전동과급기 적용을 통한 터보 디젤엔진의 저속성능 개선에 관한 연구

Abstract

연비규제의 강화에 의해 최근의 엔진 개발은 실 사용 영역의 효율을 높일 수 있는 Downsizing과 터보차저 기술이 요구되고 있다. 터보차저는 배기에너지를 회수하여 중속 영역의 효율과 성능을 개선할 수 있지만, 저속 영역에서 배기 유량이 부족하여 샤프트 회전수와 효율이 감소한다. 이로 인해 최대 토크가 제한되고 터보랙이 발생하며, 다단과급 등의 대안이 제시되었지만 근본적인 문제점을 해결하지 못하는 실정이다. 최근 48V Mild Hybrid 개념이 소개됨에 따라 고속 모터로 Compressor를 구동하는 전동과급기를 통해 이러한 문제점의 해결 가능성이 대두되었다. 터보 디젤엔진의 전동과급기 적용 1D Simulation 연구의 결과로 최대토크가 발생하지 않는 저속 영역에서 체적효율(Volumetric Efficiency), BMEP가 큰 폭으로 개선된 결과가 확인되었다. 본 연구에서는 1.6L 디젤엔진의 터보차저 전단에 전동과급기를 장착하여 다단 과급 레이아웃을 구성하였고, 엔진 회전수에 따른 성능 변화를 확인하는 기초평가 및 VGT Vane duty와 연료량을 최적화하기 위한 목적의 성능평가를 수행하였다. 기초평가는 엔진 회전수 1,000, 1,250, 1,500rpm 3조건에 대한 대상엔진의 단독 실험 결과를 바탕으로 전동과급기 회전수, VGT Vane duty, 연료량 조건을 선정하여 총 33개 조건에 대하여 정상상태(Steady State) 실험이 수행되었다. 엔진 회전수 1,000rpm에서 BMEP와 BSFC의 동시 개선 결과를 얻었으며, VGT Vane Duty에 따라 Turbocharger Surge 발생이 확인되었다. 엔진 회전수 1,250rpm 조건은 BMEP와 BSFC의 동시 개선이 가능하지만 수치는 다소 감소하였으며, 엔진 회전수 1,500rpm조건은 대상 엔진의 최대 토크 발생 시점으로, 전동과급기를 적용하지 않는 것이 타당하다는 결론을 얻었다. 또한 전동과급기는 모든 조건에서 최대 회전수로 작동하는 것이 타당하다는 결론을 얻었다. 성능평가는 전동과급기 최대 회전수에서 VGT Vane duty와 연료량 조건을 선정하여 총 18개 조건에 대한 정상상태 실험으로 진행되었다. 또한 측정된 데이터를 바탕으로 과급 특성, 동력 성능 향상, 연비 성능 향상, 연소 특성 및 배기배출물 특성을 규명하였다. 전동과급기 적용 성능 최적화 결과 터보차저는 Surge Line, 전동과급기는 Choke Line에 가까워지는 특성을 보였으며, 증가한 흡기유량에 의해 BMEP와 BSFC를 동시에 크게 개선할 수 있었다. 연소특성은 전동과급기 미 적용 조건 대비 예혼합연소의 경향이 증가하여 빠른 연소속도의 결과를 보였으며, 불완전연소의 생성물인 CO, THC및 PM이 큰 폭으로 감소하였다. 하지만 증가한 열발생율에 의해 연소온도는 증가하였다고 사료되며, NOx 배출량이 많은 조건에서 증가하는 결과를 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 토크(Performance), 연비(Efficiency), 배기(Emission) 관점의 최적점을 선정하였으며, 선정된 최적점은 Transient 최적 제어 전략을 수립하는 기초 자료로 활용되었다. 따라서 본 연구의 결과를 통해 궁극적인 목표인 신규 규제에 대응 가능한 디젤 엔진의 저속 성능 개선 가능성을 제시하고자 하였다.