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碩士學位論文 大形디젤過給機關의 Cooled-EGR 제어 시스템 개발에 關한 實驗的 硏究 An Experimental Study on Cooled-EGR Control System of a Heavy-Duty Diesel Engine 國民大學校 自動車工學專門大學院 엔진 및 空調시스템 專攻 金 載 珍 2002
碩士學位論文
大形디젤過給機關의 Cooled-EGR 제어 시스템
개발에 關한 實驗的 硏究
An Experimental Study on Cooled-EGR Control System
of a Heavy-Duty Diesel Engine
國民大學校 自動車工學專門大學院
엔진 및 空調시스템 專攻
金 載 珍
2002
大形디젤過給機關의 Cooled-EGR 제어 시스템
개발에 關한 實驗的 硏究
An Experimental Study on Cooled-EGR Control System
of a Heavy-Duty Diesel Engine
指導敎授 韓 英 出
이 論文을 碩士學位 請求
論文으로 提出함.
2002年 月 日
國民大學校自動車工學專門大學院
엔진 및 空調시스템 專攻
金 載 珍
2002
金 載 珍의
工學碩士學位 請求論文을 認准함.
2002年 月 日
審査委員長 印
審 査 委 員 印
審 査 委 員 印
國民大學校 自動車工學專門大學院
- i -
목 차
List of tables ································································································ⅲ
List of figures ·····························································································ⅳ
국문요약··············································································································ⅵ
Ⅰ. 서론 ·················································································································1
1.1 연구의 배경 ····························································································1
1.2 연구의 개요 및 목적 ········································································3
Ⅱ. 이론적 고찰 ······························································································4
2.1 EGR시스템 ·····························································································4
2.1.1 EGR시스템의 개요 ···········································································4
2.1.2 디젤기관의 EGR시스템 ··································································6
2.2 NOx의 생성원리 ·············································································10
2.2.1 Thermal NO ·····················································································10
2.2.2 Prompt NO ························································································12
2.2.3 Fuel NO ······························································································13
2.3 EGR시스템의 NOx 저감원리 ··················································15
2.3.1 희석효과 ······························································································15
2.3.2 열효과 ···································································································16
2.3.3 화학효과 ······························································································17
- ii -
Ⅲ. 실험장치 및 방법 ··············································································19
3.1. 실험장치································································································19
3.1.1 실험기관 ······························································································21
3.1.2 고압루트방식의 Cooled EGR 시스템 ···································22
3.1.3. 측정장치 ·····························································································33
3.2. 실험방법································································································37
3.2.1 기관 및 배기가스 성능실험 ·······················································37
3.2.2 D-13모드 테스트 ············································································37
Ⅳ. 결과 및 고찰 ·························································································39
4.1 기관 성능실험 ·····················································································39
4.2 배기가스 성능실험 ···········································································40
4.2.1 질소산화물 ···························································································41
4.2.2 입자상물질 ···························································································45
4.2.4 일산화탄소 ···························································································48
4.2.5 탄화수소 ································································································52
4.3 전자제어 Cooled EGR 시스템의 Mapping 결과 ········56
4.3.3 D13 모드의 결과 ···············································································61
Ⅴ. 결 론 ··········································································································62
Reference ··········································································································63
Abstracts ··········································································································68
- iii -
List of tables
Table 3.1 Specifications of test engine ····················································21
Table 3.2 Driving condition of D-13 mode ·············································38
Table 3.3 Korea HD diesel emission standards ····································38
- iv -
List of figures
Fig.1.1 Difference of EGR rate (gasoline and diesel engine)
···················································································································5
Fig.1.2 Method of EGR system in Turbo-charger engine ···········7
Fig.1.3 Different type of EGR valve ······················································9
Fig.3.1 Schematic diagram of experimental engine ·························20
Fig.3.2 Schematic diagram of cooled EGR system ··························22
Fig.3.3 View of cooled EGR system ······················································23
Fig.3.4 Pressure of exhaust manifold and turbo-charger in base
·················································································································24
Fig.3.5 Venturi simulation with CFD ACE+ ····································25
Fig.3.7 View of venturi ···············································································26
Fig.3.8 Specification of venturi ································································26
Fig.3.8 Pressure of exhaust manifold and turbo-charger
in venturi ···························································································27
Fig.3.9 View of EGR solenoid valve ······················································28
Fig.3.10 View of EGR valve ········································································29
Fig.3.11 Schematic diagram of EGR valve control board ··············30
Fig.3.12 View of EGR valve control board ···········································30
Fig.3.13 Flowchart of EGR valve control ··············································31
Fig.3.14 Labview programing for EGR valve control ······················32
Fig.3.15 View of test cell ·············································································33
Fig.3.15 View of exhaust gas tester and MDT ··································34
Fig.4.1 Result of engine performance ····················································39
Fig.4.2 Compare with air/fuel ratio ························································40
- v -
Fig.4.3 Result of NOx ··················································································44
Fig.4.4 Result of PM ···················································································47
Fig.4.5 Result of CO ···················································································51
Fig.4.6 Result of CO ···················································································55
Fig.4.7 Compare with Data of base and stepⅢ in NOx ···············56
Fig.4.8 Compare with Data of base and stepⅢ in PM ·················57
Fig.4.9 Optimized EGR valve control map ········································58
Fig.4.10 Result of Optimized EGR valve control in NOx ···············59
Fig.4.11 Result of Optimized EGR valve control in PM ·················60
Fig.4.12 Result of Optimized EGR valve control in PM ·················61
- vi -
국문요약
본 연구는 디젤기관의 배출가스 저감을 위한 Cooled-EGR 시스
템을 이용한 실험적 연구로써, 8,100cc 터보차저 대형디젤기관을 대
상으로 하여 터보차저 기관에서 배출가스의 재 순환이 가능하도록
배기부와 흡기부의 일부를 개조하고, 전자제어 EGR 시스템을 설계
하여 장착하여 기관 및 배기가스 배출 특성에 대한 일반적인 향
을 고찰하 다.
Cooled-EGR 시스템은 실제기관의 장착을 염두에 두어 컴팩트하
게 설계한 고압 루트 전자제어 방식을 이용하 으며, 그 구성은 배
기메니폴드와 컴프레서출구 사이의 압력차이를 유지하기 위한 벤추
리, 재순환 배기가스의 냉각을 위한 EGR 쿨러, 압축공기를 이용하
여 밸브의 단면적을 3단계로 조절할 수 있는 EGR 밸브, 밸브를 구
동하는 솔레노이드 밸브로 이루어져있다. EGR율은 흡입공기량 감소
율을 근거로 산정하 으며, 기관회전수 800rpm∼2200rpm 사이에
서 200rpm단위로 밸브의 단면적을 변화시키며, 전부하에서
20% 단위로 EGR이 기관성능 및 배기가스 특성에 미치는 향을
베이스 실험 결과와 비교․분석하 다. 실험 결과 50%이상의 NOx
와 HC의 저감을 확인 하 으며, PM과 CO의 증가 경향을 확인 하
으며, 약간의 출력감소도 확인하 다.
또한, 이러한 실험 결과를 바탕으로 최적화된 EGR 밸브의 작동
범위를 결정하여 기관회전수와 엑셀레이터의 위치신호를 입력신호
로 하여 EGR 밸브를 전자제어하는 로직을 설계하고 이러한 시스템
을 장착한 상태에서 국내 중량자동차 배기가스 규제시험모드인
- vii -
D-13모드를 선정하여, EGR 적용에 따른 배출가스의 감소를 확인하
고자 하 다. 그결과 고압 루트 방식의 전자제어식 Cooled-EGR 시
스템을 적용하여 보다 콤펙트한 EGR 시스템을 장착 할 수 있었으
며, 부하와 기관 회전수에 따른 EGR 밸브의 작동 역을 실험 데이
터를 기초로 설정하여 제어 할 수 있었다.
본 연구를 통하여 대형 디젤 기관에서 전자제어 고압루트방식의
EGR 시스템을 적용하여 기관성능 및 배출가스특성에 대한 기초 자
료를 제시함으로서 향후 후처리 장치개발에 기여하고자 한다.
- 1 -
Ⅰ. 서론
1.1 연구의 배경
현재 더욱 엄격해져 가는 배출가스의 규제 뿐 아니라 지구온난화
의 문제에 당면하여 열효율이 우수하고, 연료소비율이 낮은 디젤기
관을 장착한 디젤차량의 관심이 어느 때 보다도 높아지고 있다. 또
한 과거의 기계식 분사펌프를 대신한 컴먼레일, 유닛 인젝션 등의
전자제어식 분사펌프의 개발로 말미암아 디젤기관의 전자제어화가
가속되고있어 지구온난화 문제에 대처하고 있다.
