Diesel Engine의 1D 모델링을 통한 파일럿 분사시기와 주 분사시기 최적화에 따른 엔진 효율 분석

1. 서 론

전기차와 하이브리드 자동차의 수요 및 공급이 점차 늘고 있는 유럽이나 일본 등의 국가에서는 내연기관의 효율을 높여 에너지손실을 저감하는 기술 개발에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 연소 시 발생하는 열 손실을 줄이거나, 다양한 엔진 부하에 있어 유연한 대응을 할 수 있는 분사전략에 대한 연구 등 엔진 효율을 개선하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.^1-3)

자동차 엔진에서 연소 효율, 연료 소비량에 관련이 있는 인자들 중 대표적으로 파일럿 분사가 있다. 파일럿 분사는 주 분사가 이루어지기 이전에 적절히 적은 양의 연료를 분사해 줌으로써 주 분사가 되었을 때 연소실 내의 온도나 압력 등의 환경을 단일 분사보다 개선시켜 연소 자체의 효율을 개선시키는 이점이 있다. 다단 분사는 단일 분사와 비교하였을 때, 연비에 영향을 주지 않으면서 NOx를 35 %까지 저감할 수 있다.¹⁾ Carlucci 등⁵⁾은 파일럿 분사 시기는 파일럿 연소 동안 연소되는 연료의 양과 직접적인 관련이 있다는 연구를 수행하였다. 다단분사는 상용 엔진에 적용되어 사용되고 있지만, 다양한 엔진 부하 조건에서 각각의 다단 분사가 최적화 된다면, 엔진에서의 불필요한 열 손실을 감소시켜, 연료를 저감하고 효율을 증가 시킬 수 있다.

또한, 파일럿 분사와 주 분사의 분사시기 간격이 너무 짧거나 길어 적절하지 않은 경우 파일럿 연료 연소가 잘 되지 않는다. 파일럿 연소가 원활하지 않은 경우 NOx 등의 배기가스가 증가하고 엔진 효율을 저감시키는 요인으로 작용할 수 있다.^6,7) 다단 분사의 경우 분사 시기, 분사 압력, 분사기간 등 분사 조건에 따라 연소의 특성 및 궁극적인 엔진의 효율 및 배기가스에 영향을 미치기 때문에 정교한 제어가 반드시 필요하다.^8,9)

본 연구에서는 기존의 커먼 레일을 사용하여 다단 분사를 하는 디젤 엔진을 바탕으로 모델링을 진행하였다. 그리고 첫 번째 파일럿 분사, 두 번째 파일럿 분사, 주 분사가 엔진 효율에 미치는 상호작용 하는지 확인하고, 실험 계획법(DOE)을 통하여 파일럿 분사와 주 분사의 시기를 최적화하였다. 분사시기에 대한 연소의 민감도를 보기 위하여 분사 시 사용된 연료량과 분사 압력은 고정하였다. 이를 통해 연소 환경의 변화를 해석하고, 엔진 효율을 개선하는 연구를 하였다.

2. 수치해석 및 방법

2.1 대상 엔진 제원 및 모델링

엔진 시뮬레이션을 통해 효율 향상 최적화 연구를 진행하기 위하여 먼저, 실제 실험 데이터를 기반으로 모델링 하였다.

상용 엔진 해석 프로그램인 GT-Power를 이용하여 기존의 대상 엔진 제원과 정상 상태 실험 데이터를 바탕으로 기본 엔진 모델링을 진행하였다.

모델링을 위한 대상 엔진은 1.4 L 4실린더 승용 디젤 엔진으로 커먼 레일 인젝션과 EGR을 사용하고 있으며, 최대 파워 90 hp, 최대 토크 24.5 kg.m의 성능을 가지며 주요 제원은 Table 1과 같다.

Table 1

Specification of engine

먼저, 이 대상 엔진을 기본으로 1.0 L 3실린더의 컴팩트한 디젤 엔진을 모델링하고, 파일럿 분사와 주 분사시기에 대한 최적화를 진행 하였다. Table 2와 같이 특정 엔진 속도와 엔진 부하 조건을 가진 다섯 운전점을 선정하고 엔진 효율과 에너지 손실을 비교, 해석하였다.

