급속 웜업 시스템 장착 지게차 연비 특성 실험적 연구
Copyright Ⓒ 2021 KSAE / 182-03
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* A part of this paper was presented at the KSAE 2019 Fall Conference and Exhibition
Abstract
In recent years, greenhouse gas reduction and fuel economy regulation have been strengthened in order to address global warming. In the automotive and construction equipment industry, various technology, such as weight reduction of the vehicle body, increased engine efficiency and transmission efficiency, are being researched. However, it is difficult to achieve a dramatic increase in the fuel economy without an innovative change of the conventional system because constant technology development has brought it close to its limitation. Moreover, the technology for fuel economy increase at low temperature is undergoing active research due to the recent demanding trend in low temperature fuel efficiency. This paper studies the correlation between the ATF and HF oil temperature and the fuel economy of the forklift through a performance evaluating the ‘base’ 4-ton forklift equipped with a fast warm-up system. As a result, the warming up speed of the ATF and HF oil improved by 69 % and 53 %, respectively, and the fuel consumption rate improved by 7.21 %.
Keywords:
Forklift, Fast warm-up, ATF, EHR unit, Exhaust heat recovery system키워드:
지게차, 급속 웜업, 자동변속기 오일, 배기열 흡수 열교환기, 배기열 회수 시스템1. 서 론
최근 지구 온난화에 대응하기 위한 온실가스 감축 및 연비 규제가 크게 강화되는 추세이다. 자동차의 경우 EU는 이산화탄소 배출량을 기준으로 연비 규제를 제정하여 2012년 130 g/km를 시작으로 2020년 95 g/km까지 제한하는 데 합의하였으며, 미국은 온실가스의 저감과 연비절감을 목표로 2016년까지 15.5 km/l(승용차 16.6 km/l)의 연비를 달성하는 규제안을 발표하였다. 한국도 정부와 자동차 산업계 간에 2015년까지 17.0 km/l의 연비 달성을 목표로 그린카 개발에 대한 협의가 진행 중이다.1)
건설장비의 경우 온실가스 감축을 위한 배기 규제는 존재하나 아직 연비 규제는 없다. 하지만 많은 건설장비 사용자들에게는 연비가 무엇보다 중요하다.
따라서 자동차 및 건설기계 완성차 업체에서는 차체의 경량화, 엔진 효율 증대, 변속기 전달 효율 증대 등 다양한 기술들을 연구 진행하고 있으나 계속적인 기술 개발의 노력으로 어느 정도 한계에 도달하여 획기적인 시스템 변화 없이는 확실한 연비 향상이 어려운 상황이다. 아울러 최근 저온 연비 모드에서의 연비 성능이 중요하게 대두됨에 따라 저온 연비 향상 기술이 활발히 연구 진행되고 있다. 배기열 재순환 시스템(Exhaust heat recirculation system)은 엔진 냉각계 및 ATF(Automatic transmission fluid)의 Warm-up 시간을 단축하는 것으로 여타 연비 향상 기술과 비교하여 시스템이 단순하여 기존 엔진의 설계 변경이나 제어로직에 큰 변화를 주지 않고도 적용이 가능하면서도 엔진 냉시동 시 획기적인 연비 향상 효과를 가져올 수 있다는 장점이 있다. 배기열 재순환 시스템은 배기계에 배기열 회수장치(Exhaust heat recovery module)를 두고, 이를 통하여 엔진 냉각수가 배기가스로부터 열을 회수함으로써 초기엔진 냉각수의 급속 Warm-up을 가져오는 시스템이다. 배기열을 회수한 냉각수를 엔진 및 ATF 열교환기로 순환시키기 때문에 배기열 재순환시스템이라고 하며, 배기열을 재순환시킴으로써 엔진 및 ATF의 급속 Warm-up을 가져와 초기 냉시동 시의 저온 연비 향상을 가져올 수 있다.2-5)
본 연구기관에서 또한 선행 연구되었던 EHR unit을 활용한 ATF만을 장착한 지게차의 연비 저감에서는 자동차와 비슷한 2.3 %, 2.1 %의 연비 향상을 이루었다.6) 하지만 지게차의 경우 주행을 포함한 모든 작업에 작동유가 사용되며, 초기 냉시동 시 낮은 온도의 HF(Hydraulic fluid)는 점성이 낮아 더욱 연비가 좋지 않다. 따라서 지게차의 초기 냉시동 시 ATF뿐만 아니라 HF를 급속 웜업할 수 있다면 저온 연비 향상을 보다 더 크게 가져올 수 있다고 판단된다.
따라서 본 연구는 선행 연구되었던 EHR unit을 보다 개선된 단품을 4톤급 지게차에서 버려지는 배기가스 폐열을 회수하여 ATF(Automatic transmission fluid) heater에서 ATF의 빠른 워밍업에 활용하고 HF heater를 이용하여 HF(Hydraulic fluid)의 빠른 Warm-up을 실제 지게차를 활용하여 온도 특성과 연비 특성을 실험적 고찰 하였다.
