[논문]디젤엔진용 Cam-in-Cam시스템 적용 가변밸브 성능해석

정석철; 박정민; 김탁규; 이진욱

doi:10.15435/jilasskr.2017.22.1.22

디젤엔진용 Cam-in-Cam시스템 적용 가변밸브 성능해석
Performance Analysis of Variable Valve for Diesel Engine with Cam-in-Cam System 원문보기

한국액체미립화학회지 = Journal of ilass-korea, v.22 no.1, 2017년, pp.22 - 28

정석철 (숭실대학교 대학원 기계공학과) , 박정민 (숭실대학교 대학원 기계공학과) , 김탁규 (숭실대학교 대학원 기계공학과) , 이진욱 (숭실대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the effects of intake valve closing timing by using Cam-in-Cam system on combustion and emission characteristics for diesel engine were investigated under GT-POWER simulation environment. As a result, it was found that volumetric efficiency and effective compression ratio were decreased as the intake valve closing(IVC) timing is retarded due to its backflow effect. Also, we found that in-cylinder pressure, heat release rate and NOx emission were decreased as IVC timing was retarded. These show that the LIVC(late intake valve closing) can be effective to control AFR and mixing rate in diffusion combustion of diesel engine.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

고압 인젝터 모델을 앞서 수행한 분사율 측정 실험데이터와 동일한 조건에서 GT-POWER를 이용한 본 연구에서 해석 모델을 개발하였다.
본 연구는 Cam-in-Cam(CIC) 적용 디젤 엔진 시스템을 통해 Swirl 흡기 포트는 고정하고 Flow 흡기 포트를 지각시켜주었을 때 발생하는 디젤 엔진의 연소 및 배기 특성에 대하여 비교 분석하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 크게 다음과 같이 3개 연구방법을 적용하였다.
본 연구에서는 Fig. 1과 같은 밸브트레인 가변화 방법 중 하나인 Cam-in-Cam⁽⁸⁾기술을 디젤엔진 시스템에 적용하여 상대적으로 폭 넓은 흡기밸브 닫힘시기 변화에 따른 연소 및 배기 성능을 연구함으로써 Cam-in-Cam시스템이 디젤 엔진에 실제 적용 가능성에 기여하고자 수행하였다.
실제 CIC적용 가능성을 해석에 적용하기 앞서, 디젤엔진의 핵심인 고압 인젝터 모델 최적화를 위해 Bosch-Tube법을 적용한 분사율 취득 장치를 통해 분사율 실험을 수행하였다. 이를 통해 얻은 데이터를 바탕으로 고압 인젝터를 모델링함으로써 신뢰성 높은 CIC시스템을 구비한 디젤 엔진 모델을 개발하고자 한다.

