EGR에 의한 카본의 퇴적 현상이 엔진 출력에 미치는 영향 및 개선 방법

Abstract

최근 자동차 내연기관 기술개발의 핵심은 계속해서 강화되고 있는 각 국가의 배출가스규제를 만족시키면서 동시에 내연기관의 출력 및 연비를 극대화시키도록 하는 것이다. 디젤기관은 가솔린기관에 비해 열효율이 높다는 장점이 있지만, 가솔린기관에 비해 배기 유해물질의 측면에서 불리하며, 특히 다량으로 발생하는 질소산화물(NOx)의 처리가 주요한 문제이다. EGR (Exhaust Gas Recirculation)장치가, 직접 연료의 연소과정에 영향을 주어 질소산화물 발생 자체를 억제하도록 하는 중요한 역할을 하고 있지만, 그 부작용으로 엔진 흡기계통에 탄소퇴적물(carbon deposit)을 퇴적시켜서, 궁극적으로는 엔진의 흡기유동을 방해하는 요인으로 작용함에 따라, 엔진출력을 저하시키고, 오히려 배기매연 농도를 증가시키는 현상이 발생한다. 내연기관의 실린더와 피스톤 사이에서 발생하는 blow-by gas 성분과 EGR에 의한 배기가스 성분이 흡기관에서 카본으로 퇴적되면서 차량의 최적 상태를 유지하지 못하고 오히려 엔진의 출력이 떨어지고 매연이 더 심하게 나오게 되는 현상에 대해 검사장의 차대 동력계를 이용한 KD147 모드 시험을 통해 카본에 의한 엔진 출력 및 매연 발생 영향을 조사하고, 이러한 카본을 시스템적으로 자동 Cleaning 할 수 있는 방법론을 고찰하고자 한다. 배출가스 규제 강화로 대부분의 디젤 차량에 배출가스 후 처리 장치인 DPF가 장착되어 있기에 POST INJECTION 방식을 통해 DPF를 재생하는 시점에 흡기관 카본 자동 Cleaning 액을 분사하는 시스템을 고안할 경우 카본 Cleaning에 의한 엔진 부작용을 최소화할 수 있으리라 기대된다. 이와 관련하여 요즘 정비현장에서는 EGR이 적용된 디젤 차량에서 특히 많이 쌓이는 카본을 제거하는 방법으로 주로 엔진 흡기계통 부품을 분해하여 세척하는 방법과, 시동을 걸어 논 상태에서 흡기관에 세척액을 기체상태로 분사하여 공기 유동성을 이용한 세척 방법 등이 있는데, 대다수 차량 사용자는 서서히 진행되는 카본 퇴적현상으로 엔진 출력이 떨어진 현상을 평소에는 잘 느끼지 못한 채 운행하다가 언덕 같은 곳을 가속하고자 할 때 갑자기 차가 힘이 없어진 것 같은 느낌을 받고 뒤늦게 차량 수리를 의뢰하는 경우가 많다. 본인은 EGR에 의해 흡기관에 카본이 퇴적됨으로써 차량에 미치는 영향을 분석하기 위해 흡기관 막힘율에 따른 PM발생량과 엔진 출력 변화를 KD147 모드 배출가스 정밀검사기로 테스트 하면서, 그에 따른 ECU 주요 데이터들의 변화를 함께 분석하였다. 흡기관 카본 퇴적으로 흡기효율이 저하되어 엔진 출력이 떨어지고 이로 인해 연료소비와 PM이 증가한다는 것을 확인하였다. 따라서 사용자 수준에서도 흡기계통의 탄소퇴적물 제거 내지는 퇴적 저감의 효과를 얻을 수 있도록 하고, 나아가 사용자는 클리너만 보충해 주면 주기적으로 자동 Cleaning이 수행되도록 할 수 있는 Cleaning 장치를 고안하고, 그 효용성을 자동차 검사장의 차대동력계로 실험하여 분석해 보고자 한다.; It was noted that a vehicle designed to be optimized has a decrease in the power of engines and worsening emission, due to carbon build up in the intake manifold, after a certain period of time. Emission of harmful gas may deteriorate due to EGR created for the purpose of decrease of blow-by gas and NOx which are deemed to be the limitations of internal combustion engines, in contrast to the intention of EGR. In order to infer the possibility of improving the system like the current DPF regeneration system that automatically cleaning up the carbon in the intake manifold in a constant cycle and to verify its effect, changes in the power of engines and PM generation due to blockage rate of carbon in the intake manifold were inspected using automotive emissions testing equipment. Also, we analyzed the changes of major sensor data of engine ECU which affect increase or decrease of fuel injection quantity in test environment condition at the same time, and found the facts as follows; when the rate of blockage in the intake manifold is 20% or less, it did not significantly affect the emissions but it caused a slight waste of fuel more than necessary; and when the rate of blockage in the intake manifold is more than 50%, the power of engines was noticeably reduced and PM emissions were also highly emitted at an acceleration section requiring torque. In conclusion, it is expected that a system cleaning up the carbon in the air intake manifold on time while driving, if the system is implemented, will not only prevent the adverse effects of the various environmental pollution caused by the carbon build-up but also have significant economical advantages.nges.