2. 시험장치 및 시험방법
2.1 시험장치
본 연구에 사용된 지게차는 국산 H사의 4톤급 지게차로 Fig. 1에 시험에 사용된 지게차의 사진을 나타내었다. 또한 Base 지게차의 레이아웃과 개발 시스템 레이아웃은 Fig. 2, 3에 나타냈으며, 온도를 측정한 위치는 레이아웃 상에 붉은 점으로 나타내었다.7)
4 ton forklift
Layout for a base forklift
Fast warm-up system layout for a forklift
실차 시험을 진행하기 위해 Fig. 1에 나타낸 지게차에 배기열을 흡수하기 위한 EHR unit과 회수된 열을 TM(Transmission) oil에 전달하기 위한 ATF heater, HF heater를 장착하고 각 온도를 측정할 수 있는 K-type thermocouple 및 데이터 취득을 위한 DAQ(Data Acquisition) 장치로 구성하였다. 또한 취득된 온도를 확인하여 일정한 온도에 도달하게 되면 Base 상태의 라인으로 유체를 유동시키기 위해 배기가스는 Flap v/v를 설치하였고 작동유와 미션오일은 3 way v/v를 설치하여 제어하였다.
본 연구에 사용된 ATF heater는 수냉식 Oil cooler에 많이 사용되는 고효율 Off-set fin이 내장된 적층타입으로 Fig. 4에 나타내었고 그 설계제원을 Table 1에 나타내었다.
ATF heater
ATF heater design specifications
ATF heater의 설계 조건은 ATF 유량 20 LPM, 입구 온도 20 °C, 냉각수 유량 25 LPM, 냉각수 입구온도 85 °C으로 제작되었으며 단품시험 결과 회수 열량은 초기 모델보다 0.94 kW 더 상승된 9.66 kW로 나타났으며, ATF의 압력 손실은 78.4 kpa, 냉각수의 압력 손실은 25.4 kpa로 나타났다.6)
Fig. 5는 EHR unit이며, 배기폐열 측은 Inner fin이 삽입되어 있고 Coolant 쪽은 Housing과 Header로 결합되어 있는 구조로써 그 제원을 Table 2에 나타내었다.
EHR unit
EHR unit design specifications
EHR Unit의 설계조건은 배기가스 유량 200 kg/h, 배기가스 온도 300 °C, 냉각수 유량 25 LPM, 냉각수 입구 온도 20 °C 조건으로 설정하여 제작하였고, 단품시험 결과 회수열량은 초기 모델보다 0.4 kW 상승된 12.56 kW로 나타났다. 또한 배기가스 압력 손실은 6.13 kpa, 냉각수 압력 손실은 7.56 kpa을 각각 나타내었다.6)
마지막 열교환기인 HF heater는 Off-set fin이 내장된 적층 타입으로 Fig. 6에 나타내었고 그 제원은 Table 3에 나타내었다.
HF heater
EHR unit design specifications
HF heater의 설계 조건은 작동유 최대 유량 80 LPM, 온도 20 °C이며 냉각수 25 LPM, 냉각수 입구 온도 85 °C로 제작되었으며, 단품시험 결과 회수 열량은 16.81 kW였다. 또한 작동유의 압력 손실은 27.5 kpa, 냉각수의 압력손실은 10.7 kpa로 각각 나타났다.
2.2 시험 방법
지게차 성능시험을 위해 VDI40 cycle을 바탕으로 실제 사용환경에서 운전하는 상황을 고려하여 30분간 시험하였으며 시험 결과의 재현성 확보를 위해 Base 상태의 지게차와 급속 웜업장치가 장착된 지게차를 각각 3회 이상 반복 시험하였다. 또한 급속 웜업은 냉간시동 시에 시험이 시작되어야 하기 때문에 한 번 시험 후 충분히 지게차를 식혀 대기온도와 각 유체 온도가 동일하게 나타났을 때 재시험을 진행하였으며 대기온도는 0~5 °C에서 시험을 진행하였다.
VDI40 cycle은 지게차 성능시험을 위한 시험조건으로 시험장비가 누유가 없는 완전한 상태이며, 시험장소로는 잘 다져진 단단하고 평탄한 아스팔트 지면을 사용하였고, 지게차의 Fork에 4.5톤급 지게차의 정격부하 70 %에 해당하는 3 ton의 Weight를 들고 25 m 주행하며 반복 작업하는 Cycle로써 그 시험장 구성을 Fig. 7에 나타내었다.
VDI40 cycle test site composition
3. 시험 결과 및 고찰
3.1 급속 웜업 시스템 실차 장착 시험 평가 후 지게차 각 오일 온도 변환 측정 및 분석
급속 웜업 시스템이 장착된 지게차와 Base 상태의 지게차를 VDI2198 cycle을 근거하여 지게차의 각종 유체가 대기온도와 열평형이 이룰 때까지 충분히 식힌 후 성능시험을 수행하였다. 성능시험을 수행하여 나온 ATF 온도 변화 비교 그래프를 Fig. 8에 나타내었다.
