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문제 정의
- 특히 디젤엔진의 경우 향후 강화되는 배기 규제 대응을 위하여 배출가스 저감을 위한 전자 제어 장치들이 증대되고 있기 때문에 정밀한 제어 로직 개발이 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 LP-EGR 시스템 제어를 위한 PID제어 로직 및제어 성능 개선을 위한 모델 기반 제어 로직을 개발하였으며, 과도 상태 평가를 통하여 성능을 검증하였다. LP-EGR 제어 로직은 ETAS社의 ASCET S/W를 이용하여 구현하였다.
- 본 연구에서는 승용디젤엔진에 LP-EGR 시스템을 적용하여 엔진 및 차량의 배기가스 저감및 연비 개선 효과를 평가 하였다. 특히, 과도 운전 상태의 LP-EGR 효과 분석을 위하여 LP-EGR 시스템에 대한 제어 로직과 제어성능 개선을 위한 모델 기반 제어 로직을 개발하였으며, 최종적으로 유럽 배기 규제 시험 모드인 NEDC(New European Driving Cycle) 차량 시험을 통하여 연비 개선 효과를 확인하였다.
제안 방법
- (2) 엔진 과도 구간의 LP-EGR 시스템 제어를 위한 로직을 개발하였으며, 엔진 운전 영역에 따른 응답성 평가를 통해 LP-EGR과 HP-EGR의 제어 전략을 수립하였다. 또한, LP-EGR 제어 성능 개선을 위하여 모델 기반의 제어 로직을 개발하였으며, 기존 PID 제어 대비 제어 성능 개선 효과를 확인하였다.
- 반대로 고속 고부하의 경우에는 LP-EGR 시스템이 PID 제어를 수행하고 HP-EGR 시스템은 오픈 루프 제어를 수행하도록 제어 로직을 구현하였다. Fig. 12와 같은 반응성 테스트를 추가로 수행함으로써 경계 영역을 설정하였으며, 제어 방식이 역전이 되는 영역에서는 일정 마진을 두어 영역의 경계 지점에서 두 제어 방식이 급격하게 천이되지 않도록 처리하였다.
- LP-EGR의 기본적인 효과를 파악하기 위하여 정상 엔진 운전 상태에서 EGR량을 변화시키는 스윙 시험을 우선 수행하였으며, 연비와 배출가스 등을 측정하였다. EGR량 변화는 엔진 제어기에서 EGR 밸브의 개도를 변경함으로써 이루어지고, 운전 조건에 따라 5~6 포인트 정도로 변경하여 데이터를 저장하였다.
- 8은 앞에서 테스트한 세 가지 주요 엔진 운전영역에서 HP-EGR만 적용한 경우, LP-EGR만을 적용한 경우, 그리고 HP-EGR과 LP-EGR을 동시에 적용하여 최적화 매핑을 수행한 결과를 상대 비교하여 나타내고 있다. 동일한 스모크 배출량을 기준으로 하여 연비(BSFC)와 NOx 배출량 결과를 비교 표시하였다. 최적화 매핑 결과에 따르면, 전체 EGR 중에서 LP-EGR과 HP-EGR의 비율은 1500 rpm/BMEP 4 bar의 경우 50:50, 2000 rpm/BMEP 6 bar의 경우 70:30, 2000 rpm/ BMEP 10 bar의 경우 85:15로 나타났으며, 평균적으로 연비 4~6%, NOx 30~40%의 개선 효과를 확인하였다.
- (2) 엔진 과도 구간의 LP-EGR 시스템 제어를 위한 로직을 개발하였으며, 엔진 운전 영역에 따른 응답성 평가를 통해 LP-EGR과 HP-EGR의 제어 전략을 수립하였다. 또한, LP-EGR 제어 성능 개선을 위하여 모델 기반의 제어 로직을 개발하였으며, 기존 PID 제어 대비 제어 성능 개선 효과를 확인하였다.
- 본 연구에서는 LP-EGR 시스템을 구현하기 위해서 EGR 밸브와 배압 밸브의 역할을 동시에 수행하는 LP-EGR 제어 밸브를 DPF 후단에 장착하였다. Fig.
- 본 연구에서는 LP-EGR 시스템을 적용하여 엔진 정상 상태 및 NEDC 모드 평가를 통한 연비 개선 효과를 평가하였으며, 결론은 다음과 같다.
- 연비 관점에서 중요한 부분부하인 주요 세 가지 운전 영역(1500 rpm/BMEP 4 bar, 2000 rpm/ BMEP 6 bar, 2000 rpm/BMEP 10 bar)에서 각각 HP-EGR과 LP-EGR을 단독으로 적용시 EGR 스윙 시험을 진행하였으며, Fig. 4~6에 세가지 시험 조건에 대한 시험 결과를 연비(BSFC, Brake Specific Fuel Consumption)와 배출가스(Smoke)의 관점에서 표기하였다. 동일한 NOx 배출량을 기준으로 BSFC와 Smoke가 작을수록 각각 연비와 배출가스가 낮다는 것을 의미한다.