Table 2

Operating points

2.2 모델링의 신뢰도 확인

1.0 L 3실린더 디젤엔진 모델에 대한 수치해석에 앞서, 대상 엔진 실험 데이터를 이용하여 1.4 L 4실린더 엔진을 모델링 하였다. 그리고 Table 2의 다섯 운전점에서 엔진의 성능을 보여주는 주요 인자들을 Table 3과 같이 선정하여 3 % 이내 오차를 가지도록 모델의 신뢰도를 확보였다.

Table 3

Model calibration for reliability

신뢰도 3 % 이내를 확보하기 위하여, 시뮬레이션 상에서 연소, 마찰, NOx에 대한 3가지 변수를 DOE 기법으로 선정하였다. 첫 번째, 연소 모델구현은 DI Pulse 모델(Direct-Injection Diesel Multi-Pulse Combustion Model)을 사용하였는데, 이 모델은 입력된 엔진의 압력, 온도, 공연비 등의 변수를 이용하여 연소 효율, 사용된 연료량, 배기가스 등을 수치적으로 계산하는 모델이다. 그리고 연소실 내부 영역을 Main unburned zone, Spray unburned zone, Spray burned zone의 3가지 영역으로 나누어 계산한다. 두 번째, 마찰에 대한 모델은 최고 실린더 압력 및 피스톤 속도 값을 이용하여 계산하는 Chen-Flynn engine friction 모델을 통하여 엔진의 FMEP를 결정하였다. 마지막으로, 배출되는 NOx의 양은 NOx 값 자체의 멀티플라이어와 N₂ 산화 활성화 에너지 변수를 이용하여 실험 데이터를 참고하여 신뢰도를 확보하였다.

2.3 수치 해석 배경 및 방법

2.3.1 수치 해석 배경

엔진 모델은 2회의 파일럿 분사와 주 분사인 다단 분사로 이루어진다. 최적화를 통해 각 분사시기의 조절을 통해 실린더 내부 압력이 완만하게 상승하고, 열 발생률이 낮아지도록 하였다.¹⁰⁾ 최종적으로 에너지 손실을 줄이고, 엔진의 효율의 향상을 가지도록 하였다.

각 분사의 시기 조절이 BSFC 및 BSNOx에 미치는 영향에 대한 민감도를 확인하였다. 그리고 첫 번째 파일럿 분사, 두 번째 파일럿 분사, 주 분사의 분사시기를 Fig. 1과 같이 조절함으로 상관관계를 수치적으로 해석하고, 기존대비 BSFC 및 BSNOx 향상을 통한 연소 개선을 확인하였다.

Fig. 1

Interaction of 1st pilot, 2nd pilot and main injection

2.3.2 수치해석 방법 및 내용

사용한 해석 프로그램은 상용 툴인 엔진 설계 해석을 위한 통합 CAE 프로그램인 GT- Power를 사용하였다.

모델링 최적화를 위한 실험계획법으로는 최소값과 최대값을 주고 겹치지 않도록 하나씩 무작위로 추출하는 샘플링 기법인 Latin hypercube을 사용하였다. 그리고 편차 제곱의 합이 최소가 되는 분포를 통해 값을 산출하는 Least square 기법으로 반응 표면을 도출하였다.^11,12) 또한, Multi-Objective Pareto 방법을 통하여 Trade-Off 관계에 있는 BSFC와 BSNOx의 결과 값을 모두 최소화하는 분사시기를 선택하였다.

두 번의 파일럿 분사와 주 분사 시기 3가지를 입력 변수로 하여 상관관계 효과를 확인하였다. Least square로 도출한 각각의 변수 데이터들이 Bake Efficiency에 얼마나 상관관계를 가지고 기여하는지에 대한 분석이다. 이 상관관계를 분석함으로써, 특정 부하 조건에서 3번의 분사 시기와 분사 간격이 결과 값에 얼마나 영향을 주는지 알 수 있다. 또한, 변수 상관 정도에 따라 분사 시기에 따른 민감도와 지배정도를 짐작할 수 있다.

