 진행 및 검증하였다. 연료소비율 및 배기가스 결과에 대한 비교 대상으로는 당사의 양산 중인 동급의 엔진으로 선정하였다.2)
- 실험을 위하여 최대 출력이 123kW인 6리터급 산업용 디젤엔진을 사용하였다. 최적화를 진행할 실험조건으로는 산업용 배기 인증 모드인 NRSC (Non Road Steady Cycle)중 C1-8mode가 대상이 되었다. 저온연소를 엔진에 적용하기 위하여 다양한 저온연소기법(Lately injected LTC, Early injected LTC, MK, PPCI)을 디젤엔진에서 실험적으로 구현하여 당사의 대형디젤에 가장 적합한 기법을 선정 하였다.
성능/효과
- 2) 저부하영역에서 저온연소를 구현하였으며, 요소기술별 최적화를 통하여 NOx와 PM을 동시에 기준 이하로 저감할 수 있었다.
- 3) 고부하영역에서 요소기술별 최적화를 통해 저온연소 영역에서 악화된 연료소비율을 개선하였으며, 최종 시스템 측면에서 배기규제 Tier 4 Final을 만족하는 동시에 기준 엔진 대비 연료소비율 개선 7.2%를 달성하였다.
- Fig. 8과 같이 LP-EGR만으로는 40% 수준의 EGR만 확보가 가능하지만, IPCV 추가로 저부하에서 EGR rate 65%까지 확보하였으며, 이것은 IPCV가 저온연소 구현에 가장 큰 영향력을 보임을 반증한다. 또한 EGR율 증가에 대한 영향력이 가장 크므로 저부하영역에서 NOx와 Smoke에 미치는 영향력도 가장 크다고 할 수 있다.
- Goodness of Fit 부분은 모델이 실제 실험값과의 정확도를 나타내고 그 아래의 그래프는 각 요소가 결과값에 미치는 영향을 나타낸다. 각각 결과값(BSFC, NOx, Smoke 등)에 대한 95% 신뢰도 이상의 결과를 보였고, 이 모델을 통해 요소별 영향력을 파악할 수 있었다. 각 요소는 기울기가 커짐에 따라 결과값에 미치는 영향이 크다는 것을 나타내며 이를 통하여 각 결과에 미치는 영향력을 순위화하여 Fig.
- 당사의 6L급 엔진을 이용하여 저온연소 엔진 시스템의 전략을 수립하고 고부하, 저부하별 최적화를 진행하여 연료소비율을 개선하였고 NOx, Smoke는 Tier 4 Final 배기규제기준을 만족 하였다.
- 또한 실험결과에서 HP-EGR 변화에 따른 EGR율 증가분이 LP-EGR 변화에 따른 EGR율 증가분 보다 낮은 것으로 확인되었다. 따라서 저온연소 엔진 시스템에서 EGR 공급은 LP-EGR 루트를 통해 다량의 EGR 공급이 가능할 것으로 판단된다. 연료소비율에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 주분사시기인 것으로 파악 되었다.
- 일반적으로 NOx는 EGR율 증가에 따라 감소하는 결과를 나타내는데, LP-EGR의 증가에 따라 NOx 저감이 두드러지는 것은 LP-EGR로 유입되는 EGR이 그만큼 크다는 것을 반증한다. 또한 실험결과에서 HP-EGR 변화에 따른 EGR율 증가분이 LP-EGR 변화에 따른 EGR율 증가분 보다 낮은 것으로 확인되었다. 따라서 저온연소 엔진 시스템에서 EGR 공급은 LP-EGR 루트를 통해 다량의 EGR 공급이 가능할 것으로 판단된다.
- 이에 따라 컴프레서의 일을 증가시켜 신기량과 LP-EGR로 유입되는 EGR을 동시에 증가시킬 수 있었다. 선정된 실험변수를 이용하여 실험계획법을 통해 신뢰도 98%이상의 모델을 확보하였고, 각 요소가 미치는 영향력도 확인하였다. Fig.
- 7에서 보는 것과 같이 저온연소 영역에서 NOx와 Smoke에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 IPCV로 도출되었다. 신기의 유입을 막아 EGR율을 높이기 위해서 고안된 IPCV는 엔진조건에 관계없이 EGR율을최대치까지 증가시킬 수 있었다.
- 앞선 실험 결과로부터 VGT, LP-EGR과 IPCV최적 조합을 선정하여 목표 신기량 및 다량의 EGR의 공급을 가능하게 하였다. 최적화된 요소기술을 통해 중·저부하영역에서 저온연소를 IMEP CoV 기준 3%이내의 안정적인 구현을 할 수 있었으며, NOx와 Smoke를 동시에 기준 이하(Tier 4 Final)로 저감하는 것이 가능하게 되었다.
- 손실된 연료소비율을 개선하고자 고부하 영역에서는 연료소비율개선에 초점을 맞추어 최적화를 진행하였다. 앞에서와 같이 엔진의 펌핑 손실을 최소화 할 수 있는 VGT와 HP-EGR 조합을 선정하고, NOx 목표치 달성에 부족한 부분은 LP-EGR을 사용하여 펌핑 손실에 영향 없이 최적화할 수 있었다. 주분사시기는 연소효율이 가장 좋은 구간에서 설정되도록 하였다.
- 따라서 저온연소 엔진 시스템에서 EGR 공급은 LP-EGR 루트를 통해 다량의 EGR 공급이 가능할 것으로 판단된다. 연료소비율에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 주분사시기인 것으로 파악 되었다. 주분사시기를 진각할수록 연료소비율과 Smoke는 개선되지만, NOx의 계속적인 증가로 인하여 한계를 나타낸다.
- 10에 나타내었다. 전체 8점에서 평균값이 기존 엔진 대비 연료 소비율 기준으로 7.2% 개선하였으며, 고부하, 저부하 전 영역에서 Tier 4 final 배기규제 기준 NOx와 PM을 만족하는 성과를 달성하였다.
- 즉 VGT duty를 높여 신기량을 충분히 확보하면서 HP-EGR을 조절하여 높아진 펌핑손실을 낮출 수 있다. 즉, HP와 VGT의 개별의 영향력은 낮지만, HP-VGT의 조합에 대한 영향력은 크다는 것을 확인할 수 있었다.
- 실험계획법을 이용하여 얻어진 모델은 높은 수준신뢰도를 확보하였으며, 이를 통하여 엔진의 요소 기술에 대한 상관관계를 파악하였다. 최적화 결과 고부하영역에서는 연비개선에 초점을 맞추어 LP, HP-EGR과 VGT, 주분사시기의 영향력을 확인하였다. 저부하영역은 저온연소 구현과 배기배출물에 초점을 맞추어 Engine Out 기준 Tier 4 Final 수준의 배기배출물과 IMEPCoV (Indicated Mean Effective Pressure Coefficient of Variation) 3% 이내의 연소안정성을 확보하도록 LP, VGT, IPCV를 최적화하였다.
- 최적화된 요소기술을 통해 중·저부하영역에서 저온연소를 IMEP CoV 기준 3%이내의 안정적인 구현을 할 수 있었으며, NOx와 Smoke를 동시에 기준 이하(Tier 4 Final)로 저감하는 것이 가능하게 되었다.
- 연구를 통하여 대형디젤엔진에서 시스템적으로 적합한 저온연소 운전 전략을 수립하였고 이에 따른 운전영역 별 최적화 방안을 도출 하였다. 최적화를 통하여 산업용 배기규제 Tier 4 Final을 만족하였으며, 기존 엔진 대비 연료소비율개선 효과도 확인할 수 있었다.
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