초록 ▼

○ 연구결과
[주관기관 (세부 1,대동공업)]배기가스 후처리장치 장착을 위한 Packaging System 개발
1.선행조사
가.Cummins(사):QSM3.3,Yanmar(사):4TNV94HT-CR,Perkins(사):1204E-E44TA,Mitsubishi
(사):K42의 선진 기술 및 선진국의 배기가스 규제에 대한 조사 및 분석을 통해 경재 모델 분석 및 목표 설정의 타당성 검토 하였다.
나.선행기술에 대한 선행 조사를 통하여 시장현황을 파악하기위해 처리장치의 성능 향상 및 소형화 관련 특허 544건

○ 연구결과
[주관기관 (세부 1,대동공업)]배기가스 후처리장치 장착을 위한 Packaging System 개발
1.선행조사
가.Cummins(사):QSM3.3,Yanmar(사):4TNV94HT-CR,Perkins(사):1204E-E44TA,Mitsubishi
(사):K42의 선진 기술 및 선진국의 배기가스 규제에 대한 조사 및 분석을 통해 경재 모델 분석 및 목표 설정의 타당성 검토 하였다.
나.선행기술에 대한 선행 조사를 통하여 시장현황을 파악하기위해 처리장치의 성능 향상 및 소형화 관련 특허 544건,엔진룸의 내부 배치구조 특허 55건,후처리장치의 배치 구조 136건,총 735건을 조사하였다.
2.본넷트 디자인 및 목업 제작
가.본넷트,휀더,지붕을 디자인 개발을 하였다.본넷트의 경우 방열 성능을 향상시키기 위해서 최적의 공기 통로를 확보하였으며,작업자의 시야성을 높이기 위해 전조등 및 사이드 작업등을 신규 개발하였다.디자인부분은 차 IDEA SKETCH 공청회(30개안),2차 IDEA SKETCH 공청회(4개안),렌더링 공청회(2개안),CAS 모델링 공청회 ,MOCK UP 공청회 총 5번의 공청회를 거쳐 디자인을 하였다.
나.선정된 디자인으로 목업를 제작하였다.
3.기본 Layout설계 및 3D Modeling
가.기본 Layout설계 및 3D Modeling을 하였다.엔진사양 및 시스템을 도식화하였으며,DPF사양을 검토하였다.그리고 installationguide을 기초로 ECU,각종 센서류 그리고 AFM 사양을 결정하였으며,AFM와 에어크리너와의 layout을 구성하였다.후저리장치의 배치 및 마운팅에 대한 설계를 하였으며,각종 Tier-4엔진에 필요한 attachments들의 배치 및 설계를 하였다.
4.Tier-4엔진장착에 필요한 엔진룸 최적설계 및 제작
가.1차년도에 설계한 본넷트 및 휀더를 Mock-up로 제작하여,실제 1차 시제품에 장착하였다.
나.ECU는 온도 민감한 전자 유닛으로 냉각효율을 높이기 위해 Coolingsystem 전방에 배치하였다. ECU와 어플리케이션 사양은 미쯔시비사에 제공한 installationguideline를 통하여 결정하였다. 1차년도에서 설계 모든 파트들을 제작하여,1차 시제품을 제작하였다.
다.엔진룸 배치구조를 개선 검토 하였다.
5.후처리장치 배치구조의 최적설계 및 제작
후처리장치의 배치는 MHI社에서 제공한 installationguideline기반으로 구성되었다.이를 기반으로 하여,후처리장치의 배치구조를 확정 지었다.또한 각 파트의 특성을 분석 및 검토하여 최적의 배치 구현하였다.후처리장치 경우 Regeneration조건을 검토하여 주변부품에 대한 사양을 결정하였다.
Sensor는 외부 환경에 민감한 유닛 때문에,위치선정이 매우 까다롭다.Tier-4엔진은 그 특성이 더욱 그러하다.고온이 발생되는 구간을 파악하고,안전한 구간을 선정하여 그 구간에 배선을 및 센서를 설치하였다.DPF InstallationGuideline에 따라 모든 엔진룸 layout을 제작하였다.
6.캐빈 최적 설계 및 제작
가.캐빈은 ISO 및 EEC 법규를 만족하도록 설계하였다.우선 인체공학적으로 운전석공간를 확보하였
다.그리고 진동 및 소음을 고려한 캐빈설계 및 제작을 하였다.
나.공조구조 단순화 및 작업자 시야성을 향상시키기 위해 지붕 설계 및 제작하였다.
7.Target검증 및 기본 성능시험
1차 시제품에 대한 기본 성능시험을 실시하였다.Tier-4엔진은 엔진룸 온도가 다른 엔진에 비해 매우 높다 그러므로 온도에 민감한 유닛을 기준으로 온도를 측정하였다.또한 냉각시스템의 성능을 확인하기 위하여 방열시험을 실시하였으며,최근 이슈가 되고 있는 소음 진동의 크기를 확인 위해 관련 시험을 실시하였다.
8.2차 시제품 부품개발 및 수정보완
품질검증 및 양산성 평가를 하기 위해 시제품의 문제점을 파악하고 Tier-4엔진의 성능 부분에 문제 되는 부분들을 개선하였다.
9.2차 퍼킨스 엔진 탑재 시제품 제작
품질검증 및 양산성 평가를 하기 위해 2차 시제품의 문제점을 파악하고 Tier-4엔진의 성능 부분에 문제되는 부분들을 개선하였다.
