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문제 정의
- 이 논문은 디젤 엔진의 배출가스 제어장치 및 배기가스 후처리장치의 하나인 DPF(diesel particulate filter)와 관련된 배기가스 관련부의 고장사례를 조사하고 이를 분석하여 이에 대한 개선 및 연구방향을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 디젤엔진의 배출가스 시스템에 관련된 고장 사례 현상을 분석하고 이를 고찰하여 봄으로써 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 배기 매니폴드에 장착된 온도센서는 VGT를 보호하기 위한 것으로 VGT 내부 온도가 850℃ 이상 상승하게 되면 내구에 문제가 되기 때문에 이를 제한하기 위해 장착된다. 따라서 1차로 VGT 입구에 있는 센서와 CPF 필터측의 전단 배기가스 온도 센서를 교환하였다. 또한, 배기가스 후처리 장치의 막힘상태를 확인하였다.
- 이 때 스로틀 플랩에 카본(carbon), 이물질로 인해 플랩의 고착이나 걸림현상이 발생되어 열리지 않게 되면 외부에서 유입되는 공기량 부족으로 다량의 매연이 발생될 수 있다. 따라서, 이 사례는 엔진에 공기를 제어해 주는 공기제어 장치인 스로틀 플랩(throttle flap)을 점검하였을 때 스로틀 플랩이 카본과 이물질에 인해 밸브가 고착되어 흡입 공기의 유입불량으로 인해 혼합기가 농후하여 매연이 발생된 것으로 확인하였다.
- 따라서 1차로 VGT 입구에 있는 센서와 CPF 필터측의 전단 배기가스 온도 센서를 교환하였다. 또한, 배기가스 후처리 장치의 막힘상태를 확인하였다. 진단기를 이용하여 엔진컴퓨터의 배기가스 후처리 장치는 초기화후에도 재생이 되지 않았다.
- 배기가스 재순환 제어를 기존의 방식과는 다르게 공기유량 센서에 의한 피드백 제어뿐만 아니라 공기 조절 밸브와 광역 산소센서를 사용하여 연료분사량 제어를 통한 정밀한 제어를 실행한다. 또한, 정확한 배기가스 재순환을 제어하기 위해 전자제어 배기가스 재순환 밸브와 수냉식 배기가스 재순환 밸브 냉각기를 사용하여 기관의 출력 및 배기가스 감소효과를 극대화하였다.
- 배기가스 재순환 제어를 기존의 방식과는 다르게 공기유량 센서에 의한 피드백 제어뿐만 아니라 공기 조절 밸브와 광역 산소센서를 사용하여 연료분사량 제어를 통한 정밀한 제어를 실행한다. 또한, 정확한 배기가스 재순환을 제어하기 위해 전자제어 배기가스 재순환 밸브와 수냉식 배기가스 재순환 밸브 냉각기를 사용하여 기관의 출력 및 배기가스 감소효과를 극대화하였다.
대상 데이터
- 그리고 매연이 발생되는 현상에서는 공회전(idle revolution)상태에서 가속이 되지 않는 것을 확인하였다. 배출가스 제어장치인 EGR 밸브를 확인하기 위하여, EGR 밸브를 강제구동하여 매연의 발생을 점검하였으나, 매연이 발생되지 않고 정상으로 확인되었다. Fig.
성능/효과
- 1) 첫번째 사례는 엔진진공펌프 손상으로 엔진오일이 다이어프램 손상으로 인해 EGR 밸브를 통해 연소실로 들어가 불완전 연소함으로써 매연이 발생 된 것을 확인되었다.
- 2) 두 번째는 공기제어 장치인 스로틀 플랩(throttle flap)을 점검하였을 때 스로틀 플랩이 고착되어 흡입공기량 부족에 의해 매연이 발생된 것을 확인하였다.
- 3) 세 번째 사례는 배기가스 온도센서의 내부불량으로 인해 온도를 감지하지 못해 CPF 재생기능을 하지 못한 것을 확인하였다
- 조치내용은 CPF 탈부착하여, 이물질 막힘을 확인하였다. CPF는 정상으로 판단하고 다시 스캐너로 강제재생 중 유심히 스캐너를 보던 중 VGT 전단 온도와 CPF 전단 온도가 차이가 많이 나는 걸 확인하고 두 개의 센서를 교환후 강제재생을 하니 성공하였다. 재생시 VGT 전단 온도센서가 먼저 상승하며 CPF 전단 온도센서도 따라서 상승하기 시작 CPF 온도가 650∼700℃까지 상승하였다.
