주행거리연장 전기자동차용 엔진에 적합한 2기통 소형, 고효율 디젤엔진에 대한 연구

Abstract

With the rapid paradigm shift of the automobile industry, the existing internal combustion engine technology is also needed to change. In particular, improvements in thermal efficiency and mechanical efficiency through reduction of friction, and achievement for clean system through electrification are known as major issues. From the perspective of not only the automobile industry, but also the ship and power generation industry, the electrification of an internal combustion engine is emerging as a core task of the next-generation engine technology Among these, the down-sizing technology of the existing internal combustion engine is also an important technical task for the cutting-edge of the traditional technology, and is an essential element in improving the conventional internal combustion engine technology that has been accumulated for a long time to further increase in efficiency. This dissertation focuses on engine down-sizing to develop an engine for range extension through electrification of diesel engines, and purpose of the study is to develop the down sized small two-cylinder engine using a four-cylinder passenger diesel engine as a reference engine. In order to achieve the goal of developing a downsized and high-efficiency engine, the present study was conducted to predict the performance of the target engine, design the target engine, and optimize the performance through numerical and experimental methods. First, in numerical research, a virtual engine for conceptual design was secured by constructing a 1D model of a four-cylinder reference engine, securing consistency, and down-sizing the two-cylinder engine to be developed. The virtual model is a fast running model (FRM) level, and the rear end of the compressor and the front end of the turbine are the scope of the analysis. In addition, in the FRM model environment, the feasibility of the strategy for achieving higher boosting, higher EGR rate, and advancing the injection timing was presented. Based on this simulation results, the actual engine design was performed, and a turbocharger map for the turbocharger candidate group was derived. In addition, the necessity of rematching the turbocharger was suggested by performing dynamometer test of a designed target engine. In order to rematch turbochargers, it is necessary to supplement the limitations of the manufacturing process of a new turbocharger. Therefore, a map scaling technique was applied under 1D model environment to rematch the turbocharger candidates. At this time, the 1D model level is the level of a detailed model, and the actual turbocharger operation excluded from the first analysis process is considered. Through detailed model analysis, the validity of the FRM analysis was derived. And a strategy for achieving high boosting, high EGR rate with advanced injection timing is suggested by comparing and analyzing the experimental results. Furthermore, the validity of the turbocharger rematching method through the map scaling technique is verified. |자동차 산업의 급격한 패러다임 전환에 따라 기존 내연기관 기술 역시 변화를 모색하고 있는 추세이다. 특히, 내연기관의 열효율 향상, 마찰 저감을 통한 기계적 효율 향상, 전동화를 통한 청정화 등이 주요 방안으로 알려져 있다. 특히, 자동차 산업뿐만 아니라, 선박 및 발전 산업의 관점에서 내연기관의 전동화는 차세대 엔진기술의 핵심과제로 부각되고 있다. 이러한 가운데 기존 내연기관의 소형화 기술 또한 전통적인 기술의 첨단화를 위한 중요한 기술이며, 오랜 기간 축적되어 온 종래의 내연기관기술을 개선하여 더욱 효율을 증대시키는데 필수적인 요소이다. 본 학위 논문은 디젤 엔진의 전동화를 통해 주행거리연장 전기자동차용 엔진을 개발하기 위한 엔진 소형화에 주목한 내용으로서, 4기통 승용 디젤 엔진을 베이스 엔진으로 하여 2기통 엔진으로 소형화를 달성하기 위한 방안을 제시하는데 연구의 목적이 있다. 소형, 고효율 엔진을 개발하는 목적을 달성하기 위해 수치적, 실험적 방법을 통해 대상 엔진의 성능 예측과 대상 엔진 설계 및 성능 최적화 연구를 수행하였다. 먼저, 수치적 연구는 4기통 기준 엔진(이하 reference엔진)의 1D모델을 구축하고 정합성을 확보하여, 개발 대상인 2기통 엔진으로 소형화하는 과정을 수행함으로써 개념 설계를 위한 가상 엔진을 확보하였다. 가상 모델은 fast running model(FRM)수준으로 압축기 후단 및 터빈 전단을 해석의 범위로 한다. 아울러, FRM 모델 환경에서 고 과급의 달성과 대유량 EGR의 달성 및 분사시기 진각전략의 타당성을 제시하였다. 이를 바탕으로 실제엔진 설계를 수행하였고, 터보차저 후보군에 대한 터보차저 맵을 도출하였다. 또한 실 엔진을 대상으로 동력계 실험을 수행함으로써 터보차저의 재매칭(rematching) 작업의 필요성을 제시하였다. 터보차저의 재매칭을 위하여 신품 터보차저 제작과정의 한계를 보완할 필요가 있으므로 1D모델 환경에서 map scaling기법을 적용하여 터보차저 후보군을 재 매칭하였다. 이 때의 1D 모델 수준은 상세(detailed)모델 수준으로 1차 해석 과정에서 배제된 실제 터보차저 작동이 고려된 모델이다. 상세 모델 해석을 통해 FRM해석의 타당성을 도출하였고, 실험 결과와 비교분석함으로써 2기통 소형 디젤 엔진의 고과급 달성과 대유량 EGR 및 분사 시기 진각 전략을 제시하였으며, map scaling기법을 통한 터보차저 재매칭방식의 타당성을 확인하였다.