2차시제품에 적용된 엔진은 퍼킨스 엔진임으로 1차년도에 적용된 MHI社와 엔진룸 layout이 다르기에 기본성능시험을 다시 실시하였다.성능시험에서 발생한 문제점들은 개선 설계 및 제작하여 2차 시제품에 장착하였다.그 결과 양산품 수준에 준할 만큼의 성능을 확보하였다.
10.설계 보완 및 최종 사양 확정
후처리장치 PackagingSystem 사양을 확정하였다.퍼킨스와의 협의 통하여,엔진에 대한 모든 사양 및 평가기준을 확정 지었다. 이를 기반으로 Tier-4엔진 시험방법 및 기준을 확정 지었으며, ECU, Wire-hardness경로 및 센서 위치까지 기본적인 layout및 사양을 확정 지었다.
[협동기관 1(동양물산기업)]:트랙터 본기의 Cooling System 개발 및 엔진룸 AirFlow 최적화
1.선행 조사 실시
가.엔진 제조사별로 (퍼킨스,얀마,미쯔비시,커민스)75kW급 Tier-4디젤엔진의 배기가스 규제 대응방안(기술 동향)을 조사하였다.
나.냉각시스템을 구성하는 요소부품들의 특성을 조사하였다.
2.냉각시스템 LAYOUT설계 및 DESIGN REVIEW
가.냉각 시스템이 적절하게 구성되어 졌는지를 평가하기 위해 평가항목과 평가기준을 설정하였다.
나.과제 수행을 위해 Tier-375kW급 엔진이 장착 된 트랙터로 선행해석 및 선행시험을 실시하여 기초 자료를 수집하였다.
다.냉각 시스템의 모듈화 개발을 위해 전체 사이즈를 콤팩트 화하고 시스템의 방열 효율성을 최적화하기위해 각 요소 부품들의 배치가 적절하도록 Layout설계를 진행 하였다.
라.각 요소 부품들과 패키지 조합의 신뢰성을 보증하기 위해 요소 부품별 신뢰성시험 항목을 선정하였다.
3.1차 시제품 개발 추진
가.트랙터 엔진 냉각 시스템의 설계,개발 시 최적화 할 수 있도록 상용화 되어있는 AnsysCFX 소프트웨어를 이용하여 엔진룸 내 공기의 유동해석을 실시하였으며 이 결과를 토대로 엔진룸 설계 최적 안을 도출하였다.
나.MHI社에서 제공한 냉각팬 성능곡선 등 Data와 트랙터에서 요구되는 냉각 성능을 기초로 하여 각 요소부품들의 단품 설계를 진행하였다.
다.냉각 시스템을 구성하고 있는 각 요소 부품들의 성능시험을 방열량시험을 위주로 하여 실시하였다.
4.요소부품 개발 추진 및 시제품 제작
가.냉각 시스템 해석 결과 및 엔진 메이커에서 제공되는 Data를 기초로 설계된 CoolingModule을 제작하였다.
나.제작된 CoolingModule을 대동공업으로 송부하여 과제 수행용 트랙터 시제품을 제작하였다.
5.TARGET 검증 및 성능시험
가.실차 적합성 평가를 위해 선정된 주요평가 항목에 따라 온도센서는 총18개소에 설치하였다.
나.운전 영역별 방열 특성 파악 및 온도평가와 실차적합성 평가를 실시하였다.정격 출력 점의 ACT는 약58정도로 기준치인 46이상을 만족하였으며 최대 토크점의 ACT는 약56정도로 기준치인 40이상을 만족하는 것으로 분석되었다.
6.성능시험 시 발생되는 문제점 설계 보완
가.MHI社의 K42엔진은 방열성능은 양호하게 측정 되었으나 PTO효율이 71.8%로 낮게 측정되어 3차년도에는 Perkins社854E엔진을 장착한 2차시제품을 제작하여 비교시험을 실시토록 계획하였다.
7.2차 시제품 제작
가.2차 CoolingModule시제품 제작 시 Perkins社854E엔진을 장착하여 냉각시스템 해석을 수행하여 MHI社K42엔진 장착 시와 해석 결과를 비교하였다.해석결과 Perkins社854E 엔진이 장착된 트랙터가 엔진룸 내의 각 컴포넌트의 방열성능 및 엔진 냉각에 효과적 일 것으로 판단되었다.
나 .Perkins社에서 제공한 냉각팬 성능곡선 등 DATA와 트랙터에서 요구되는 냉각 성능을 기초로 하여 각 요소부품들의 단품 설계를 진행하였다.
다.냉각 시스템을 구성하고 있는 각 요소 부품들의 신뢰성을 화보하기위해 신뢰성 시험을 실시하였다.
라.Perkins社854E엔진을 장착한 시제품 트랙터 제작을 위하여 2차 CoolingModule시제품을 제작하였고 2차년도 대비 냉각시스템 요소 부품의 사양 변경 내용은 인터쿨러 용량증대와 인터쿨러 고정용 브래킷의 형상변경이 주요 변경 사항이다.2차 CoolingModule시제품을 과제 수행용시제품 트랙터를 조립하기위해 대동공업으로 송부하여 시제품 트랙터를 제작 하였다.
8.2차 성능 평가
가.Perkins社854E엔진이 장착된 시제품 트랙터에 2차년도의 평가 결과와 비교가 가능하도록 온도센서는 총18개소에 설치하였다.