- 이상의 대표 운전 영역에 따른 시험 결과를 종합해 보면 엔진 운전 영역에 따른 연비 개선을 극대화하기 위해서는 중고속ㆍ중고부하 조건일수록 HP-EGR 대비 LP-EGR비중이 증대 되는 경향이어야 함을 알 수 있었다. 이러한 결과를 기반으로 엔진의 전 운전 조건에서 LP-EGR 적용을 위한 엔진 최적화 매핑을 수행하였다. HP-EGR 시스템만으로 Euro5 배기기준을 만족하는 베이스 엔진과 동등한 NOx, PM수준을 유지하면서 최대로 연비 저감이 가능한 조건을 목표로 진행되었으며, HP-EGR 및 LP-EGR의 적용 비율을 중심으로 기타 엔진 운전에 관여되는 인자들(연료 분사시기, 과급압력 등)도 동시에 최적화 매핑의 대상에 포함되었다.
- LP-EGR 시스템이 탑재된 차량의 실연비 개선 효과를 분석하기 위하여 유럽 배기 규제 시험 방식인 NEDC 모드에서 평가를 수행하였다. 차량에 직접 엔진을 탑재하는 대신, 엔진 시험실 조건에서 변속기를 포함하는 차량의 구동계 정보를 기반으로 주어진 차속을 추종하기 위하여 필요한 엔진 운전 조건을 계산하는 차량상사 시뮬레이션 소프트웨어를 적용함으로써 엔진이 작동하도록 하는 방법을 이용하였다. 이는 엔진의 매핑을 수시로 변경하면서 차량 상태에 미치는 영향을 엔진 시험실 안에서 실시간으로 파악할수 있는 유용한 방식이다.
- 본 연구에서는 승용디젤엔진에 LP-EGR 시스템을 적용하여 엔진 및 차량의 배기가스 저감및 연비 개선 효과를 평가 하였다. 특히, 과도 운전 상태의 LP-EGR 효과 분석을 위하여 LP-EGR 시스템에 대한 제어 로직과 제어성능 개선을 위한 모델 기반 제어 로직을 개발하였으며, 최종적으로 유럽 배기 규제 시험 모드인 NEDC(New European Driving Cycle) 차량 시험을 통하여 연비 개선 효과를 확인하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 엔진은 Euro5 배기 규제 대응을 위하여 개발된 승용디젤엔진이며, 구체적인 엔진 제원은 Table 1과 같다. 이러한 엔진 기반 하에 LP-EGR 시스템을 적용하였으며, 이에 대한 설명은 다음과 같다.
이론/모형
- LP-EGR 시스템이 탑재된 차량의 실연비 개선 효과를 분석하기 위하여 유럽 배기 규제 시험 방식인 NEDC 모드에서 평가를 수행하였다. 차량에 직접 엔진을 탑재하는 대신, 엔진 시험실 조건에서 변속기를 포함하는 차량의 구동계 정보를 기반으로 주어진 차속을 추종하기 위하여 필요한 엔진 운전 조건을 계산하는 차량상사 시뮬레이션 소프트웨어를 적용함으로써 엔진이 작동하도록 하는 방법을 이용하였다.
- 따라서 본 연구에서는 LP-EGR 시스템 제어를 위한 PID제어 로직 및제어 성능 개선을 위한 모델 기반 제어 로직을 개발하였으며, 과도 상태 평가를 통하여 성능을 검증하였다. LP-EGR 제어 로직은 ETAS社의 ASCET S/W를 이용하여 구현하였다.
- 본 연구에 사용된 엔진은 Euro5 배기 규제 대응을 위하여 개발된 승용디젤엔진이며, 구체적인 엔진 제원은 Table 1과 같다. 이러한 엔진 기반 하에 LP-EGR 시스템을 적용하였으며, 이에 대한 설명은 다음과 같다.
성능/효과
- (1) 정상 상태 시험평가를 통하여 LP-EGR 시스템의 연비 개선 및 배출가스 저감 효과를 확인하였고, 저속 저부하 영역 대비하여 배압이 충분히 확보 되는 중속 중부하 영역 이상에서 LP-EGR의 효과가 증대되었다.
- (3) 차량상사시험을 NEDC 모드 조건에서 수행한 결과, LP-EGR 시스템이 추가된 경우에 차량 연비 6% 및 NOx 7.6% 개선 효과를 확인하였다.
- 10은 최종적으로 엔진의 정상 상태에서 연비 개선 정도를 나타낸다. LP-EGR 적용 시에 전 운전 영역에서 연비가 개선되었는데, 저속 저부하 영역 대비 중ㆍ고속, 중ㆍ고부하 영역에서의 LP-EGR 적용 효과가 증대됨을 확인할 수 있다.