디젤기관에서 배출되는 주요 오염물질은 일산화탄소(CO : Carbon
monoxide), 탄화수소(THC : Total hydrocarbon), 질소산화물(NOx :
Oxides of nitrogen), 스모크(Smoke), 황산화물(SOx : Oxides of
sulfur) 및 입자상물질(PM : Particulate matter)이 있으며1), 특히 높
은 열효율에 주원인이 되는 희박 고온연소에 의한 높은 질소산화물
의 배출량과 확산연소에 의한 입자상물질의 발생은 대기환경 정화
측면에서는 디젤기관의 단점으로 나타나있는 실정이다.
따라서, 디젤기관에서 배출되는 NOx와 PM 저감에 대한 관심이 고
조되고 있다. 또한, 지구환경에 미치는 향을 개선하기 위해서 국제
환경회의 개최와 협약이 이루어지고 있으며, 연구개발 단계에서부터
사용, 폐기 단계까지 환경유해여부 검사로 품질을 강제로 인증하도록
하는 ISO 18000(국제환경 경 규격)도 시행하기에 이르 으며2), 각
국에서는 규제강화나 특별 조치법 등을 통해 이들 물질의 저감을 유
도하고 있다3).
과거 여러 해 동안, 디젤기관의 중요 오염 물질인 NOx와 PM의
- 2 -
배출 저감에 초점을 두어 많은 연구가 진행되어 오고있다. 유해가스
배출 저감 기술이 지속적으로 진보하고, 실린더내의 배출물 저감의
한계로 인해 후처리 기술에 관한 연구도 진행되고 있으며, 특히 근
래에는 NOx 저감을 위한 기술로서 Cooled-EGR 기술과 전자제어
기술을 적용하는 연구가 진행되고 있다.4),5)
- 3 -
1.2 연구의 개요 및 목적
현재 디젤기관의 NOx 저감을 위한 수단으로, 연소실의 변경, 흡
기 및 연료분사 시스템의 변경, 분사시기 제어를 통하여, 주로 연소
를 최적화하는데 중점을 두고 있다, 그러나, 앞으로 더욱 심각해질
것으로 예상되는 대기환경문제로 인해 강화되고 있는 NOx 규제치
를 만족시키기 위해서는 이러한 연소개선의 방법을 이용하는 것은
한계에 달하 으며, 후처리기술로서 배기가스재순환 (EGR; Exhaust
gas recirculation) 기술이 상용화 될 것이다. EGR 기술은 배기가스
를 흡입공기와 혼합하여 연소시키는 방법으로 가솔린기관의 NOx
배출을 저감하는데 널리 이용되고 있으며, 현재 디젤기관에도 소형
기관에는 적용되고 있다.
따라서, 본 연구의 목적은 대형 터보차저 디젤기관의 NOx를 저감
하고자 Cooled-EGR 시스템을 적용한 실험적 연구로서, 고압루트식
Cooled-EGR 시스템이 기관의 성능 및 배기가스에 미치는 향을
실험을 통해 고찰하고, 더 나아가 기관에 장착 가능한 컴펙트한 시
스템과 전자제어 방식의 EGR 시스템을 적용하는 것이다. EGR시스
템 구성은 고압루트 Cooled-EGR 방식을 이용하 으며, 이에 따른
성능, 연료소비율 및 배기가스를 비교․분석하고, EGR 밸브를 제어
하기 위해 밸브의 최적작동범위를 맵핑(Mapping)하여, D-13모드 테
스트를 통하여 배기가스의 저감을 확인하 다.
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Ⅱ. 이론적 고찰
2.1 EGR시스템
2.1.1 EGR시스템의 개요
EGR은 배기가스를 재순환하여 신기에 혼합하여 공급하는 방식으
로 현재 가솔린기관과 소형디젤기관에 폭넓게 적용되어 양산차량에
적용되어있는 기술이다. 가솔린기관과 디젤기관에 있어 EGR 시스템
의 구성은 기본적으로 일치하고 있으나, EGR의 NOx저감 메카니즘
에 있어서는 약간의 차이가 있는 것으로 논의되고 있다.
Fig.1.1은 가솔린기관과 디젤기관에 적용한 EGR의 기본적인 차이
를 비교하여 나타낸 것이다6). 가솔린기관은 실린더 내에 유입되는
공기-연료 혼합기 또는 공기에 EGR 가스가 추가되어 공급된다. 따
라서 공연비는 변화하지 않으면서 실린더내 급기의 열용량은 EGR
율에 따라 증대되어 실린더내 연소가스 온도 상승을 억제하게 된다.
NOx 생성과정은 연소가스의 최고 온도에 민감하여, 가솔린기관에서
EGR 적용 시 열용량증가가 NOx감소의 주 요인이 된다. 디젤기관
은 흡기 쓰로틀링이 없는 상태로 운전되므로, 동일한 기관 운전 조
건에서 EGR 가스를 도입하면, 실린더내의 총가스량은 변화되지 않
고, 흡입공기의 일부가 EGR 가스로 대체되어 연소에 이용되는 공기
가 감소하게 된다. 따라서, 열용량의 증가와 더불어 공연비는 감소
한다.
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EGR 0% EGR 0%
EGR 20%
EGR 10%
EGR 30%
EGR 10%
EGR 20%
EGR 30%
Fresh air Exhaust gas Fresh air Exhaust gas
Replaced EGR Additional EGR
Fig.1.1 Difference of EGR rate (gasoline and diesel engine)
또한 가솔린기관에서는 EGR 가스가 혼합기와 균일하게 혼합되므
로 연소가스온도를 효율적으로 냉각시키게 되지만, 디젤 기관의 경
우에는, 혼합기가 공간적으로 매우 불균일하여, EGR가스가 화염온
도를 냉각시키는 데는 공간적으로 제약이 따른다. 결국, 디젤기관의
연소가스온도는 가솔린기관과 같은 정도로 감소되지 않으며, 산소농
도만이 EGR에 따라 감소된다. 따라서 디젤기관에서 EGR에 의한
NOx 저감메커니즘은 가솔린 기관의 연소온도 감소보다는 산소농도
감소가 NOx 저감에 지배적으로 작용한다고 볼 수 있다7),8),9).
이러한 디젤기관에서의 EGR 적용은 NOx의 효율적 저감을 가져오
지만 반대로 연료소비율이 악화되고 PM배출이 증가하는 단점도 가
지게된다.10,11,12,13) 특히, 고부하에서 NOx와 PM사이의 Trade -off 관
계를 더욱 악화시키며, 디젤기관의 배기가스 중에는 카본을 주체로
하는 다량의 입자상물질과 경유속에 함유된 유황분이 연소하여 환
산화물(sulfate)가 존재하기 때문에 EGR을 적용하면 이들 물질이 엔
진오일에 혼합하여 오일의 조기열화를 초래하는 동시에 피스톤 주
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위와 밸브계 주위의 접동부 마모와 산화, 부식을 촉진하게 된다. 고
부하 운전의 빈도가 높고 긴 수명과 높은 신뢰성이 요구되는 트럭
과 버스 등 대형 상용차량에서는 EGR에 의한 마모와 산화부식에
대한 대책의 요구가 엄격하여 아직 실제 이용되고 있지 않고, 다만
경부하로 운전하는 경우가 많은 소형 디젤기관승용차에서 보급되고
있다. 앞으로 경유의 저유황화의 노력과 더불어 트럭이나 버스 등에
도 점차 적용 될 수 있을 것으로 생각된다14).
2.1.2 디젤기관의 EGR 시스템
현재 EGR 시스템은 가솔린기관과 승용차용 소형 디젤기관에 쓰
이고 있으며, 대형 차량용 자연급기식 디젤기관에 적용하기 시작하
다. EGR을 대형 트럭과 버스용 터보차저-인터쿨러 디젤기관에
적용하면, 기관 내구성 문제와 더불어, 터보기구의 내구성과 신뢰성
이 유지되어야 하고, 다른 부품의 수정이 필요하게 된다.
또한, 터보차져와 인터쿨러를 장착한 디젤기관에서는 일반적으로
부스트 압력이 터빈 입구의 압력보다도 높은 역이 존재하므로, 배
기가스를 흡기쪽으로 재순환 시키기 위한 압력차가 불충분하다는
문제가 있다. 이 문제를 해결하기 위해 배기에서 흡기까지의 EGR
경로에는 Fig. 1.2와 같이 여러 가지 방식들이 고안되고 있다2,15,16).