나.Perkins社854E엔진이 장착된 시제품 트랙터의 운전 영역별 방열 특성 파악 및 온도평가와 실차 적합성 평가를 실시하였다.정격 출력점의 ACT는 약51정도로 기준치인 48이상을 만족하였으며 최대 토크점의 ACT는 약43.3정도로 기준치인 42이상을 만족하는 것으로 분석되었다.정격출력 점 및 최대토크 점의 비교표를 보면 MHI社K42엔진에 비해 Perkins社854E엔진의 ACT가 다소 낮게 측정된 것으로 보이나 이는 MHI社K42엔진의 PTO출력이 71.1HP으로(PTO효율 71.8%) Perkins社854E엔진의 PTO출력인 84.3HP보다(PTO효율 82.7%)약 13HP정도 낮게 측정 된 이유가 원인으로 판단되며 비록 Perkins社854E엔진의 ACT가 다소 낮더라도 기준 치인 정격출력 점의 48과 최대토크 점의 42을 상회하므로 냉각 성능에는 문제가 없는 것으로 분석되었다.
9.설계 보완 및 최종 사양 확정
가.MHI社K42엔진을 장착한 1차시제품 트랙터와 Perkins社854E엔진을 장착한 2차시제품 트랙터를 비교 분석한 결과 방열성능은 유사하나 PTO효율 및 토크라이즈 등 제반 성능이 Perkins社 854E엔진을 장착한 2차시제품 트랙터가 우수하므로 최종 시제품 엔진인 Perkins社854E엔진이 고마력 트랙터에 최적화되어 있는 것으로 판단되었다.
[협동2(국제종합기계)]작업환경 변화에 따른 후처리장치 매칭 기술
1.선진 업체 기술 동향 조사
가.후처리장치 매칭 기술을 위하여 미국,유럽 및 일본의 배기 가스 규제치를 조사하였다.
나.국내 및 일본,미국 및 인도 업체의 기술수준을 조사하였다.
다.배기 가스 저감을 위한 엔진 단독 개선 방안인 연소실 형상 개선,고압 분사,전자제어 및 EGR에 대하여 조사를 하였다.
라.배기후처리 장치 종류인 DOC,DPF 및 SCR에 대한 배기 가스 저감 효과를 조사하였다.
2.트랙터의 운전패턴 분석
가.3.4L엔진 탑재된 트랙터에 로터리 작업기를 장착하여 주행속도에 따른 배기 온도 변화 경향 평가 시험을 실시 하였다.시험결과 배기 파이프 전체 구간에 있어서 배기 온도의 하강은 10℃정도로 매우 작은 것으로 나타났다.
나.로타리 작업에 따른 배기 온도,작업 부하 측정 및 엔진 부하율 경향 평가 시험을 실시하였다. 로터리 작업시,터보 차져 전후단에서 최소 50℃에서 최대 95℃까지 배기 온도가 차이가 났다. 그리고 로터리 작업기를 장착하고 시험한 결과,작업기 작업시의 엔진에 걸리는 부하량은 대략 60~75% 수준이며,고 RPM,고 변속 단수에서 더 큰 부하가 발생되는 것을 알 수 있었다.
다.배기 가스 저감을 위해 외부 EGR 시스템를 장착하여 엔진 단독 평가시험을 하였으며,이를 통한 EGR의 적용성을 파악하고,NOx및 PM 저감 효과를 검토하였다.EGR 적용 유/무에 따라 EGR 적용시 EGR율에 따른 NOx저감은 중/저 부하 영역에서 뚜렷한 것을 알 수 있었다.
라.배기가스 저감을 위해 DPF 시스템를 장착하여 엔진 단독 평가 시험을 하였으며,배기후처리 장착 후 시험결과,PM은 100%로 저감되었다.
3.고마력 트랙터 엔진의 후처리 시스템 사양 시험
가.3.4L엔진 탑재된 트랙터에 쟁기 작업기를 장착하여 작업의 운전 영역별 배기 온도 특성 및 배기온도 평가를 하였다.시험 결과 쟁기 작업 시 부하변동에 대한 엔진 배기 온도의 변화 경향을 파악할 수 있다.실제 견인부하가 클수록 엔진의 배기 온도는 높게 나타났다.이는 엔진이 견인부하를 극복하기 위하여 보다 많은 연료를 소모하여서 엔진 토크를 증대하는 것으로 나타났다.
나.쟁기 작업시 발생하는 여러 변수들에 대해 최대한 편차를 줄이기 위한 방안으로 경심 깊이를 확인하는 시험을 실시하였다.
다.트랙터의 쟁기 작업 시 배기온도 특성을 파악하여 후처리장치 개발 시 재생타입을 선택하거나,엔진 운전 조건에 따른 EGR율을 설정하기 위하여,배기온도 특성에 따른 PM 포집 후 재생방식을 검토하였다.시험 결과 각 구간에서의 배기 온도 분포를 보면,주행 및 로터리 작업 시 측정되었던 배기 온도 경향과 같이 터보 차져 전/후단의 배기온도는 큰 차이를 보이고 있다.이를 바탕으로 주행 및 작업 시 DPF가 자연재생을 위해 유지되어야 하는 배기온도인 300℃보다 낮은 온도로 운전되고 있음을 확인하였고,DPF 재생 시 필요한 배기온도를 유지하기 위한 조건을 Logic에 적용하여야 한다.
라.작업기 부하에 따른 배기온도 경향을 확인 한 결과,배기온도가 DPF를 자연재생하기 위한 온도에는 못 미치는 것으로 확인되었다.
4.실차 적합성 평가
가.배기 가스 저감을 위한 후처리 장치 중 하나인 DPF에 대해 실차적합성 및 PM(Soot)축적량에 대한 평가를 하였다.