- 7은 2000 rpm/BMEP 6 bar 시험 조건에서 LP-EGR 밸브 개도를 30%로 고정 시킨 후, HP-EGR만 단독으로 스윙 시험한 결과를 나타낸다. LP-EGR만을 적용한 결과보다는 배출가스 저감 효과가 줄어들었으나, 연비 측면에서 상당히 개선되는 효과를 보여준다. 다만 배출가스의 경우에 Smoke는 저감되지만 CO의 경우에는 저온 연소로 인한 불완전연소로 인하여 다소 증가하는 결과를 보였다.
- 14 g/km)을 만족하는 성능을 가지고 있다. NOx 측정치와 연비를 파악할 수 있는 CO2 측정 결과를 실시간 배출량 및 총누적량으로 각각 나타내었으며, 결론적으로 HP-EGR 만을 적용한 결과와 비교하여 LP-EGR 시스템이 적용된 경우에 연비 6%와 NOx 7.6% 개선 효과를 확인하였다. 또한, 이 그래프의 총누적량 데이터를 통하여 정상 상태 엔진 시험 결과에서와 같이 저속, 저부하로 운행 되는 전반부 구간보다는 중ㆍ고속, 중ㆍ고부하로 주로 운행되는 후반부(EUDC) 구간에서의 LP-EGR 적용 효과가 크다는 것을 재확인할 수 있다.
- 다만 배출가스의 경우에 Smoke는 저감되지만 CO의 경우에는 저온 연소로 인한 불완전연소로 인하여 다소 증가하는 결과를 보였다. 공연비(AF ratio)가 증가된 결과로부터 저온 EGR 효과로 인하여 흡기 매니폴드의 공기 온도가 낮아졌음을 다시 한번 확인할 수 있다. 이 결과로부터 연비 개선을 위해서는각 엔진 운전 영역에서 LP-EGR과 HP-EGR이 적절하게 혼용되어야 함을 알 수 있으며, 이를 실제로 적용하기 위해서는 엔진의 최적화 매핑 과정이 필요하다.
- LP-EGR만을 적용한 결과보다는 배출가스 저감 효과가 줄어들었으나, 연비 측면에서 상당히 개선되는 효과를 보여준다. 다만 배출가스의 경우에 Smoke는 저감되지만 CO의 경우에는 저온 연소로 인한 불완전연소로 인하여 다소 증가하는 결과를 보였다. 공연비(AF ratio)가 증가된 결과로부터 저온 EGR 효과로 인하여 흡기 매니폴드의 공기 온도가 낮아졌음을 다시 한번 확인할 수 있다.
- 6% 개선 효과를 확인하였다. 또한, 이 그래프의 총누적량 데이터를 통하여 정상 상태 엔진 시험 결과에서와 같이 저속, 저부하로 운행 되는 전반부 구간보다는 중ㆍ고속, 중ㆍ고부하로 주로 운행되는 후반부(EUDC) 구간에서의 LP-EGR 적용 효과가 크다는 것을 재확인할 수 있다.
- 그러나 시스템의 구성이 복잡해지고 컴프레서 및 인터쿨러에서 부식 가능성이 발생할 수 있는 단점을 가지고 있으므로 LP-EGR 가스 유로에 추가적인 부식 방지 대책이 요구된다. 이를 위하여 부식에 강한 티타늄 코팅을 터보차저의 컴프레서 등에 보강하는 방안과 DPF 후단에 필터를 설치하는 방법이 효과적이다.
- 이상의 대표 운전 영역에 따른 시험 결과를 종합해 보면 엔진 운전 영역에 따른 연비 개선을 극대화하기 위해서는 중고속ㆍ중고부하 조건일수록 HP-EGR 대비 LP-EGR비중이 증대 되는 경향이어야 함을 알 수 있었다. 이러한 결과를 기반으로 엔진의 전 운전 조건에서 LP-EGR 적용을 위한 엔진 최적화 매핑을 수행하였다.
- 동일한 스모크 배출량을 기준으로 하여 연비(BSFC)와 NOx 배출량 결과를 비교 표시하였다. 최적화 매핑 결과에 따르면, 전체 EGR 중에서 LP-EGR과 HP-EGR의 비율은 1500 rpm/BMEP 4 bar의 경우 50:50, 2000 rpm/BMEP 6 bar의 경우 70:30, 2000 rpm/ BMEP 10 bar의 경우 85:15로 나타났으며, 평균적으로 연비 4~6%, NOx 30~40%의 개선 효과를 확인하였다.
후속연구
- 또한, EGR 가스의 실린더 간 분배성이 개선되며, 배기 매니폴더 후단의 모든 배기가스를 터보차저 터빈에 이용 가능하므로 터보차저의 효율을 개선할 수 있다[3,4]. 그러나 시스템의 구성이 복잡해지고 컴프레서 및 인터쿨러에서 부식 가능성이 발생할 수 있는 단점을 가지고 있으므로 LP-EGR 가스 유로에 추가적인 부식 방지 대책이 요구된다. 이를 위하여 부식에 강한 티타늄 코팅을 터보차저의 컴프레서 등에 보강하는 방안과 DPF 후단에 필터를 설치하는 방법이 효과적이다.
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