저압루트 (Low pressure route) 방식은 터빈출구에서 컴프레서
입구로 배기가스를 공급하는 방식으로 배기가스를 재순환 시키기에
충분한 압력차를 쉽게 얻을 수 있으므로, 폭넓은 기관작동 범위에서
EGR율 제어가 가능하다. 그러나, 배기가스가 컴프레서와 인터쿨러
를 통과하므로, 이들의 내구성 및 신뢰성에 문제가 발생한다. 또한,
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고온의 배기가스로 인해 급기온도가 컴프레서 설계온도를 초과하게
되고, 인터쿨러를 오염시켜 압력 손실이 증가하는 결과를 가져오게
된다.
EGR Valve
EGR Cooler
TurbineCompressor
Intercooler
EGR Valve
(a) Turbine Out/Compressor In (b) Turbine In/Compressor Out
(Low Pressure Route) (High Pressure Route)
EGR Valve
EGR Pump
(c) Turbine Out/Compressor Out
Fig.1.2 Method of EGR system in Turbo-charger engine
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고압루트(High pressure route)방식은 터빈입구에서 컴프레서출구
로 배기가스를 도입하는 것으로, 재순환 배기가스는 컴프레서나 인
터쿨러를 통과하지 않으므로 저압루트에서와 같은 문제는 없다. 그
러나 고부하 작동시에는 부스트압력이 배기메니폴드압력보다 높아
지므로, 저부하 역으로 EGR 사용이 제한된다. 따라서 고부하
역에서 운전빈도가 높은 대형트럭과 버스용 터보차저와 인터쿨러를
장착한 디젤기관에 EGR을 적용했을 때는 앞에서 언급한 부적절한
압력차 문제를 해결하기 위해서, 강제적으로 EGR 가스를 공급할 수
있는 부수 장치가 필요하게 된다. 따라서, EGR 가스를 터빈 입구에
서 인터쿨러 출구로 도입하기위한 압력차를 얻기위한 벤츄리를 통
해 재순환하는 방법16), 블로워 펌프나 터보의 컴프레서로 구동되는
소형 공기터빈을 이용하여 EGR 가스를 부스트압력까지 가압하거나,
가변용량과급기(VGT ; Variable geometry turbo-charger)17)를 이용
하거나, 터빈출구에 쓰로틀 밸브를 설치하여 배압을 증대시키는 방
법18) 등 몇 가지 방법이 제시되고 있다. 그러나 아직까지 어떤 방법
이 우수하다고 결론이 내려지지 않았으며, 계속해서 각각의 방법에
대한 연구가 진행되고 있다.
또한 밸브의 형식에 있어서는 밸브를 어떤 방법으로 개폐하는가
에 따라서 흡기다기관의 부압을 이용하는 방법, 솔레노이드를 직접
이용하는 방식, 압축공기 등의 매개체를 이용하는 방식, 스텝모터를
이용하는 방식 등이 사용되어지고 있다. Fig.1.3은 현재 사용되어지
고 있는 각 형식의 EGR 밸브를 나타내고 있다.
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Fig.1.3 Different types of EGR valves
대형디젤기관의 경우 EGR 방식의 선택과 적용시에는 EGR 구성
품의 오염과 신뢰성, 고부하에서 충분히 높은 EGR율을 달성하는가
이외에도 과도상태하에서 EGR율 제어능력과 응답성, 한정된 차량
엔진룸에서 EGR 시스템 구성품에 요구되는 공간, EGR 쿨러의 방
열 처리, 시스템의 복잡성과 EGR 구성품의 관련 비용 등을 고려해
야 한다18).
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2.2 NOx의 생성원리
NOx은 NO, NO2, NO3, N2O, N2O3, N2O4, 및 N2O5 등이 존재하는
것으로 알려져 있으나, 대기 중에서 검출되는 것은 N2O, NO 및
NO2 등이다. NO2, NO는 독성이 있고 대기 중에서 광화학 반응을
일으키지만, N2O는 무독성이며, 광화학 반응과 관계가 없기 때문에
N2O는 오염물질로 간주되지 않는다. 자동차에서 배출되는 NOx중에
서 90%이상은 일산화질소이며, 대기중으로 방출된 일산화질소는 다
음과 같이 NO2로 산화되며 광화학스모그(Photo chemical smog) 현
상을 일으킨다.
NO + O3 → NO2 + O2 (2.1)
연소 중 배출되는 NOx를 분류하면, 화염의 고온으로 인하여 생기
는 Thermal NO와 화염면의 Radical에서 생기는 Prompt NO, 연료
에 존재하는 화학적으로 결합된 질소성분이 산화되어 생성되는
Fuel NO가 있는데, 발생하는 대부분의 NOx은 주로 Thermal NO로
생각해도 무방하다.
2.2.1 Thermal NO
연소과정에서 NO생성은 많은 연구자들이 오래 전부터 연구하여
왔으며, 이에 관한 최초의 연구는 1946년 Zeldovich19)에 의해 이루어
졌다. NO생성의 주된 반응식은 Zeldovich mechanism이라고 알려진
식으로 주어지며, 일반적으로 이 반응식은 연료와 공기의 혼합물이
이론공연비 부근 또는 연료가 희박한 상태에서 연소될 때 잘 적용
된다.
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O2 → 2O (2.2)
O + N2 → NO + N (2.3)
N + O2 → NO + O (2.4)
일반적으로 연소가스 중 산소분자는 1700℃전후의 고온에서 분해
반응에 의해 산소원자를 생성하게 된다. 이 산소원자와 질소분자가
반응하여 NO를 생성하고 동시에 질소분자를 유리한다. 이 질소원자
는 산소분자와 반응하여 NO를 생성하고 산소원자를 발생시켜 연쇄
반응을 일으킨다.20)
Lavoie et al.은 연료에 대한 산소의 비율이 적어지는 경우 식
(2.3)의 속도가 느려지게 되고, 이 상태에서 OH기가 존재한다면 식
(2.4)의 반응도 NO생성에 기여한다고 제안하 다.
N + OH → NO + H (2.5)
식 (2.3), (2.4) 및 (2.5)를 합하여 Extended zeldovich mechanism
이라고 부른다.
Thermal NO의 생성은 연소온도와 연소 역에서 산소농도가 높을
때, 고온 역에서 연소가스의 체류시간이 길 때 증가한다. 온도가
일정할 때 공연비가 감소할수록 NO의 평형농도는 증가하며 공연비
가 일정할 때는 온도가 증가할수록 NO의 평형농도는 증가하나, 실
제 연소계에서는 약간 희박한 경우에 얻어진다. 즉, 연료의 농도가
약간 높을 경우 연소계의 온도가 최대가 되지만 연료에 의해 우선
적으로 산소가 모두 소비되어 버린다. 또 공연비가 작아져서 산소
- 12 -
농도가 증가할지라도 온도저하로 인한 NOx생성 억제효과가 산소과
잉에 의한 NOx생성 촉진효과를 능가하므로 NO농도는 떨어지게 된
다. 앞서 설명한 소반응식에서 총괄반응 매커니즘을 생각하면 식
(2.6)과 같다.
N + O2 → 2NO (2.6)
NO 생성속도를 대략 나타내면 식 (2.7)으로 나타낼 수 있다.21)
(2.7) d[NO]dt
=6×10
16
T(12)exp( -69,090T ) [N 2 ][O 2]
12
이식에 의해 NO의 생성요인을 생각한다면 다음과 같다. 첫째, 온
도에 대하여 큰 의존성을 가지고 있다. 이러한 이유로 NO의 경감에
는 온도를 내리는 것이 중요한 문제로 된다. 둘째, 체류시간과 온도
가 높다해도 고온으로 유지되는 시간이 짧으면 NO생성은 단절되므
로 NO생성량은 적다. 셋째, 식 (2.7)에서 산소농도가 낮은 과농혼합
기로 하면 NO의 생성이 적어야 하지만, 실제로는 산소원자가 CO2
와 H2O 등과의 화학평형에 의하여 O가 보급되기 때문에 당량비 0.
8∼1.2의 범위에서 많은 NO가 생긴다.
2.2.2 Prompt NO
Fenimore22)는 에틸렌과 공기의 예혼합가스를 다공판을 사용한 버
너에서 연소시켜 얻은 평면화염면에서 상당한 양의 NO가 급격히
생성됨을 발견하고 이를 Prompt NO라고 명명했다. Prompt NO의
- 13 -
생성기구를 식 (2.8)∼ (2.12)에 나타내었다.