나.실작업 조건에서의 트랙터의 배기후처리 장치,특히 DPF에 포집되는 Soot의 축적량에 대해 트랙터 주행 시험을 통해 확인하였다.실제 9시간 주행을 실시하였으며,주행 시간 증가에 따른 Soot 축적량을 실제 무게로 확인하여 축적량 대비 변화 관계를 확인 하였다.
다.실작업 조건에서 Soot축적량 확인에 대해 주행 시험을 통하여 Soot축적량 및 축적량에 따른 DPF 전/후단의 배기온도 변화와 차압관계를 확인하였다.Soot축적량은 배기후처리장치(DPF, DOC 및 브라켓,각종 센서 포함)의 실 무게를 측정하였으며,재생 후와 9시간 주행 후의 무게차이를 바탕으로 Soot축적량을 계산하였다.
5.작업 부하별 재생 성능 평가
가.작업 부하별 재생 성능 평가는 주행 시와 작업시(로터리 및 쟁기)로 나누어서 평가를 하였다.
나.주행 시험에서는 트랙터 주행 시의 배기가스의 온도 경향을 파악하기 위한 것으로,일반 아스팔트 도로를 주행하는 것으로 하였으며,실내에서 RunningTest를 실시하였다.도로 주행은 트랙터 공차의 상태로 주행을 실시하였으며,배기가스의 온도를 측정하여서 재생 방법 중 passivetype와 activetype가능성을 판단하도록 하였다.주행 시험 결과 DPF 전/후단의 배기온도의 분포는 최소 130℃에서 최대 186℃를 보여주는데,이는 일정 구간 300℃이상 유지되어야 가능한 Passive방식을 적용하기에는 배기온도가 낮은 것을 보여준다.
다.트랙터 로터리 작업시 재생 성능평가 시험를 실시하였으며,로터리 작업 시에도 DPF 전ㆍ후단에서 최소 220℃에서 최대 400℃까지 배기온도가 분포를 하고 있는 것을 볼 수 있으며,배기 온도는 일정 작업 시간이 지나고 나서 일정하게 유지되고 있는 경향을 보이고 있다.그리고 작업 단수가 증가할수록 배기온도가 상승되는 경향을 보여준다.DPF 전/후단의 배기온도분포는 작업 단수 6단에서 최소 220℃,최대 400℃의 온도분포를 보여준다.
라.트랙터 쟁기 작업시 재생 성능평가 시험을 실시하였으며,쟁기 작업 시 트랙터의 정격 회전수인 2400rpm을 유지하지 않고 1800~2000rpm을 유지하면서 작업을 실시 한다.엔진 회전수가 2000rpm 인 경우의 DPF 전단과 후단의 배기 가스를 보면 300℃보다 낮게 나타나고 있다.이를 바탕으로 쟁기 작업 시 DPF가 자연재생을 위해 유지되어야 하는 배기온도인 300℃보다 낮은 온도로 운전되고 있음을 확인 하였고,DPF 재생 시 필요한 배기온도를 유지하기 위한 조건을 Logic에 적용하여야 한다.
6.재생 Logic검증 및 성능 평가
가.배기가스 저감을 위한 후처리장치 중 하나인 DPF에 대해 재생 가능성에 대한 평가를 실시하였다.
나.재생 Logic검증을 위해서는 필드 시험을 하지 않고,로터리 작업을 위한 실내의 PTO 다이나모 시험을 실시하였다.
다.재생 평가 시험은 실제 필드에서 작업을 하는 것이 아니라 필드 작업 조건을 실내에서 구현을 하는 방법을 채택을 하였다.실제 로터리 작업,쟁기 작업 및 주행 작업에 대한 시험을 실시하여야 하나,그 중에서도 엔진에 가장 큰 부하가 걸리는 로터리 작업에 대한 실내 PTO 다이나모 시험을 통하여 재생 Logic에 대하여 평가를 하고자 한다.
7.후처리 시스템 최적화 검토
가.후처리 시스템의 사양 검토를 실시하였다.
나.후처리 시스템의 설치 가이드를 만족하는지 여부에 대한 탑재성 검토를 실시하였다
[협동기관 3(LS 엠트론)]VehicleCalibration및 신뢰성 평가
1.실차 시험 평가 기술 정보 조사 및 기준안 설정
가.신차 시험 평가 기술 및 기준안 설정을 위한 기초자료로 자동차에 적용되는 VehicleCalibration 및 기타 항목을 조사하였다.
나.MHI社,얀마,퍼킨스의 Off-road용 56kW급 이상 Tier-4디젤엔진의 배기가스 저감을 위한 기술동향을 조사하였다.
다.56kW급 이상 Tier-4디젤엔진의 고마력 트랙터 탑재 시험 평가 항목 설정을 위한 기초자료로 기존 Tier-3엔진의 고마력 트랙터 탑재에 적용되는 시험 평가 항목을 조사하였다.
라.농기계용 Tier-4관련 배기 규제 동향 및 범위,시험 방법을 조사하였다.
2.실차 조건 평가 항목 및 기준 설정
가.DPF 재생 로직 방법 및 기준 설정을 위해 농기계용 DPF 평가방법,주요 설계인자,재생로직 방법,재생제어를 위한 주요 Parameter를 조사하였다.
나.DPF 재생 로직 검증 및 실차 평가 기준 설정을 위해 농기계 운전특성 및 DPF 재생 로직 검증시험 방법 및 기준을 조사하였다.