운전점 #1에 대한 파일럿 분사와 주 분사의 상관관계를 Table 2에서 확인하여 보았다. Fig. 1에서 첫 번째 파일럿 분사 시기와 주 분사 시기의 상관관계는 엔진의 Brake efficiency를 약 0.02 % 감소시키는데 기여하였다.

첫 번째 파일럿 분사 시기와 두 번째 파일럿 분사 시기는 Brake efficiency를 약 0.02 %, 두 번째 분사시기와 주 분사 시기는 Brake efficiency를 약 0.01 % 증가 시키는데 영향을 주는 것을 확인하였다. 이 결과를 보았을 때, 이 운전점 #1에서의 두 번째 파일럿 분사 시기는 첫 번째 파일럿 분사, 주 분사 시기와 함께 Brake efficiency를 감소시키므로 이 값을 최소화 하는 분사시기를 정하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있다. 운전점 #1 이외의 운전점 #2 ~ #5에서도 최적화 이전에 두 번의 파일럿 분사시기와 주 분사시기 상관관계를 확인하고, 최적화를 진행하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 분사시기의 최적화

1.4 L 엔진에서 1.0 L 엔진으로 다운사이징하여 보다 컴팩트한 엔진 모델을 구현하였고, 이에 따라 상대적으로 연소 특성에 영향을 주는 많은 인자들 중 분사시기의 정교한 최적화가 중요하다. 파일럿 분사와 주 분사로 이루어지는 멀티 분사의 경우 분사시기에 따른 실린더 내부 환경, 에너지 손실과 배기가스 등이 보다 민감하게 변화할 것이라고 판단하였다.

Latin Hypercube 기법을 통하여 샘플링을 하였고, BSNOx를 유지하거나 감소시키면서 동시에 BSFC 감소 및 엔진 효율을 증가시킬 수 있도록 Multi-Objective Pareto 방법을 이용하여 분사시기를 최적화하였다. 결과적으로 기존 모델 대비 두 번의 파일럿과 주 분사 시기의 최적화하기 위하여 변경한 분사시기 변화량 ∆soi_1, ∆soi_2, ∆soi_m의 값은 Table 4와 같다.

Table 4

Injection timing change (deg, CA)

Fig. 2에서 보듯이 다섯 영역 모두 파일럿 분사를 주 분사에 가깝게 지각하였다. 최적화한 다섯 운전점에서의 분사시기 최적화 범위는 첫 번째 파일럿 분사가 약 9.4 ~ 11.9 CA, 두 번째 파일럿 분사가 7.0 ~ 9.5 CA, Main 분사가 -0.5 ~ 1.7 CA 이다. 기존 분사시기에서의 BSFC와 BSNOx 값 대비, 이 값을 유지하거나 감소하는 경우만을 고려하였다.

Fig. 2

Injection timing control of pilot and main injection (_________: base injection, ---------: optimized injection)

각 운전점에 대하여 분사시기를 최적화하였을 때, 기존 모델 대비 BSFC와 BSNOx의 저감을 확인하였다. 감소한 정도는 Fig. 3의 BSFC 비교와 Fig. 4와 BSNOx 비교 그래프와 같다.

Fig. 3

BSFC comparison between base and optimized injection timing

Fig. 4

NOx comparison between base and optimized injection timing

BSFC의 경우 약 0.4 % ~ 1.7 % 정도 개선할 수 있었으며, BSNOx의 경우 약 1.2 % ~ 26 %까지 개선하였다.

3.2 분사 시기 최적화에 따른 연소 및 열전달 특성 분석

분사시기의 최적화 결과로 열 전달량이 Table 5와 같이 다섯 운전 영역에서 평균적으로 0.15 kW 감소하는 경향을 보였다. 특히, 고 부하 운전점에서의 감소가 저 부하 운전점보다 2배 이상 크게 나타났다.