CH + N2 → HCN + N (2.8)
HCN + O → NCO + H (2.9)
NCO + H → NH +CO (2.10)
NH + H → N + H2 (2.11)
N + OH → NO + H (2.12)
Prompt NO의 생성은 연료의 농도가 낮은 화염에서는 Zeldovich
mechanism에 의해, 연료의 농도가 높은 화염에서는 탄화수소기에
의한 Fenimore mechanism에 의해 연소 역에서 형성된다. 연소
역 부근에서 NO의 생성율이 평형상태에서보다 다소 클지라도 실제
연소장치에 있어서 이러한 역은 화염후류 역의 Thermal NO에
비해 작은 역이므로 중요하게 생각하지는 않는다.
2.2.3 Fuel NO
Fuel NO는 연료 속에 화학적으로 결합되어 있는 질소성분이
NOx로 전환된 것이다. 이론혼합비 또는 산소가 부족한 경우, 연료
중에 함유된 질소성분이 실험적으로 거의 Fuel NOx로 전환되고 이
반응은 연소반응과 같은 속도로 일어난다. 그러나 연료가 과잉인 경
우에는 연료 중에 결합된 질소가 우선적으로 HCN이 되고, 이어서
다른 중간생성물로 전환되어 결국 Fuel NO가 생성된다.23)
또한, Thermal NO와는 달리 온도의 향을 받지 않으나, 연료 중
에 포함된 질소의 양이 증가함에 따라 전체 NOx생성량은 증가하며
NOx로의 전환율은 감소한다. 따라서, Fuel NO는 연료전환과 산소
- 14 -
의 분압저하에 의해 저감될 수 있다.24)
대부분의 연소장치에서는 Thermal NO가 NOx의 대부분을 차지
하지만 유기질소화합물을 다량으로 함유하고 있는 중유나 석탄을
연소시킬 때는 Fuel NO가 중요한 NOx의 생성원인이 된다. Prompt
NO나 Fuel NO는 주로 연소 역이나 가스반응 역으로부터 조금
떨어진 뒷부분에서 생성됨에 반해 Thermal NO는 산소의 농도, 화
염온도 및 체류시간이 적당하기만 하면 고온 역 어디에서나 발생
할 수 있다. 실제 연소장치에 있어서 Thermal NO는 고온의 화염뒷
부분에서 연료가 희박한 연소상태에서 많이 발생한다.
Thermal NO의 생성량은 연소온도가 높고, 그 시간이 길게 유지
되고, 연소 역에서의 산소농도가 높을 때 증가하며, 저감대책은 그
반대방향을 취하면 된다. 반면에 Fuel NO에 대해서는 연료중의 질
소는 아직 명확하게 그 메커니즘이 밝혀지지 않아서 억제대책에 대
해서도 뚜렷한 결론이 나오지 않은 상태이며 NOx의 생성에 향을
미친다고 생각되는 연소 역의 산소농도를 저하시키는 방법을 사용
하고 있다.
- 15 -
2.3 EGR시스템의 NOx저감 원리
디젤기관의 연소는 가솔린기관의 연소와는 달리, 압축행정 말기에
연료가 연소실내로 분사되므로 공연비 분포가 불균일하다. 연소과정
은 기연가스와 공기, 희박하거나 농후한 미연 공기-연료 혼합기의
복잡한 혼합과 연소가 착화 온도에 도달한 실린더 내의 여러 부분
에서 동시에 진행된다.
디젤기관에서 생성되는 대부분의 NOx는 급속 연소초기 이론공연
비에 가까운 혼합기의 고온분위기에서 NO 형태의 성분으로 주로
발생하며, 연소시작 후 20°CA 내에 대부분의 NO 생성이 완료된
다. Sihling와 Woschni25)는 대부분의 NOx 생성은 실린더 최대 압력
에 이르기 전에 발생하는 연소생성물에서 일어남을 설명하 다.
연소실내에 예혼합연소 정도는 NOx 형성에 직접적인 향을 미
치게 되며, 예혼합연소를 제어하는 가장 효과적인 방법은 분사시기
를 지각하는 것과, 배기가스를 연소실로 재순환하는 것이다.
디젤기관에서 EGR에 의한 NOx저감 메커니즘은 가솔린과는 달리
산소농도저감이 근본적인 원인이라는 연구와 이에 반론하여 화염온
도감소가 원인이라는 연구가 보고되었다. 현재로서는 어느 것이 옳
은지에 대한 결론은 제시되지 않은 상태이지만, Shiozaki7)는 산소농
도와 화염온도의 NOx 저감 기여도는 동일한 수준인 것으로 최근
보고되고 있다.
재 순환되는 배기가스의 주성분은 N2, CO2, 수증기이며 이들 중에
두 가지 성분이 연소과정에 향을 미치며, Ladomatos10,19,26)등이 증
명한 3종류의 메커니즘은 다음과 같다.
2.3.1 희석효과
희석에 의한 향으로는 O2를 N2 및 CO2, 수증기로 대체하여, 흡
- 16 -
기내에 산소농도를 감소시킨다. 다양한 실험을 통하여, 산소 농도의
감소가 NOx 배출을 감소시키고 입자상물질과 HC 배출을 증가시키
는 것으로 나타났다.
Shiozaki7)는 산소 농도의 감소에 의해 점화지연기간이 크게 연장
됨을 관찰하 으며, Ropke27)도 동일한 연구결과를 얻고, 산소 농도
감소가 배기가스 내에 NOx농도에 향을 미치는 주요 인자임을 보
고하 다. Plee28,29)과 Mitchell
30)은 연소개시점을 고정하여 수행한 실
험에서, 디젤기관의 흡기 중의 산소 농도를 변화시켜 화염온도의 변
화가 NOx 배출에 주로 향을 미치고, PM과 CO 배출은 주로 흡기
내 O2의 몰분율에 향을 받는다고 결론지었다. Sato31)와 Lida
32)는
분사시기를 고정하고, 흡기 중의 O2의 농도가 농후하면, NOx 배출
이 증가하고, PM이 감소하는 결과를 얻었다. 또한 Ropke27)은 산소
이용정도가 화염 온도에 향을 미쳐 그로 인해 NOx 생성에 향
을 미친다고 제안하 다.
2.3.2 열효과
연소실내로 수증기와 CO2를 도입하면 흡기의 비열이 증가하게 되
며, 비열의 증가로 실린더 최고 온도가 낮아지고, NOx 배출이 감소
하게 된다.
과거, 수많은 연구를 통하여 공기를 대체하는 EGR의 흡열용량이
공기보다 높기 때문에, 이것이 연소 및 배기가스에 주로 향을 미
친다는 제안이 보고되었다33,34). 그러나, Wilson
35)에 따르면, EGR 가
스의 높은 비열이 화염 온도에 미치는 향은 O2 농도 감소에 비하
여 그 중요성이 떨어지며 EGR의 어떠한 열효과는 EGR에 의한 흡
기온도상승의 향과 서로 상쇄되어, EGR율이 25%이면 흡기의 비
- 17 -
열 증가에는 큰 향을 미치지 못하게 된다고 언급하 다.
2.3.3 화학효과
화학적인 향으로는 CO2와 수증기의 열해리가 있다. 고온에서만
일어나는 활발한 흡열과정으로 연소에 의한 열에너지를 흡수하여
실린더 최고온도를 낮추게 된다.
Ropke27)은 고온연소에서 CO2의 해리로 인하여 산소원자가 공급되
어 Zeldovich 생성기구에 따라, NOx 생성이 증가할 수 있다고 제안
하 다. 또한, Mitchell30)와 Lida
37)은 CO2 해리가 점화지연을 연장시
켜, 더 많은 연료가 예혼합연소단계에서 연소되어 매연 생성을 감소
시킨다고 제안하 다.
흡기에 EGR 가스를 도입하면 NOx가 저감되고, PM은 증가하며,
또한 미연탄화수소가 증가하게 된다. NO 감소의 상당 부분은 희석
에 의한 향이 지배적이며, 해리에 의한 화학적 효과는 NO 배출에
향이 적고, 열용량의 상승에 의한 열효과는 NO 배출에 거의 향
을 미치지 못한다.
총 미연탄화수소 배출량은 EGR 가스가 O2를 대체하는 양이 증가
함에 따라 증가하게 되어 희석효과가 미연탄화수소 증가에 지배적
인 향을 미치는 반면, 화학효과는 미연탄화수소를 약간 증가시키
며, 열효과는 실제적으로 미연탄화수소에는 전혀 향을 미치지 않
는다.
Ladommatos13)은 CO2가 O2를 대체하여 산소농도가 23.3%에서
16.3%로 감소할 때 PM이 4배 이상으로 증가하며, 희석효과에 의한
연소가용산소의 감소가 PM의 대량 증가에 관여한다고 제안하 다.