3.Base엔진 기초 성능 평가를 통한 시험 기술 확보
가.Tier-4규제를 대비한 Tier-4시험 모드(NRTC)의 시험평가기술을 확보하고자 2.6L급 직분식 Tier-3엔진으로 Tier-4예비시험을 수행하였다.
나.기존의 C1모드시험 과 변경된 NRTC 모드시험의 비교 평가 결과,CO의 경우 거의 차이가 없으며,NOx,PM의 경우 NRTC 모드시험이 각각 21%,15% 높은 수치를 나타냈으며,THC의 경우는 NRTC모드 시험이 41% 낮은 수치를 나타내었다.
4.시제품 시험 평가
가.커먼레일 엔진인 MHI社의 K42엔진이 탑재되어 제작된 대동 DX100트랙터 시제품에 대한 PTO 출력 성능 시험 평가 결과,기존 Tier-3엔진이 탑재된 LS 동급 트랙터 대비 PTO 출력/효율 및 최대토크,토크라이즈가 낮은 결과를 나타냈으며,이는 시제품 엔진인 K42엔진이 고마력 트랙터에 최적화 되어있지 못한 것으로 판단되었다.
나.시제품 엔진인 K42엔진 입고 전에 Tier-4엔진에 대한 시험 기술 확보를 위해 커먼레일엔진인 NEF 6L급 엔진에 대하여 NRTC 모드의 시험 평가를 실시하여,Tier-4엔진에 대한 시험 기술을 확보하였으며,시제품 엔진인 K42엔진에 대한 NRTC 본 시험 평가 결과,NOx는 3.228g/kWh,PM은 0.014g/kWh로 Tier-4규제수치에 만족하였다.
다. K42시제품 엔진의 실차 적용성 검증을 위해 전 운전영역 조건에서 출력 /연비 /배출가스 특성/배기온도 및 배압조건 분석을 통하여 트랙터 실차 적용성을 확인하였다.
5.탑재 상태 동특성 평가
가.시제품의 다축 진동 특성을 측정하기 위해 대동 DX100트랙터 시제품에 대한 삼축(x,y,z)진동 특성 시험 평가 결과,기존 Tier-3엔진이 탑재된 LS 동급트랙터 대비 높은 수준을 나타내었으
나,진동시험기준에는 적합하였다.
나.실차조건에서의 소음 특성 평가를 위해 대동 DX100트랙터 시제품에 대한 정지/주행 소음 평가 시험 평가 결과,전반적으로 시제품 트랙터와 Tier-3엔진이 탑재된 LS 동급 트랙터 모두 소음 수준이 엔진회전수가 증가할수록 증대되는 경향을 나타냈으며,특히 시제품트랙터의 최고 소음 수준이 90dB로 운전석 소음시험기준(86dB)에 미달되었다.또한 외부 소음 시험 결과를 비교하면, 전반적으로 시제품 트랙터가 Tier-3엔진이 탑재된 LS 동급트랙터 대비 높은 소음 수준을 나타내었으나,시운전석 소음 시험기준에는 적합하였다.
6.실차 성능 평가
가.최종 시제품인 Perkins社의 854E-E34TA 엔진이 탑재되어 제작된 대동 TG1100-Tier-4트랙터에 대한 PTO 출력 성능 시험 평가 결과,기존 시제품인 대동 DX100트랙터 대비 PTO 출력/효율 및 최대토크,토크라이즈가 높은 결과를 나타냈으며,이는 최종 시제품 엔진인 854E-E34TA엔진이 고마력 트랙터에 최적화되어 있는 것으로 판단되었다.
나.기존 시제품인 대동트랙터의 경우 인터쿨러 상승온도가 기준치(상온+30°C)이하보다도 낮은 수준인 52.6°C를 나타내어 최종 시제품을 개선하여 흡기/배기/냉각시스템 최적화 시험평가 결과 기준치에 모두 만족하였다.Exhaustsystem의 경우 최종 시제품 트랙터 및 대동트랙터 모두 최대부압(터보통과후,DPF통과후)이 기준치보다 높은 수준을 나타내어,Exhaustsystem의 배기 Lay-out의 개선이 필요한 것으로 분석되었다.Coolingsystem의 경우 최종 시제품 트랙터 및 대동트랙터 모두 기준치에 만족하였으며,AirtoBoilTest의 경우 온대기후 및 열대기후의 조건에서는 만족하였으나,사막기후에서는 기준치 부적합한 것으로 분석되었다.전반적으로 최종 시제품 트랙터 및 대동 트랙터 둘 다 추가적인 시스템 매칭작업이 필요한 것으로 분석되었다.
7.최종 신뢰성 검증 시험 실시
가.최종 시제품인 Perkins社의 854E-E34TA 엔진이 탑재되어 제작된 대동 TG110-Tier-4트랙터에 대한 삼축(x,y,z)진동 특성 시험 평가 결과,기존 시제품인 대동 DX100트랙터 대비 낮은 수준으로 분석되었다.