제안 방법

먼저 Flow port와 Swirl port로 나눈 2개의 흡기 Cam 모델을 완성하였다. 2개의 흡기 Cam 모델을 독립적으로 제어할 수 있도록 모델링 해줌으로써 Camin-Cam의 특성을 가질 수 있게 되었다.
CIC시스템용 Cam 모델링 후, 먼저 밸브프로파일을 실험데이터와 비교하였다. Fig.
Cam과 고압 인젝터 모델을 디젤 엔진 모델에 결합하여 본 연구에 이용될 Cam-in-Cam 적용 디젤 엔진 시스템을 개발하였다. 또한 검증을 마친 디젤 엔진 시스템을 활용하여 흡기 Swirl port는 고정하고 흡기 Flow port는 닫힘 시기를 지각시켜가며 해석을 수행하였다.
Cam과 고압 인젝터 모델을 디젤 엔진 모델에 결합하여 본 연구에 이용될 Cam-in-Cam 적용 디젤 엔진 시스템을 개발하였다. 또한 검증을 마친 디젤 엔진 시스템을 활용하여 흡기 Swirl port는 고정하고 흡기 Flow port는 닫힘 시기를 지각시켜가며 해석을 수행하였다. 이를 통해 흡기밸브 닫힘 시기가 지각될수록 변화되는 디젤 엔진의 연소 및 배기 특성을 비교 분석하였다.
또한 본 연구에서는 Cam 모델과 고압 인젝터 모델을 디젤엔진 모델에 결합하여 Cam-in-Cam적용 디젤엔진 시스템을 완성하였다.
본 연구에 필요한 Cam-in-Cam 적용 디젤 엔진 해석모델을 개발하기 위해 3세대 피에조 인젝터를 이용하여 연료분사율 측정실험 및 GT-POWER를 사용하여 인젝터 모델링을 수행하였다. 사용 인젝터에 대한 주요 제원은 Table 1과 같다.
2와 같은 해석절차대로 수행하였다. 본 연구에서 사용할 엔진 input 데이터를 입력하고 해석을 진행한 후, 해석 모델 검증을 위해 모터링 압력, 실린더 연소압력, 열발생율 등 연소 성능에 대해 비교함으로써, 본 연구에서 사용한 Cam-in-Cam적용 디젤 엔진시스템을 구축할 수 있었다.
본 연구에서는 GT-POWER 엔진연소해석용 상용 코드를 사용하여 Cam-in-Cam의 특성을 가지는 Cam 모델, 고압 인젝터 모델, 디젤엔진 모델을 완성하여 궁극적으로 Cam-in-Cam 적용 디젤엔진 해석모델을 완성하였다. 이를 활용하여 흡기 밸브 닫힘시기 변화에 따른 디젤연소 및 배기 성능을 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이 후, 고압 인젝터 모델을 디젤 엔진 모델에 결합하고 연료 분사압, 분사 시기, 분사 기간을 변화시켜 여러 조건에서 해석 가능하도록 구성하였다. 이를 바탕으로 최종적으로 디젤 엔진 모델을 완성할 수 있었으며, Table 3은 해석모델에 적용된 디젤 엔진 구성요소이다.
또한 검증을 마친 디젤 엔진 시스템을 활용하여 흡기 Swirl port는 고정하고 흡기 Flow port는 닫힘 시기를 지각시켜가며 해석을 수행하였다. 이를 통해 흡기밸브 닫힘 시기가 지각될수록 변화되는 디젤 엔진의 연소 및 배기 특성을 비교 분석하였다.
6에 나타내었다. 최고연소온도 변화는 배기가스 배출량 변화에 있어 많은 영향을 끼치는 요소이기에, 흡기밸브 닫힘시기에 따른 최고연소온도의 변화를 살펴보았다. 흡기밸브 닫힘시기가 지각될수록 낮아지는 공기·연료비 변화로 인해 연소 시 최고온도가 감소하는 효과가 나타나게 된 것으로 판단된다.

데이터처리

GT-POWER를 이용하여 개발한 고압 인젝터 모델을 분사율 측정 실험데이터와 동일한 조건에서 해석을 수행하였다. Fig.

이론/모형

고압 인젝터 모델링을 위해서 해석데이터와 비교할 연료 분사율에 대한 실험데이터가 필요하여, 본 연구에서는 Bosch-Tube법^(9,10)을 이용한 분사율 측정 실험을 통해 연구에서 사용된 인젝터의 분사율 실험데이터를 얻을 수 있었다. 이의 실험 조건은 Table 2와 같다.
먼저 디젤엔진용 흡기 Flow port와 swirl ratio가 적용된 흡기 Swirl port인 두 Cam 모델을 결합하여 본 연구에서 사용한 Cam-in-Cam 방식을 적용하였다. 이렇게 하여 각각 서로 독립적으로 밸브의 여·닫힘 시기를 제어할 수 있도록 구성하였다.
이를 바탕으로 최종적으로 디젤 엔진 모델을 완성할 수 있었으며, Table 3은 해석모델에 적용된 디젤 엔진 구성요소이다. 본 해석시, 디젤 연소 방식은 Direct-Injection Diesel Multi-Pulse Combustion Model (DIPULSE)⁽¹¹⁾을 적용하였다.
실제 CIC적용 가능성을 해석에 적용하기 앞서, 디젤엔진의 핵심인 고압 인젝터 모델 최적화를 위해 Bosch-Tube법을 적용한 분사율 취득 장치를 통해 분사율 실험을 수행하였다. 이를 통해 얻은 데이터를 바탕으로 고압 인젝터를 모델링함으로써 신뢰성 높은 CIC시스템을 구비한 디젤 엔진 모델을 개발하고자 한다.