희석에 의한 향은 PM 감소를 가져오는 화학효과에 의하여 어느
- 18 -
정도 완화되며, 이는 다른 연구자들에 의해 보고된 바 있다.
CO2와 수증기의 희석효과를 비교하면 배기가스 내에는 CO2가 수
증기의 두 배 가량 포함되어 있으므로, CO2의 희석효과가 더 크다.
열효과로는 수증기의 비열이 더 높기 때문에, CO2보다 수증기의
향이 더 크다. 화학적인 효과는 수증기가 해리를 일으키는데 더 높
은 연소온도를 요구하므로, 수증기보다는 CO2의 향이 더 크게 된
다.
Ladommatos13)는 흡기내 산소를 CO2로 대체함에 따른, NO의 감
소와 희석, 화학, 열 효과에 의해 그 감소정도가 얼마나 되는지를
밝혔다. 모든 효과 중에서 가장 큰 효과 중 하나는 희석에 의한 효
과로 산소 농도의 감소가 NO 배출 감소에 큰 향을 미치며, CO2
의 해리에 의한 화학적 효과는 그 향이 작고, 열용량 변화에 의한
열효과는 거의 NO 배출에 향을 미치지 못하는 것으로 보고하
다.
- 19 -
Ⅲ. 실험장치 및 방법
3.1. 실험장치
본 연구에서 적용한 EGR 시스템은 배기메니폴드에서 컴프레서
출구로 배기가스를 재 순환시키는 고압루트 시스템으로, 벤추리관,
EGR 쿨러 및 EGR 밸브 등으로 구성되어 있으며, 시스템 개략도를
Fig. 3.1에 나타내었다. 실린더내의 체적효율의 증가와 EGR 밸브의
내구성 측면에서 배기가스 온도를 낮추기 위해 배기관 측의 EGR밸
브로의 분지관에 수냉식 EGR 쿨러를 장착하 으며, 쿨러에 지나는
냉매량을 조절하여 EGR 가스온도를 조절하 고, 냉매는 20∼25℃
물을 사용하 다. EGR 가스량 확보를 위해 벤추리관을 설치하고
EGR쿨러를 거쳐 냉각된 EGR가스를 벤츄리관의 압력차를 이용해
흡기메니폴드로 유입되도록 하 다. EGR량은 솔레노이드 밸브를 이
용하여 압축공기를 단속하여 3단계로 EGR 밸브 단면적을 조정하여
제어하 다. EGR율은 베이스상태의 신기흡기량에 대한 EGR에 의
한 신기량 감소율로 결정하 으며, 계산식은 다음과 같다.
(3.1)EGR rate=q o- q aq o
여기서, q O는 베이스 상태의 흡입공기량(kg/hr), qa는 배기가스 재
순환시의 흡입공기량(kg/hr)이다.
- 20 -
Engine
Intake Manifold
Exhaust Manifold
8
4
12
3
5
6 7
1. 8000cc DI diesel Engine 5. EC Dynamo-meter
2. EGR valve 6. Exhaust gas analyzer
3. EGR cooler 7. Mini Dilution Tunnel
4. Air flow sensor 8. Dynamo-meter Controller
Fig.3.1 Schematic diagram of experimental engine
- 21 -
3.1.1 실험기관
실험기관은 국내에서 제작되어 차량용, 산업용 및 발전용으로 사
용되는 터보차져 디젤기관을 대상으로 하 으며, 주요 제원은 Table
3.1과 같다. 연료분사 시스템은 베이스기관에 장착되어 있는 직렬형
플런저펌프와 거버너 및 타이머를 그대로 사용하 으므로, 실험상에
서 분사시기나 분사량의 인위적인 조절은 수행하지 않았다.
Table 3.1 Specifications of test engine
Model D1146T
Type in-line, 6 cylinders
Fuel injection Direct injection
Aspiration Turbo-charged
Bore & stroke 111mm×139mm
Compression ratio 16.7 : 1
Displacement 8,071 cc
Rated power 132kW / 2200rpm
Max. torque 696Nm / 1200rpm
- 22 -
3.1.2 고압루트방식의 Cooled EGR 시스템
본 연구에 사용한 고압루트방식의 Cooled-EGR 시스템은 다음그
림과 같이 고압루트부의 벤츄리관과 EGR 밸브, EGR 밸브를 제어
하기 위한 컨트롤 보드 등으로 구성되어 있으며 Fig.3.2는 시스템
구성의 개략도를 Fig.3.3은 실제기관에 장착된 모습을 나타낸 것이
다.
Engine
Intake Manifold
Exhaust Manifold
DAQ board
Control board
Fig.3.2 Schematic diagram of Cooled-EGR system
- 23 -
Fig.3.3 View of Cooled-EGR system
- 24 -
3.1.2.1 고압루트
디젤기관에 있어서 배기가스를 배기메니폴드로부터 컴프레셔출구
로 재순환을 시키는 고압루트방식을 사용할 때 Fig.3.4와 같이 컴프
레셔출구 쪽의 압력이 대부분의 운전조건에서 높기 때문에 자연적
인 순환이 불가능하다. 따라서 이러한 압력차이를 극복하기 위하여
블로워나 벤츄리관을 사용하는 방법이 쓰이고 있다.15,16) 본 연구에서
는 컴펙트한 시스템을 만들기 위하여 벤추리관을 사용하여 이러한
압력차이를 극복하여 전 운전 역에서 항상 배기메니폴드의 압력이
높은 상태를 유지하도록 하 다.
Pressure (EX-IN)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000RPM
bar
ex. (bar)
TC (bar)
Fig.3.4 Pressure of exhaust manifold and turbo-charger in base
벤츄리의 설계를 위하여 컴프레셔 출구와 배기메니폴드의 압력
과 온도를 경계조건으로 하여 상용 CFD 프로그램을 이용하여 검증
하 다. Fig.3.5는 벤츄리의 각부 제원과 설계 후 CFD ACE+를 이
- 25 -
용한 시뮬레이션의 결과를 나타낸 것이다.
(a) Pressure of venturi
(b) CP of venturi
Fig.3.5 Venturi simulation with CFD ACE+
Fig.3.5(a)는 벤츄리 목부분에서 압력강하가 일어남을 보여주며,
Fig.3.5(b)는 배출가스의 공급으로 인해 흡기의 비열이 커지는 것을
보이고 있다. 이러한 설계 및 검증과정을 거친 후 제작한 벤츄리 관
은 Fig.3.6이며, 벤추리관의 각부의 제원은 Fig.3.7과 같다.
- 26 -
Fig.3.7 View of venturi
A B CE
FD
Location spec.(mm) Location spec.(mm)
A 100 D φ30
B 70 E 50
C 280 F φ40
Fig.3.8 Specification of venturi
- 27 -
벤츄리관 장착 후 배기메니폴드와 벤츄리 목부분의 압력은
Fig.3.8과 같이 전 역에서 배기가스를 재순환 시킬 수 있는 차압이
발생하고 있으며, 특히 대형기관에 있어서 사용 빈도가 높은 중, 고
속의 고부하 시에 높은 차압을 유지시킬 수 있었다.
Pressure (EX-Venturi)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000RPM
bar
ex. (bar)
venturi (bar)
Fig.3.8 Pressure of exhaust manifold and turbo-charger in venturi
- 28 -
3.1.2.2 EGR 밸브
본 연구에 사용한 EGR 밸브는 히노자동차(Hino Co. Japan)에서
제작한 밸브이며 대형디젤기관용으로 사용되고 있는 제품으로 본
연구에서는 상용 EGR 밸브를 국내 디젤기관에 적합하도록 밸브의
제어를 위한 Control board를 설계하여 전자제어가 가능하도록 장착
하 다.
본 시스템의 솔레노이드 밸브에 의해 압축 공기를 단속하여 EGR
밸브 상부의 압축공기 회로를 갖는 피스톤을 구동 압축공기의 통로
를 제어하여 밸브의 개폐 단면적을 3단계로 조정하여 EGR량을 제
어 할 수 있는 시스템을 가지고 있다.
Fig.3.9는 3개의 솔레노이드 밸브로 구성되어있는 EGR 밸브의 제
어부 형상을 나타낸 것으로, 솔레이드의 각각의 단자에는 24(V)의
전압이 인가되며 사용 전류는 0.6(A)이다.
Fig. 3.9 View of EGR solenoid valve
- 29 -
Fig.3.10은 EGR 밸브의 형상이며 상부는 제어솔레노이드 밸브로
부터 압축공기를 공급받는 피스톤부, 중간부분은 배기가스를 단속하
는 밸브부 배출가스 Input 통로와 고온의 배출가스와 직접 접촉으로
인한 온도상승을 막기 위한 냉각수통로, 하단부는 밸브로부터 배출
되는 배기가스통로로 구성되어있다.