나.실차조건에서의 소음 특성 평가를 위해 최종 시제품인 Perkins社의 854E-E34TA 엔진이 탑재되어 제작된 대동 TG1100-Tier-4트랙터에 대한 정지/주행 소음 평가 시험 평가 결과,전반적으로 최종 시제품 트랙터 및 대동 DX100트랙터 모두 소음수준이 엔진회전수가 증가할수록 증대되는 경향을 나타내었으며,최종 시제품트랙터가 선형에 근접한 소음수준을 나타내는 반면에 대동 DX100 트랙터의 경우 시제품트랙터대비 높낮이 편차가 심한 분포를 나타내었다.최종 시제품트랙터의 최고 소음 수준이 86dB로 운전석 소음 시험기준(86dB)에 적합하였으나,이에 비해 대동 DX100트랙터의 최고 소음 수준이 90dB로 운전석 소음시험(86dB)에 부적합한 것으로 분석되었다.또한 외부소음 수준을 분석하면,전반적으로 최종 시제품트랙터가 대동 DX100트랙터 대비 낮은 소음 수준을 나타냈으나,최종 시제품트랙터 및 대동 DX100트랙터 모두 운전석 소음시험기준에 적합하였다.
다.최종 시제품 트랙터의 종합적인 성능을 파악하기 위해 로타리 작업,쟁기 작업 등을 통한 Field 시험에서 각종 조작 장치의 성능,엔진 성능,변속기 성능 등을 종합적으로 평가한 결과,각부 특이 문제점이 없는 것으로 분석 되었다.
8.최적화 시스템의 성능 평가
가.최적화 후처리 시스템의 최종 성능 평가를 위해 NRSC 및 NRTC 시험모드를 통하여 출력 및 배기 수준을 확인하였다.출력의 경우 PERKINS 엔진이 K42엔진의 비해 더 높으며NRSC 시험결과 NOx배출량은 2.532g/kWh로 K42엔진에 비해 약 20% 적게 배출되었으며,PM의 경우 0.0095g/kWh로 K42엔진에 비해 약 32% 적게 배출되었다.또한 NRTC 시험결과 NOx배출량은 3.0g/kWh로 K42엔진에 비해 약 10% 적게 배출되었으며,PM의 경우 0.01g/kWh로 K42엔진에 비해 25% 높게 배출 되었다.위 시험모드를 통해 최종시제품의 배기수준은 Interim-Tier-4 규제를 만족함을 확인하였다.
나.최적화 시스템의 기본성능 분석을 위해 재생평형온도(BPT)분석을 통하여 DOC 입구 온도가 353℃에서 재생평형을 이루는 것을 확인하였다.또한 엔진 전 운전영역 조건의 출력 /배출가스특성/배기 조건등을 분석하여 실차 적용성을 확인하였고,PM 재생조건을 선정하여 DPF 재생 로직 특성을 검증하였다.
다.최적화 후처리장치시스템의 PM Loading을 통한 DPF 재생로직 검증을 위해 엔진 연소상태를 악화 시키는 transient,EGR 및 EGR 혼합조건의 A,B,C 시험모드를 적용 하였으며.C 모드 조건에서 엔진의 부하조건에 따른 DPF 재생특성을 검증하였다.부하조건에서 재생은 연료 후 분사를 통해 DPF 후단의 온도를 BPT까지 강제적으로 올려 재생이 진행되었으며,무부하 조건에는 DPF 후단의 온도를 BPT까지 올린 후 추가적으로 연료를 더 공급해 DPF 후단의 온도를 600℃ 이상으로 유지하며 재생되었다.두 조건 모두 DPF의 차압이 약 10mbar수준으로 감소 시켰으며,실 트랙터 적용에 있어 운전 특성을 반영하여 재생이 이루어짐을 확인하였다.

Abstract ▼

According to Korea Agricultural Machinery Industry Cooperative(KAMICO), annual average market growth of the tractor with high HP engine is increasing about 14.5 %. Also Annual average world market is increasing about 4%. Korea companies have about 1.6% world market share. Since the future of Agricul

According to Korea Agricultural Machinery Industry Cooperative(KAMICO), annual average market growth of the tractor with high HP engine is increasing about 14.5 %. Also Annual average world market is increasing about 4%. Korea companies have about 1.6% world market share. Since the future of Agriculture & animal husbandry is being mechanized, the market would be positively better. It is necessary to have the technology on Tier-4 engine installation and Application because the market the technologies are required is increasing.
Exhaust Gas Regulations started in 2012 need the improvement on engine room and optimizing packaging system because the Tier-4 engine room volume is smaller the current according to apply the after-treatment, the parts for applications and the requirement on heat dissipating condition. ECU for controlling the Application for high pressure spray and after-treatment are required the more time and technologies for matching by integration of various applications.
Therefore, target of this study develops the application technologies optimized for high HP engine complied with Exhaust Gas Regulations and provide eco-friendly tractor and convenient interface for worker. Also world market share will be increased by technology improvement and growth of korea companies.
The main results obtained from the study are as follows:
1. The preceding research was performed for developed on Packaging System to install aftertreatment for exhaust Gas. Base on the preceding research, the layout related with installation for aftertreatment was designed and applied to real tractor. The tractors with K42 and Perkins engines were made respectively 4 for the performance test. Daedong get the patent on the layout of ECU & DPF. And the optimized Packaging System for exhaust gas aftertreatment was realized through the performance test, evaluation and modification activity.
2. The contents and standard for evaluation was built. And the cooling system for high HP engine & the optimal technology about Air flow in engine room is developed.
3. The work condition was built by the driving pattern of high HP agriculture tractor under working condition. And then ECU performance Logic was evaluated and modified after driving pattern analysis. The optimized aftertreatment reliability is ensured.