Table 5

Average heat transfer differences

Fig. 5와 같이 기존 모델과 최적화된 분사 시기에서, 실린더 내부 압력의 변화를 비교하였다. 파일럿 분사가 주 분사시기와 가깝게 당겨졌고, 실린더 내부의 전체적인 압력의 상승이 완만해진 것을 확인할 수 있었다. 또한, 최고 압력은 낮아졌다. 이는 연소실 자체의 내부에서 평균 압력을 낮추어 열 전달량을 감소시키는 역할을 하는 것으로 판단된다.

Fig. 5

Comparison cylinder & Injection pressure of base and optimized timing (_________: base injection, ------: optimized injection)

3.3 분사시기 최적화에 따른 에너지 손실 분석

각 운전점에서의 Heat transfer, Friction, Exhaust enthalpy로 인한 에너지 손실량의 비교는 Fig. 6과 같다. 결과적으로 운전점의 분사시기를 조정하였을 때 총 에너지 손실은 기존 모델 대비 0.1 % ~ 2.9 % 감소하는 것을 확인하였다.

Fig. 6

Total engine energy loss

운전점 다섯 군데에 대한 기본 엔진 모델에서는 엔진의 총 에너지 손실은 Table 6과 같다. 총 에너지 손실은 Exhaust enthalpy, Heat transfer, 그리고 Friction에서 손실되는 에너지양을 합한 것이다.

Table 6

Total engine energy loss effect

Table 5의 다섯 운전점에서 Heat transfer로 인한 에너지 손실이 0.48 kJ ~ 2.19 kJ 감소한 것을 확인할 수 있었고, 이는 궁극적으로 엔진 전체에서 발생하는 에너지 손실에 기여하였다고 판단한다.

특히, 고 부하 운전점 #4(2200 rpm)와 #5(2400 rpm) 영역에서는 저 부하 운전점 #1(1600 rpm)와 #2(1800 rpm) 영역 대비 Heat transfer 및 Exhaust enthalpy로 인한 에너지 손실이 2배 이상 감소하였다.

4. 결 론

• 1) 두 번의 파일럿 분사와 주 분사에 대한 영향을 볼 때, 다섯 운전점 모두 모두 첫 번째 파일럿과 두 번째 파일럿의 분사시기를 주 분사에 가깝게 변경하였다. 이렇게 함으로써, 연소실 내부의 압력이 완만하게 상승하고 연소 효율을 증가시킴으로써 연료 분사량을 감소시켜 결과적으로 BSFC와 BSNOx가 저감되었다.
• 2) 전체적으로 파일럿 분사시기를 주 분사시기에 가깝게 하였고, 그 결과 연소 시 실린더 내부에서 발생하는 열에너지 손실이 감소하였다.
• 3) 운전점을 BSFC와 BSNOx를 동시에 감소시키도록 최적화하는 방법을 통하여 BSFC는 0.4 % ~ 1.7 %, BSNOx는 1.2 % ~ 26 % 감소시킬 수 있었다.
• 4) 결과적으로 다섯 곳의 운전점(1600 rpm, 1800 rpm, 2000 rpm, 2200 rpm, 2400 rpm)의 분사시기를 최적화 하였을 때 총 에너지 손실은 기존 모델 대비 0.1 % ~ 2.9 % 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
• 5) 컴팩트한 엔진의 경우, 다양한 엔진 부하 조건에 따른 최적의 엔진 효율의 개선이 중요하며, 분사시기에 민감하게 좌우될 수 있다. 멀티 분사 전략 시 파일럿 분사시기와 주 분사 시기의 상관관계에 대한 고려가 필요하다.
• 6) 이 연구 결과는 엔진에서 특정 부하를 가지는 다섯 군데의 운전점에 대한 것이다. 실질적으로 운전 시에는 다양한 운전 영역이 사용되기 때문에 연료 분사 시기와 엔진 효율의 전체적인 경향성과 상관관계를 파악해 보기 위해서는 향후 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Acknowledgments

본 논문의 산업통상자원부에서 지원하는 2017년 산업핵심기술개발사업인 [1리터급 디젤 하이리드 원천기술 개발] 연구 과제(No.10047586)의 일부이며, 관계기관에 감사의 뜻을 전합니다.

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