Fig.3.10 View of EGR valve
Control board는 솔레노이드 밸브에 인가되는 24 V의 전압을 릴
레이의 ON/OFF 신호로 제어 할 수 있도록 하여 EGR 밸브에 5
Kgf/cm2의 압축공기를 단속할 수 있도록 구성되어 있다. Control
board의 상단의 단자는 24 V전원과 솔레노이드 밸브와 연결되어 있
으며, 하단의 단자는 PC상의 A/D 컨버터의 Digital output port와
연결되어 5 V의 구동신호를 받는다. Digital output 단자의 ON/OFF
- 30 -
신호의 출력은 다음절에서 설명하며, 보드의 개략도를 Fig.3.11에 실
제 보드는 Fig.3.12와 같다.
Port 49
Port 17Port 52
Port 18 GND
MV 3
Control board
MV 2 MV 1
GNDMV 1MV 2MV 3
Fig.3.11 Schematic diagram of EGR valve control board
Fig.3.12 View of EGR valve control board
- 31 -
3.1.2.3 EGR 밸브 시스템의 제어
본 연구는 기관의 운전상태를 파악하기 위하여 기관회전수와 부
하조건을 변수로 사용했다. 회전수는 RPM센서의 신호를, 부하조건
은 엑셀레이터의 당김량을 쓰로틀 포지션센서를 이용하여 측정하
다. 측정값은 PCI 6024E(NI co.)보드를 사용하여 전압형태로 받아들
으며 PC에서는 LabView 프로그램을 이용하여 Fig.3.13과 같은 시
스템을 구성하여 EGR 밸브를 제어하 다. PC에서 실험 데이터를
바탕으로 구성한 Map 데이터에 의하여 결정된 EGR 밸브 컨트롤
신호는 컨트롤 보드를 통하여 전압 신호로 바뀌어 솔레노이드밸브
에 인가되고, 솔레노이드밸브의 ON/OFF에 의해 EGR 밸브의 열림
량을 제어하여 EGR율을 조정하게 된다.
Engine
DAQ board
RPM(voltage signal)Load(voltage signal)
RPM(data)Load(data)
EGR valve control board
EGR solenoidOn/Off (data)
PC
EGR system
EGR solenoidOn/Off (signal)
EGR solenoidOn/Off (voltage)
EGR ratio
Map data(for EGR valve
control)Compare
RPMLoad
Valveon/off
Fig.3.13 Flowchart of EGR valve control
- 32 -
Labview를 이용한 프로그램36,37)은 Fig3.14와 같다.
Fig.3.14 Labview programing for EGR valve control
- 33 -
3.1.3. 측정장치
3.1.3.1 기관동력계
본 연구에 사용한 동력계는 250kW, EC형 기관동력계와 냉각수
온도 조절장치, 윤활유 온도 조절장치, 흡입공기 유량계, 연료 유량
계, 압력센서 및 온도센서 등으로 구성되어 있다.
Fig.3.15 View of test cell
- 34 -
3.1.3.2 배기가스 분석장치
디젤기관 배기가스 측정장치는 배기가스 중 CO, THC, NOx 를
분석할 수 있으며, CO는 비분산적외선분석법(NDIR : Nondispersive
infrared), HC는 가열식불꽃이온화검출기법(HFID : Heated flame
ionization detector), NOx는 화학발광법(CLD : Chemiluminescence
detector)을 사용하여 측정하 다.
Fig.3.15 View of exhaust gas tester and MDT
- 35 -
PM의 경우 MDT를 이용하여 여지에 일정량의 배기가스 채취 후
전자저울을 이용하여 채집 전,후의 질량차이를 측정 배기가스 중 채
집된 가스비율을 고려하여 계산하 다. Fig.3.15는 분석장치의 모습
이며, 배기가스 분석은 분석장치에서 취득한 체적단위(ppm)의 배기
가스를 다음의 식을38) 이용하여 질량단위로 환산하 다.
HCmass=0.000479×HCconc×GEXH×K
COmass=0.000966×COconc×GEXH (3.2)
NOxmass= 0.001587×NOx comc×GEXH×K×KH
여기서, GEXH=GAIR+GFUEL이며, K는 배출가스를 건식상태에서 습
식 상태로 환산하기 위한 CO및 NO의 보정계수로 식 (3.3)에 의한
다.
(3.3)K=1-{ FA }α
α=1.9로 H와 C 원자수의 비로 통상 1.9를 사용하며, F는 연료유
량 (g/h), A는 공기유량 (g/h)이다. 또한 KH는 습도 보정계수로
식 (3.4)와 같다.
(3.4)KH=( 11-0.0025(7H-75) )
H는 실험실에서의 공기중의 수분 (g)과 건조공기와의 중량비 (Kg)
로 식 (3.5)와 같다.
- 36 -
(3.5)H=622×( PwPa-Pw )
Pw= RH×Pws÷100로 Pw는 공기중의 수증기 분압 (mmHg), Pa는
대기압 (mmHg), RH는 상대습도(%), Pws는 상대습도 측정 시 건
구온도에서의 포화 수증기압 (mmHg)이다.
- 37 -
3.2. 실험방법
3.2.1 기관 및 배기가스 성능실험
기관 운전조건으로는 기관회전수를 800rpm에서부터 2200rpm까지
200rpm씩 변화시키면서, 부하 0%, 20%, 40%, 60%, 80% 및 100%
조건에서 3분 동안 안정시킨 상태에서 30초 동안 각종 데이터를 수
집, 산술평균 하 다. EGR 장치를 장착한 후에 기관회전수 및 부
하를 고정하고 제어 스위치를 통해 EGR 밸브의 스텝을 1단계, 3단
계로 조정하여, 동일한 방법으로 측정, 분석하여 베이스 결과와 비
교 분석하 다.
EGR 실험시 신기와 배기가스가 혼합된 후 실린더로 유입되는 혼
합기의 온도는 부하에 관계없이 EGR율에 따라 30∼52℃로 유지하
다.
3.2.2 D-13모드 테스트
국내 중량자동차 배기가스 규제시험모드인 D-13모드를 선정하여,
앞서 실행한 실험의 데이터를 바탕으로 EGR 밸브의 작동 역을
맵핑하고 전자제어 Cooled-EGR 시스템을 장착하여 운전하며 배기
가스를 측정․분석, 베이스 기관과 비교하 다. Table 3.2에 D-13모
드의 운전조건을, Table 3.3에 현행 중량자동차 배기가스 규제치38)
를 나타내었다.
- 38 -
Table 3.2 Driving condition of D-13 mode
Mode Speed Load (%) W/F
1 idle - 0.25/3
2 intermediate 10 0.08
3 〃 25 0.08
4 〃 50 0.08
5 〃 75 0.08
6 〃 100 0.25
7 idle - 0.25/3
8 rated 100 0.1
9 〃 75 0.02
10 〃 50 0.02
11 〃 25 0.02
12 〃 10 0.02
13 idle - 0.25/3
Table 3.3 Korea HD diesel emission standards
YearEmissions (g/kWh)
CO HC NOx PM
2000. 1 ∼ 2000. 12 3.0 1.0 6.0 0.2
2001. 1 ∼ 2002. 6 3.0 1.0 6.0 0.2
2002. 7 ∼ 2.0 0.66 5.0 0.1
- 39 -
Ⅳ. 결과 및 고찰
4.1 기관성능실험
전부하 800rpm에서 2200rpm까지의 조건에서 출력 및 토크와 연료
소비율을 측정하여, Cooled-EGR 장치의 장착전과 장착후의 결과를
Fig. 4.1에 비교하 다. EGR 밸브의 한정된 작동 역과 기관 내구성
문제로 인해 EGR율은 10%∼30%까지로 제한되었다. EGR에 따라
4∼14%의 출력 감소가 나타났으나, 대형기관이 최대토크점 및 최대
출력에서 높은 빈도로 운전됨을 고려할 때 4∼6%의 출력 감소가 나
타나고 있다.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
kgf-m
BaseStep1Step3
Fig.4.1 Result of engine performance
- 40 -
4.2 배기가스 성능실험
Fig. 4.2는 부하율 100%에서의 Base 기관과 EGR을 적용한 경우의 공기
과잉율을 비교한 것이다. EGR을 적용함에 따라 공기과잉율이 감소하는 것
을 확인 할 수 있는데, 디젤기관에서는 EGR가스가 신기를 대체하므로, 감소
한 신기량 만큼 실린더 내의 총급기 중 산소농도도 감소하게 된다. 따라서
EGR을 적용하면 이러한 공연비 감소가 기관 성능뿐만 아니라 배기가스에
향을 크게 미치게 되며 이러한 향인자의 결과로서 디젤기관에 있어서 가
장 문제시 되고있는 질소산화물과 입자상물질을 중심으로 Trade-off 특성
과 CO, HC 등의 배출가스특성을 살펴보았다.