4. It was researched on the technology information on Vehicle Calibration and reliability evaluation to comply Tier-4 regulation. Base on the research, It was built condition evaluation contents and standard. Base on the standard, the matching performance was evaluated by the test and condition performance of real tractor and dynamic characteristic evaluation. And then It was ensured the reliability by the evaluation of final proto tractor. Finally it was ensured the test evaluation technology on Vehicle Calibration and reliability.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 요약문 ... 3
• SUMMARY ... 16
• CONTENTS ... 18
• 목차 ... 24
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 30
• ○ 연구개발의 목적 및 필요성 ... 30
• ○ 연구내용 ... 30
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 32
• ○ 국내 기술 현황 ... 32
• ○ 국외 기술 현황 ... 32
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 34
• 제1절 [주관기관(대동공업)] 배기가스 후처리장치 장착을 위한 Packaging System 개발 ... 34
• 1. 선행조사 ... 34
• 가. 배기가스 규제 정책 ... 34
• 나. 선진기술 특허조사 및 분석 ... 38
• 2. 기본 Layout 설계 및 3D Modeling ... 43
• 가. 엔진 Application ... 43
• 나. 후처리장치 배치 및 엔진룸 최적설계 ... 50
• 다. 캐빈설계 ... 53
• 3. 본넷트 디자인 ... 57
• 4. 시제품 개발추진 ... 59
• 5. 엔진룸 최적설계 및 제작 ... 60
• 가. Tier-4 엔진장착에 필요한 엔진룸 최적설계 및 제작 ... 60
• 나. 엔진룸 배치구조 개선사항 ... 70
• 6. 후처리장치 배치구조의 최적설계 및 제작 ... 74
• 가. 후처리장치 배치구조 및 특성 ... 74
• 나. 후처리장치 DPF- Regeneration ... 75
• 다. SENSOR 위치 및 특징 ... 78
• 라. DPF Installation Guideline ... 81
• 마. DPF Regeneration Strategy ... 82
• 7. 캐빈 최적 설계 및 제작 ... 85
• 가. ISO 및 EEC 법규를 만족하는 최적 캐빈 설계 및 제작 ... 85
• 나. 진동 및 소음을 고려한 캐빈설계 ... 88
• 다. 지붕 설계 및 제작 ... 90
• 라. THROTTLE (FOOT & HAND) 설계 ... 90
• 8. Target 검증 및 기본 성능시험 ... 93
• 가. 엔진룸 내부 온도 측정 ... 93
• 나. 방열성능 및 배압 시험 ... 94
• 다. 소음 및 진동 시험 ... 96
• 9. 2차 시제품 부품개발 및 수정 보완 ... 102
• 가. 품질 검증 및 양산성평가 ... 102
• 나. 품질 문제점 개선 ... 105
• 10. 2차 시제품 제작 및 성능평가 ... 110
• 가. 퍼킨스 엔진 탑재 시제품 제작 ... 110
• 나. 기본 성능 시험 ... 114
• 11. 설계 보완 및 최종 사양 확정 ... 116
• 가. 후처리장치 Packaging System 사양확정 ... 116
• 나. 엔진 탑재성 개발 요구 성능 기준 ... 124
• 다. 엔진 탑재성 개발 요구 성능 기준을 고려한 시험 방법 및 기준 ... 127
• 마. ECU(electronic control unit) ... 132
• 사. WIRE-HARNESS 3D 경로선정 ... 136
• 아. 후처리장치 DPF- Regeneration ... 142
• 자. SENSOR 위치 및 특징 ... 144
• 12. 최종양산 엔진 선정 ... 146
• 제2절 [협동1(동양물산기업)] 트랙터 본기의 Cooling System 개발 및 엔진룸 Air Flow 최적화 ... 149
• 1. 선행조사 ... 149
• 가. 엔진 제조사별 배기가스규제 대응방안 ... 149
• 나. 냉각시스템의 요소부품 특성 조사 ... 151
• 2. 냉각시스템 Layout 설계 및 Design Review ... 153
• 가. 평가항목 선정 및 평가기준 선정 ... 153
• 나. 과제 수행을 위한 선행 해석 및 TEST ... 155
• 다. 냉각시스템 Layout 설계 및 Design Review ... 159
• 라. 시제품 개발추진 ... 163
• 3. 냉각 시스템 부품 개발 ... 163
• 가. 냉각 시스템의 요소부품 설계 ... 163
• 나. 냉각 시스템의 요소부품 성능시험 ... 166
• 다. 냉각시스템 해석 ... 167
• 라. 냉각 시스템 TEST ... 172
• 4. 시제품 기대 조립 ... 173
• 가. Cooling Module 시제품 조립 ... 173
• 5. TARGET검증 및 성능시험 ... 174
• 가. 운전 영역별 방열 특성 및 온도평가 & 실차 적합성 평가 ... 174
• 6. PERKINS社 854E엔진 탑재용 냉각 시스템 부품 개발 ... 180
• 가. 냉각 시스템의 요소부품 설계 ... 181
• 나. 냉각 시스템의 요소부품 성능시험 ... 183