- 8V범위까지는 매연이 발생되지 않았다. 그리고 매연이 발생되는 현상에서는 공회전(idle revolution)상태에서 가속이 되지 않는 것을 확인하였다. 배출가스 제어장치인 EGR 밸브를 확인하기 위하여, EGR 밸브를 강제구동하여 매연의 발생을 점검하였으나, 매연이 발생되지 않고 정상으로 확인되었다.
- 따라서, EGR 밸브를 점검한 결과 엔진진공펌프 손상으로 엔진오일이 EGR 밸브로 유입되어 내부 다이어프램 손상으로 인해 오일이 흡기로 유입되었다.
- 재생과정은 촉매활성화 온도, 공급되는 산소농도, 산소유량, 입자상물질의 포집량에 따라 적절하게 조절되어야 한다. 따라서, 이 자동차의 사례와 같이 영구재생 이상이라는 고장현상이 발생한 것은 재생조건이 맞지 않아 재생을 하지 못하는 것으로 판단되었다. 일반적으로 배기가스 후처리 장치의 온도를 감지하기 위해 VGT 입구와 CPF 필터측에 재생에 필요한 온도를 모니터링 하기 위해 배기가스 온도센서를 설치한다.
- 46g으로 강화되었다. 또한, 질소산화물은 5g에서 2g으로 입자상물질의 규제값은 0.1g에서 0.02g으로 매우 강화되었다. Fig.
- 이 자동차는 시운전 한 결과 운전중에 간헐적으로 흑색 매연이 발생하고 출력이 떨어지는 현상을 확인하였다. 상기 현상은 정비이력을 확인한 결과, 엔진 컴퓨터, 공기흐름센서(air flow sensor), EGR 솔레노이드 밸브, 엔진의 배선을 교체하였으며, 매연이 과다 발생하는 동일한 현상이 발생되는 것을 확인하였다. Fig.
- 이것이 연소실로 들어가 불완전 연소함으로써 배기할 때 매연이 발생된 것으로 확인되었다. 실린더 헤드를 분해하고 오일 팬의 엔진 오일을 확인하였을 때, 엔진오일의 초기 주입량이 5.4 liter인데 배출하여 양을 측정한 결과 3.8liter 정도로 확인하였다. Fig.
- 재생시 VGT 전단 온도센서가 먼저 상승하며 CPF 전단 온도센서도 따라서 상승하기 시작 CPF 온도가 650∼700℃까지 상승하였다. 이 사례의 고장원인은 배기가스 온도센서의 내부불량으로 인해 온도를 감지하지 못해 재생기능을 하지 못한 것으로 확인되었다. Fig.
- 이 자동차는 27,000km 정도 주행한 자동차로 시운전 결과 냉간상태에서 시동을 걸었을 때 엔진의 부조화 현상 및 백색과 청색 매연이 발생하는 것을 확인하였다. 또한, 급가속시 청색의 매연이 다량 발생하였다.
- 디젤엔진의 효율을 높이고, 최적의 배기가스제어를 위해, 자동차 제작사에서는 기계식 디젤 엔진에서 적용되던 분사펌프(injection pump) 방식이 아닌 전자제어 방식인 커먼레일(common rail )을 적용한 엔진을 개발하게 되었다. 이러한 엔진은 기존 디젤 엔진과 비교하여 출력 및 연비 향상을 하는데 기여하였고, 기존 기계식 디젤엔진의 배기가스를 최소화할 수 있었다. 디젤엔진에서 NOx를 줄이기 위해 EGR 시스템에 대한 연구[2,3,4]논문이 발표되었다.
- 자기진단기(self diagnosis tester)를 이용하여 점검하였을 때 공기흐름센서의 신호값이 낮게 출력되었으며, 센서의 값이 0V에서 3.8V범위까지는 매연이 발생되지 않았다. 그리고 매연이 발생되는 현상에서는 공회전(idle revolution)상태에서 가속이 되지 않는 것을 확인하였다.
- 또한, 급가속시 청색의 매연이 다량 발생하였다. 확인한 결과, EGR 밸브 쪽에서 엔진오일이 다량으로 누유되는 것을 확인하였다. 엔진오일은 엔진오일이 누설될 수 있는 엔진의 블로바이가스(blow-by gas)를 흡기쪽으로 공급하는 PCV(positive crankcase ventilation) 밸브, 배출가스를 다시 한번 흡기쪽으로 보내 연소시키는 EGR 밸브, 밸브스템 실(stem seal)의 내구성 약화로 인한 실린더헤드의 연소실 내부로의 오일누설과 피스톤에 의한 오일 제어 불량에 의한 연소실로의 오일 유입 등으로 인해 오일이 과다 누설될 수 있다[11].
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