0
5
10
15
20
25
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
BaseEGR
Fig.4.2 Compare with air/fuel ratio
- 41 -
4.2.1 질소산화물 (NOx)
Fig. 4.3은 EGR 밸브의 stepⅠ, stepⅢ와 Base 기관에서의 NOx
배출량을 나타낸 것이다. 부하가 상승함에 따라 EGR에 의해 NOx
저감효과가 현저하게 나타났다. 저부하 운전조건에서는 고부하 운전
조건에 비해 상대적으로 공기과잉상태이고, 연소에 의해 소모되는
산소량이 적어 배기가스 내 CO2 및 H2O량이 상대적으로 낮아 EGR
에 의한 향을 적게 받게 되며, 고부하에서는 연소를 위해 많은 양
의 산소가 소모되어 연소생성물을 포함한 배기가스가 급기 중 산소
농도를 크게 감소시켜, 높은 NOx저감효과를 나타낸다. 산소농도 감
소에 따른 점화지연의 연장이 연소실 최고압력 및 온도를 낮추게
되고, 재순환가스에 의한 열용량 증가도 연소실의 최고온도를 감소
시키는 요인으로 작용하여 온도에 의해 좌우되는 질소와 산소의 고
온반응이 억제되는 것으로 생각된다. 본 실험에서 저감율은 저부하
역에서 20∼40%, 고부하 역에서 60∼70%로 나타나고 있다.
0
100
200
300
400
500
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
g/h
BaseStep 3Step 1
(a) NOx in 100% load
- 42 -
0
100
200
300
400
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
g/h Base
Step 3Step 1
(b) NOx in 80% load
(c) NOx in 60% load
0
100
200
300
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
g/h
BaseStep 3Step 1
- 43 -
(d) NOx in 40% load
0
100
200
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
g/h
BaseStep 3Step 1
(e) NOx in 20% load
0
100
200
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
g/h
BaseStep 3Step 1
- 44 -
(f) NOx in 0% load
0
100
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
g/h
BaseStep 3Step 1
Fig.4.3 Result of NOx
- 45 -
4.2.2 입자상물질 (PM)
Fig. 4.4는 EGR 밸브의 stepⅠ, stepⅢ와 Base 기관의 PM 배출
특성을 나타낸 것이다. 60% 이상의 고부하 역에서 EGR 적용에
따라 PM은 2배 이상 증가하 으며, 저부하 역에서는 EGR의 향
은 크지 않았다. 이는 저부하 역에서는 배기가스를 재순환 시키더
라도 여전히 공기과잉상태에서 연소하므로 큰 향을 주지 않는 것
으로 생각되며, 중부하 이상의 역에서는 EGR 가스가 공기과잉율
의 감소에 크게 향을 주어 PM의 증가에 큰 향을 주는 것으로
생각된다.
PM과 스모크는 공기부족에 따른 불완전연소 시 급격한 증가를
보이며 연료소비율과 접한 관계가 있어 주로 급가속시나, 고부하
운전조건에서 다량으로 배출되며, 동일 부하에서 기관회전수가 낮을
수록 높게 배출되는 특징을 가지고 있다. 이는 상대적으로 농후한
연료 공급과 급기 내의 산소농도 감소에 의한 연소환경의 악화, 연
료와 산소의 불완전한 혼합에 의한 것으로 판단되며, 본 실험의 결
과에서도 같은 경향이 나타났다.
고부하 역에서는 200% 이상의 증가율이 보여 지며, 50% 부하
이하의 저부하 역에서는 10 -3 g의 스케일을 가진 전자저울로는
측정 불가능한 미소한 증가율이 보여졌다.
- 46 -
(a) PM in 100% load
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
g/h
BaseStep 3Step 1
(b) PM in 80% load
0
100
200
300
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
g/h
BaseStep 3Step 1
- 47 -
(c) PM in 60% load
0
100
200
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
g/h
BaseStep 3Step 1
Fig.4.4 Result of PM
- 48 -
4.2.4 일산화탄소 (CO)
Fig. 4.5는 EGR 밸브의 스탭에 따른 부하별 일산화탄소(CO)의 배
출량을 나타낸 것이다. 저 부하 역에서 CO 배출이 상대적으로 낮
으며, 고 부하에서는 그 증가율이 급격해지는 것으로 나타났다, 이
러한 경항은 부하가 증가할수록 EGR에 의한 농후한 혼합기 형성과
이전 기관 싸이클의 CO 재순환량이 증가하기 때문이다. 디젤기관은
전 운전 범위에서 공기과잉상태로 운전되므로 배출량은 극히 작으
며, 기관회전수 변화보다는 부하에 큰 향을 받는다.
증가율은 저부하 역에서 1.3∼2.5배, 고부하 역에서는 5∼6배
의 증가를 보이고 있다. 그러나 본 실험 기관의 CO의 최대배출량은
1400 rpm의 전부하 상태에서 70 g/h이며, 단위를 환산하면 0.7
g/Kw-h로 2002년도 규제법규인 4.5 g/Kw-h와 비교하여 걱정할 만
한 수치는 아닌 것으로 판단된다.
(a) CO in 100% load
0
20
40
60
80
100
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
g/h
BaseStep 3Step 1
- 49 -
(b) CO in 80% load
0
20
40
60
80
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
g/h
BaseStep 3Step 1
(c) CO in 60% load
0
10
20
30
40
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
g/h
BaseStep 3Step 1
- 50 -
(d) CO in 40% load
0
10
20
30
40
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
g/h
BaseStep 3Step 1
(e) CO in 20% load
0
10
20
30
40
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
g/h
BaseStep 3Step 1
- 51 -
(f) CO in 0% load
0
10
20
30
40
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
g/h
BaseStep 3Step 1
Fig.4.5 Result of CO
- 52 -
4.2.5 탄화수소 (HC)
Fig. 4.6은 부하별 탄화수소(HC) 배출특성을 나타낸 것으로 본
EGR 시스템 적용시 감소하는 경향을 보 다. 이는 EGR에 의해 흡
기온도 상승이 HC를 감소시키는 요인으로 보이며, 무부하시 실험상
과도한 냉각에 의해 증가하는 부분이 생기는 것으로 생각된다. 그러
나 탄화수소의 경우 디젤기관의 배출물에서 차지하는 비율이 적어
고부하의 높은 EGR율에서는 그 기여도가 낮다. Durnholz34)의 연구
에서도 EGR에 대하여 흡기온도 상승에 의해 미연 HC가 감소하는
것으로 나타났으며, 본 실험의 결과와 동일하다.
실험 결과 대부분의 운전 역에서 50%∼70%의 감소를 보이고 있
다.
(a) HC in 100% load
0
5
10
15
20
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
g/h
BaseStep 3Step 1
- 53 -
(b) HC in 80% load
0
3
5
8
10
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
g/h
BaseStep 3Step 1
(c) HC in 60% load
0
2
4
6
8
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
g/h
BaseStep 3Step 1
- 54 -
(d) HC in 40% load
0
2
4
6
8
10
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
g/h
BaseStep 3Step 1
(e) HC in 20% load
0
2
4
6
8
10
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
g/h
BaseStep 3Step 1
- 55 -
(f) HC in 0% load
0
2
4
6
8
10
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
g/h
BaseStep 3Step 1
Fig.4.6 Result of CO
- 56 -
4.3 전자제어 Cooled EGR 시스템의 Mapping 결과
본 실험의 측정데이터를 바탕으로 하여 NOx의 저감을 고려하여
EGR 밸브의 작동 개시시점과 밸브 리프트를 결정하기 위하여 베이
스상태와 비교하 다. Fig. 4.7은 NOx가 부하와 회전수의 변화에 따
라 얼마나 배출되고 있는지 나타내고 있으며, Fig. 4.8은 PM의 변화
를 나타내고 있다.