• 다. 냉각시스템 해석 ... 185
• 7. 시제품 기대 조립 ... 188
• 가. 2차 Cooling Module 시제품 조립 ... 188
• 8. TARGET검증 및 성능시험 ... 189
• 가. 운전 영역별 방열 특성 및 온도 비교 평가 & 실차 적합성 비교 평가 ... 189
• 제3절 [협동2(국제종합기계)] 작업환경 변화에 따른 후처리장치 매칭 기술 ... 195
• 1. 선진업체 기술동향 조사 ... 195
• 가. 선진 업체 기술 동향 조사 ... 197
• (1) 각 국의 Emission 규제 현황 ... 197
• (2) 기술 개발 현황 ... 198
• (3) Emission 저감을 위한 업체 별 기술 보유 현황 ... 198
• 나. 배기가스 저감 기술 조사 ... 200
• (1) 엔진 기술 ... 200
• (가) 연소실 형상의 개선 ... 200
• (나) 고압분사 ... 202
• (다) 전자제어 ... 203
• (라) EGR(Exhaust Gas Recirculation) ... 204
• (2) 후처리 기술 ... 205
• (가) DOC(Diesel Oxidation Catalyst) ... 205
• (나) DPF(Diesel Particlate Filter) ... 206
• (다) SCR(Selective Catalyst Reduction) ... 207
• 2. 트랙터의 운전패턴 분석 ... 208
• 가. 트랙터 주행 및 작업에 따른 배기가스 및 작업 부하 측정 ... 210
• (1) 트랙터의 운전 패턴 분석 평가 시험 ... 210
• (가) 트랙터 주행 및 로터리 작업 시 배기온도 변화 경향 평가 시험 ... 212
• (나) 트랙터 로타리 작업 시 엔진 부하율 경향 평가 시험 ... 214
• (다) 트랙터의 운전 패턴 분석 시험 결과 ... 215
• (2) EGR 및 배기후처리 적용에 따른 엔진 단독 평가 시험 ... 216
• (가) EGR 장착시 엔진 시험 평가 ... 217
• (나) 배기 후처리 적용 시 엔진 시험 평가 ... 220
• 3. 고마력 트랙터 엔진의 후처리 시스템 사양 시험 ... 221
• 가. 운전 영역별 배기온도 특성 및 배기온도 평가 ... 223
• (1) 트랙터 플라우의 견인부하측정 시험조건 선정 ... 224
• (2) 트랙터 쟁기 작업 시 초기 경심에 따른 경향 평가 ... 227
• 나. 배기 온도 특성에 따른 PM포집 후 재생방식 검토 ... 228
• 다. 재생 방식에 따른 시험결과 통보 ... 235
• 4. 실차 적합성 평가 ... 239
• 가. Ash(Soot) 퇴적량 측정 평가 ... 239
• 나. 실작업 조건에서의 Soot Loading 평가 ... 240
• 5. 작업 부하별 재생 성능 평가 ... 245
• 가. 주행시 재생 가능 여부확인 및 성능 평가 ... 246
• 나. 작업 시 재생 가능 여부확인 및 성능 평가 ... 250
• (1) 트랙터 로터리 작업 시 재생 가능 여부확인 및 성능 평가 ... 250
• (2) 트랙터 쟁기 작업 시 재생 가능 여부확인 및 성능 평가 ... 254
• 6. 재생 Logic 검증 및 성능 평가 ... 258
• 가. 재생 Logic 검증 및 개선 보완 ... 259
• (1) PTO 다이나모 테스트에 의한 Logic 검증 ... 259
• 나. 재생 Logic 최종 평가 ... 261
• 7. 후처리 시스템 최적화 검토 ... 262
• 가. 후처리시스템 사양 검토 ... 262
• 나. 탑재성 검토 및 성능 평가 ... 262
• 제4절 [협동3(LS엠트론)] Vehicle Calibration 및 신뢰성 평가 ... 265
• 1. 실차 시험 평가 기술 정보조사 및 기준안 설정 ... 265
• 가. 선행기술조사 및 기술 동향 ... 266
• 나. Tier-4 규제 관련 배기규제 및 동향 분석 ... 269
• 2. 실차 조건 평가 항목 및 기준 설정 ... 276
• 가. DPF 재생 로직 방법 및 기준 설정 ... 276
• 나. DPF 재생로직 검증 및 실차 평가기준 설정 ... 283
• 3. Base엔진 기초 성능 평가 ... 289
• 가. Tier-4 시험 모드 시험 평가 ... 289
• 나. 시험평가 결과(C1 vs NRTC)의 비교 분석 ... 295
• 4. 시제품 시험 평가 ... 298
• 가. 시제품의 기본 성능 평가 ... 298
• 나. 시제품 Tier-4 시험모드 평가 ... 304
• 5. 탑재 상태 동특성 평가 ... 344
• 가. 다축 진동 특성 평가 ... 344
• 나. 실차조건에서의 소음 특성 평가 ... 351
• 6. 실차 성능 평가 ... 355
• 가. 최종시스템의 기본 성능 평가 ... 355
• 나. 최종시스템의 흡기/배기/냉각 시스템 최적화 검증 평가 ... 361
• 7. 최종시스템의 신뢰성 평가 ... 365
• 가. 최종시스템의 다축 진동 특성 평가 ... 365
• 나. 최종시제품의 소음 특성 평가 ... 372
• 다. 최종시제품의 Field 시험 ... 376
• 8. 최적화 시스템의 성능평가 ... 378
• 가. 최적화 후처리 시스템의 최종 성능 평가 ... 378
• 나. 최적화 시스템의 배압/배기온도 및 재생시기/주기 평가 시험 ... 390
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 404
• 1. 연도별 연구개발목표의 달성도[대동공업] ... 404
• 2. 연도별 연구개발목표의 달성도[동양물산] ... 404
• 3. 연도별 연구개발목표의 달성도[국제종합기계] ... 404
• 4. 연도별 연구개발목표의 달성도[LS엠트론] ... 405
• 제5장 연구개발 성과 및 성과활용 계획 ... 407
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 408
• 제7장 참고문헌 ... 409
• 끝페이지 ... 410