성능/효과

(1) Cam 모델의 초기 입력값을 실험치를 바탕으로 설정한 후, 해석 결과를 실험데이터와 비교한 결과, 매우 유사함을 확인함으로써, Cam-in-Cam의 특성을 갖는 Cam모델 완성할 수 있었으며, 본 연구를 통해 디젤엔진 시스템내의 Cam-in-Cam 적용 가능성을 제시할 수 있었다.
(2) 연료 분사율 측정 장치를 이용하여 본 연구에 사용한 고압 인젝터 모델을 완성하였으며, 디젤 엔진 모델에 적용하여 실제 디젤 엔진과 유사한 연소 결과를 도출할 수 있었다.
(3) 이러한 Cam-in-Cam 적용 디젤 엔진 시스템 해석모델을 이용하여, 흡기밸브 닫힘시기 변화에 따른 시뮬레이션 결과를 통해 흡기밸브 가변화가 배출가스 발생에 미치는 영향을 파악할 수 있었다. 이를 통해 향후 강화되는 배출가스 규제를 만족시킬 수 있는 방안으로 디젤 연소에서 Cam-in-Cam을 활용한 LIVC 적용은 NOx 저감에 있어 효과적 방안이 될 수 있을 것으로 사료된다.
Cam 모델 해석결과에서 가장 중요한 밸브의 여·닫힘 시기가 일치하는 것을 볼 수 있었으며, 또한 밸브 양정(lift)의 최대값이 일치하게 나타남을 알 수 있었다.
다음으로 흡기밸브 닫힘시기에 따른, 착화지연(SOI(start of injection)~SOC(start of combustion)기간) 영향은 흡기밸브 닫힘시기가 지각될수록, 착화지연이 증가함을 알 수 있었다. 이것에 대한 원인은 흡기밸브 닫힘시기가 지각될수록 유효압축비가 감소하게 되어져 착화지연이 증가하는 결과로 나타나게 되었다.
4는 분사압 60 MPa 조건에서 분사율 측정 실험결과와 고압 인젝터 모델을 적용한 해석결과를 비교한 것이다. 두 개 조건에 관계없이 모두 매우 일치한 결과를 나타내 검증된 고압 인젝터 모델을 완성할 수 있었다.
따라서 흡기밸브 닫힘시기가 지각될수록 흡입공기의 역류로 인해 흡입공기량이 감소하게 되고 그로인해 공기·연료비가 감소하여 CO가 증가하는 결과가 나타나게 되었다.
또한 Fig. 5의 P-V 선도에서 볼 수 있듯이 동일한 체적 안에서 연소압이 감소하게 되었고, 그로 인해 2가지 조건 모두에서 IMEP가 감소함을 알 수 있었다.
다음으로 흡기밸브 닫힘시기에 따른, 착화지연(SOI(start of injection)~SOC(start of combustion)기간) 영향은 흡기밸브 닫힘시기가 지각될수록, 착화지연이 증가함을 알 수 있었다. 이것에 대한 원인은 흡기밸브 닫힘시기가 지각될수록 유효압축비가 감소하게 되어져 착화지연이 증가하는 결과로 나타나게 되었다. 이로 인해 흡기밸브 닫힘시기가 지각될수록 실린더 최고 연소압이 감소할 뿐만 아니라 연소압 및 열발생율이 최고로 도달하는 지점이 지각되어지는 효과가 나타난 것으로 판단된다.
Cam 모델 해석결과에서 가장 중요한 밸브의 여·닫힘 시기가 일치하는 것을 볼 수 있었으며, 또한 밸브 양정(lift)의 최대값이 일치하게 나타남을 알 수 있었다. 이와 같은 결과를 통해, 실험과 해석 결과의 유사함을 확인할 수 있었고 이를 통해 검증된 Cam 해석 모델을 디젤 엔진 모델에 적용할 수 있었다.