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
0102030405060708090
100
Load
64.4
110.6
156.9
203.1
249.4 295.6
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
0102030405060708090
100
Load
20.1
33.7
47.4
61.1 74.7
88.4 102.1
Base NOx (g/h)
Step 3 NOx (g/h)
Fig.4.7 Compare with Data of base and stepⅢ in NOx
- 57 -
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
60
70
80
90
100
Load
69.5 106.5
143.4 180.3 217.3 254.2
291.1 328.1
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
60
70
80
90
100
Load
149.6
229.3
308.9
388.5
Base PM(g/h)
Step 3 PM(g/h)
Fig.4.8 Compare with Data of base and stepⅢ in PM
또한 데이터를 바탕으로 EGR 밸브의 작동을 위해 부하별 회전수
에 따라 NOx의 저감을 위한 최적의 밸브 컨트롤을 위해다음과 같
이 CO, HC는 배출허용기준을 고려하고, PM은 추후에 DPF (Diesel
Particulate Filter Trap)와 같은 후처리 장치의 장착을 예상하여 1.5
배 수준으로 선정하여 밸브의 작동 범위를 Fig. 4.9와 같이 설정하
다.
① NOx의 최대 저감
② CO의 최대허용 30(g/h) 이내
③ HC의 최대허용 농도 5(g/h) 이내
④ PM은 Base의 1.5배 이내
- 58 -
저회전 역 및 저부하 역에서는 EGR 밸브 StepⅢ를 중부하
역에서는 EGR 밸브 StepⅠ을 고속, 고부하 역에서는 EGR 밸
브를 닫아 재순환을 시키지 않는 것을 설정하 다.
RPM
Load
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
20
40
60
80
100
0
EGR valve Step 3
EGR valve Step 1
EGR valve Step 0(without EGR)
Fig.4.9 Optimized EGR valve control map
EGR 밸브의 최적 제어시 NOx와 PM의 배출경향의 비교는 Fig.
4.10과 Fig. 4.11에 나타내었다.
- 59 -
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
0102030405060708090
100
Load
64.4
110.6
156.9
203.1
249.4
295.6
(a) NOx without Cooled-EGR system
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Load
28.9
51.5
74.0
96.5 119.0
186.6
254.2
(b) NOx with optimized Cooled-EGR system
Fig.4.10 Optimized EGR valve control in NOx
- 60 -
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
60
70
80
90
100Lo
ad 69.5 106.5
143.4 180.3 217.3 254.2
291.1 328.1
(a) PM without Cooled-EGR system
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000rpm
60
70
80
90
100
Load
124.1
162.2
200.3
238.3
276.4 276.4
314.4
314.4 35
2.5 352.5
390.6
(b) PM with optimized Cooled-EGR system
Fig.4.11 Optimized EGR valve control in PM
- 61 -
4.3.3 D13 모드의 결과
Fig.4.12는 Base 기관과 EGR 밸브를 최적 제어 했을 경우 D-13
모드에서 측정한 CO, HC, NOx 및 PM의 배출량을 나타내고 있다.
국내 향후 중량자동차 배출허용기준을 고려하면, EGR을 적용했을
때, CO 및 HC 배출량은 각각의 규제치인 4.9(g/kw-h) 및 1.2
(g/kw-h)를 만족하고 있다. 또한 NOx는 46%의 저감율을 보여 규
제치인 6(g/kw-h)를 만족하고 있으며, Trade-off 관계에 있는 PM
의 경우 기준치 0.15(g/kw-h)를 크게 초과하고 있어 이에 대한 대
책이 시급한 상황이다.
정 한 EGR 밸브의 제어를 위해서는 기관의 연료분사시기 및 연
료분사량, 터보차저의 성능이 적절한 EGR율의 선정과 동시에 고려
되어야 하며, Trade-off 관계에 있는 PM의 저감을 위한 적절한 후
처리 장치가 적용된다면 보다 큰 폭의 NOx 저감이 가능하다.
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
CO HC Nox PM
g/kw-h
Base
Optimized
Fig.4.12 D-13 mode test with Optimized EGR valve control
- 62 -
Ⅴ. 결 론
대형디젤기관에 고압 루트 방식의 전자제어식 Cooled-EGR 시스
템을 장착한 실험을 통하여, 기관 성능 및 배기가스에 미치는 향
을 분석, EGR 밸브의 최적화를 수행한 결과, 다음과 같은 결론을
얻었다.
(1) 대형 터보차저 디젤 기관에 Cooled-EGR 시스템을 적용함에 따
라 NOx 배출량은 현저하게 감소하고, 상대적으로 PM과 CO는
증가하는 경향을 볼 수 있으며, HC는 다소 감소하는 것으로
나타났다.
(2) 부하 및 기관 회전수에 따른 가스상물질 및 입자상물질의 배출
특성을 파악하여 EGR 밸브의 작동 역을 최적화 시켜, 실시간
으로 기관의 부하 및 회전수에 따라 EGR 밸브를 작동시킬 수
있었다.
(3) D-13모드 시험결과를 통해, 전자제어식 Cooled-EGR 시스템을
적용하여 NOx의 배출량을 50%이상 저감시킬 수 있음을 확인하
다.
(4) 벤츄리의 압력 강하를 이용하여 고압 루트 방식의 EGR 시스템
을 적용하여 보다 콤펙트한 EGR 시스템 개발에 방향성을 제시
하 다.
- 63 -
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- 68 -
Abstract
An Experimental Study on Cooled EGR Control System
of a Heavy-Duty Diesel Engine
by Kim, Jae-Jin
Graduate School of Automotive Engineering
Kookmin University. Seoul, Korea
This research was carried on an 8100cc turbo-charged heavy
duty diesel in the application of a cooled-EGR. Exhaust and
intake manifold were modified and an electronically controlled
EGR was installed in order to investigate engine performance and
exhausted emission characteristics.
High pressure route were designed compactly in this
cooled-EGR system, which constitutes a venturi tube to maintain
pressure difference between exhaust manifold and compressor, an
EGR cooler, an EGR valve and a solenoid valve.
Optimized operation ranges for an EGR valve were selected
based on experimental results, and electronically controlled logic
were designed by the information of engine speed and input
signal transformed from position signal of accelerator and this
system was tested in D-13 mode. From this test, NOx and HC
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were decreased more than 50% significantly, but PM and CO
were increased apparently and engine power was decreased
slightly.
An electronically controlled high pressure typed cooled EGR
system was applied to heavy-duty diesel engine so that it might
contribute the development of future after-treatment technology
by providing fundamental experimental data.
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감사의
학위과정 동안 지도와 편달을 아끼지 않으시고, 큰 관심과 사랑으
로 대해주신 한 출 지도교수님께 먼저 머리 숙여 감사 드립니다.
보다 나은 논문이 되도록 지도해주신 장시열 교수님과 조용석 교수
님께도 진심으로 감사 드립니다. 또한 2년 간 동고동락하며 어려울
때나 기쁠 때나 힘이 되어준 동기 박형철, 전형진 학형과 트라이볼
로지 실험실의 오승진, 이원민, 공현상 학형, 열기관 실험실의 강봉
균, 유연준 학형과 많은 시간을 함께 하며 조언을 아끼지 않으신 오
상기, 원현우, 김동우, 임인혁 학형과 박만재 선배님, 김대열 선배님,
백두성 교수님과 오용석 교수님께 진심으로 감사 드립니다. 실험을
위해 실험장비와 함께 수많은 밤을 함께 해주신 Tesys Engineering
의 김종해 차장님과 송기원 차장님께도 감사 드립니다.
대학시절 철모르는 시절부터 선후배로 친구로 10년여를 같이해온
한상철, 최훈, 장석태, 유진수, 김승범, 윤솔, 정현성, 최재현, 김선
학형께도 감사의 마음을 전합니다. 또한, 윤두호 후배의 새로운 연
구실 생활을 축하하며, 저를 아껴주시고 격려해주신 나완용 교수님,
강호인 교수님, 지난여름 일본에서 저희를 안내해 주시느라 고생하
신 이성욱 박사님을 비롯한 많은 동료, 선․후배님께도 감사 드리며
앞날에 무궁한 발전이 있으시기를 기원합니다.
못난 자식의 뒤늦은 공부를 위해 힘든 가정형편을 생각지 않으시
고 저의 앞날만을 걱정해주신 아버님과 마음깊이 아들을 믿어주신
어머님, 세상 하나뿐인 동생 재우와 작년 5월 한식구가 된 제부께
도 감사 드리며, 지금부터 시작이라는 생각으로 평생 한결같음으로
보답하겠습니다.
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10년 세월을 한결같은 사랑으로 2년 간의 석사 과정을 마칠 수
있도록 언제나 힘이 되어주고, 이제 새봄이 찾아오면 나의 원한
신부로 평생을 같이할 사랑하는 선화에게 저의 이름으로 쓴 첫 번
째 책을 바칩니다.
모든 분의 성원과 관심을 소중히 간직하겠습니다.
2002년 12월 24일
재진 드림