후속연구

(3) 이러한 Cam-in-Cam 적용 디젤 엔진 시스템 해석모델을 이용하여, 흡기밸브 닫힘시기 변화에 따른 시뮬레이션 결과를 통해 흡기밸브 가변화가 배출가스 발생에 미치는 영향을 파악할 수 있었다. 이를 통해 향후 강화되는 배출가스 규제를 만족시킬 수 있는 방안으로 디젤 연소에서 Cam-in-Cam을 활용한 LIVC 적용은 NOx 저감에 있어 효과적 방안이 될 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디젤 엔진을 가솔린 엔진에 비교했을 때의 단점은 무엇인가?	디젤 엔진의 경우, 가솔린 엔진에 비해 약 30% 높은 효율을 지니고 있으나 과다한 NOx 및 PM 배출의 문제를 지니고 있다. 현재 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 DPF(Diesel particulate filters), UreaSCR(Selective catalytic reduction), DOC(Diesel oxidation catalysts), LNT(Lean NOx traps) 등 다양한 후처리 장치가 개발되어졌다.
	PCCI 연소의 특징은 무엇인가?	신개념 연소 방식으로는 HCCI(Homogeneous charge compression ignition)(2), PCCI(Partially premixed charge compression ignition) 등이 있다. PCCI 연소의 경우, 이른 시간 연료를 분사하여 공기와 연료가 혼합될 수 있는 시간을 증가시킴으로 PM저감뿐 만 아니라, 자기착화에 의해 고온 화염면이 발생하지 않아 저온화염으로 NOx를 저감할 수 있는 특징이 있다. 따라서 이를 구현은 밸브트레인의 여·닫힘시기를 적절하게 조절하여 유효압축비를 낮춤으로써 가능한데, 이러한 신개념 연소기술 구현을 위한 방안으로 밸브트레인 가변화 기술이 대표적이다(3,4).
	밸브트레인 가변화 기술을 통해 대기가스는 어떻게 저감되는가?	밸브트레인 가변화 기술은 흡·배기밸브의 개폐시기를 조절함으로써, 강화되는 배기가스 규제를 대응할 수 있는 방안으로 주목받고 있다. 일례로 흡기밸브 닫힘시기를 진각시키거나 지각시켰을 때, 압축 행정과 팽창 행정의 비가 변하게 된다. 즉, 저압축·고팽창의 밀러사이클이 구현되게 되는 것이다. 이로 인해 유효압축비가 낮아지게 되고 NOx가 저감되는 효과가 나타나게 된다(5-7).

참고문헌 (11)

Xin He, Russell P. Durrett and Zongxuan Sun, "Late Intake Valve Closing as an Emissions Control Strategy at Tier 2 Bin 5 Engine-Out NOx Level", SAE Technical Paper 2008-01-0637, 2008.
B. Walter, P. Pacaud and B. Gatellier, "Variable Valve Actuation System for Homogeneous Diesel Combustion: How Interesting are They?", Oil & Gas Science and Technology - Rev. IPF, Vol. 63 (2008), No. 4, pp. 517- 534, 2008.

상세보기
Jaeheun Kim and Choongsik Bae, "An investigation on the effects of late intake valve closing and exhaust gas recirculation in a single-cylinder research diesel engine in the low-load condition", Journal of Automobile Engineering 1-17, 2015.
Simon Schneider, Patric Genieser, Stiev Brike and Christian Bucker, "Potential of Valve Train Variability in Passenger Car Diesel Engine", MTZ 0312012, 2012.
Tae-Ik Jang, "A Study on the Cycle Analyzing and Intake Valve Control by the Miller Method with a High Expansion into Low-Speed Diesel Engine", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, pp.1100- 1106, 2009.
Philip Keller, "Variable Intake Cam Duration Technologies for Improved Fuel Economy", 2012 SAE International 2012-01-1641, 2012.
Sharareh Honardar, Kai Deppenkemper, Martin Nijs and Srefan Pischinger, "Ptentials of Variable Gas Exchange Processes in Passenger Car Diesel Engines", MTZ 0912014, 2014.
David Gurney, John Mitcalf and Marco Warth "Integrated Simulation, Analysis and Testing of a Variable Valve Train for Passenger Car Diesel Engine", SAE 2012-01-0829, 2012.
강진석, "연료공급조건에 따른 고압디젤연료 분무특성", Doctoral Dissertation, 2003.
조인수, 정명철, 이진욱, "승용CRDi용 3세대 피에조인젝터 유압해석모델 개발 및 검증", 한국자동차공학회논문집, 제21권, 제4호, pp. 181-187, 2013.

원문보기 상세보기
Vijayakrishnan Venkateshmohan and Masoom Kumar, "DI-Pulse Combustion Model Calibration in GT-Power", Chalmers University, 2015.

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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].

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