ATF temperature change comparison
지게차의 Base 상태에서의 ATF 온도는 60 °C 이하로 유지되었으며 급속 웜업 시스템을 적용한 지게차는 100 °C 이상으로 온도가 상승하는 것을 확인하였다. Base 지게차의 경우 ATF cooler가 장착되어 초기 냉간시동 시부터 무조건 ATF cooler를 지나가게 설계되어 있어 급속 웜업이 불가능하며 일정한 온도가 되면 더 이상 올라가지 않는 것을 확인하였다. 급속 웜업시스템을 장착하여 지게차 실차 성능시험을 수행한 지게차는 ATF cooler로 가는 라인에 3 way 벨브를 설치하여 초기 냉시동간에 ATF cooler로 통과하지 않고 ATF heater만을 통과하기 때문에 보다 빠르게 타깃 온도로 상승하였으며, 그 이상으로 온도가 상승하는 것으로 나타났다. ATF가 110도 이상의 온도가 되면 3 way 벨브를 컨트롤하여 ATF가 다시 ATF cooler로 지나가게 하였으나 시험시간인 30분을 초과한 시간대이기 때문에 그래프상엔 표시하지 않았다. Base 지게차의 ATF 온도 상승 추이와 비교한 결과 60 °C에 도달하는 데 68 % 이상 시간이 단축되었다.
Fig. 9는 지게차 실차 성능시험을 수행하여 나온 HF 온도 변화를 비교하여 나타내었다.
HF temperature change comparison
Base 지게차 HF cooler가 장착되지 않았기 때문에 일정 온도 이상 상승하지 않았던 ATF과 다르게 실차시험시간인 30분 동안 계속 온도가 상승하지만 30분 이후부터 상승속도가 완만해졌다. 또한 HF 웜업 기준온도인 60 °C에 도달하는 시간을 분석한 결과 Fig. 4에서 알 수 있는 것처럼 약 1,550초로 확인되었다.
급속 웜업 시스템을 장착한 지게차의 경우 냉간시동 초기에 엔진의 배기가스열을 이용하여 HF 온도를 보다 빠르게 상승시키는 것을 확인할 수 있었고, 기준온도인 60 °C까지 도달하는 시간은 평균 약 720초로 Base 지게차 대비 약 53 %의 웜업 시간 단축을 확인하였다.
3.2 급속 웜업 시스템 실차 장착 지게차 연비 평가 및 분석
지게차 성능시험 평가는 급속 웜업 시스템이 장착된 지게차와 Base 상태의 지게차를 VDI2198 cycle 기준으로 초기 냉간시험을 하기 위해 지게차의 각종 유체가 대기온도와 열평형을 이룰 때까지 충분히 식힌 후 30분간 수행하였으며, 시험 결과의 재현성 확보를 위해 이러한 과정을 3회 반복 시험하여 전체 시험시간 동안 소비된 연료량을 비교하였다.
Figs. 10~12는 베이스 지게차와 급속 웜업 시스템을 장착한 지게차의 30분 동안의 연료 소모량을 나타내고 비교하였다.
First test fuel consumption comparison
Second test fuel consumption comparison
Third test fuel consumption comparison
Y축은 시험 시간을 나타내었고 그 시간당 소모되는 연료 소모량을 x축에 나타내었다. 그 결과 3번의 시험 모두 기존 Base 상태의 지게차보다 연료 소모량이 개선된 것을 확인하였다. 이는 저온에서 점도가 높은 오일류를 급속 웜업시킬 경우 오일펌프의 소비동력 저감과 각 윤활부의 마찰 손실 저감 효과가 크기 때문인 것으로 판단된다.
Fig. 13은 각 지게차의 3회 시험 동안 소모된 연료량을 누적하여 비교하여 나타내었다.
3 cumulative fuel consumption
3회 비교 시험에 측정된 연료소모량을 누적하여 나타낸 결과 급속 웜업 시스템이 장착된 지게차의 연료 소모량은 Base 상태의 소모된 연료량보다 평균 7.21 % 향상된 것을 확인하였다. 자동차의 경우 급속 웜업 기술의 연비 향상 효과는 10 °C 2~3 % 수준, 0~5 °C 조건에서는 3~4 % 수준임을 확인할 때 지게차의 급속 웜업 시스템 효과는 확실히 높은 것을 확인할 수 있다. 이는 선행 진행되었던 ATF만을 장착한 지게차의 경우 2~3 %밖에 향상시킬 수 없었던 결과는 ATF만을 장착한 자동차의 3~4 %와 비교했을 때보다 낮은 것은 주행만 하는 자동차에 비해 HF의 일량이 큰 지게차이기 때문에 엔진이 웜업이 되더라도 HF가 웜업되지 않아 초기 시동 시 연비가 안 좋기 때문으로 판단된다. 따라서 본 실험연구에서 진행된 결과를 보면 지게차가 일을 할 때 사용하는 작동유의 효과가 더해져 이러한 결과를 나타낸 것으로 판단되며, 지게차의 경우 작동유의 웜업이 연비에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 또한 자동차와 달리 지게차의 운용은 쉬었다 작동하는 경우가 많기 때문에 겨울철 지게차 사용자들에게 연료에 소모되는 비용을 절감시켜 줄 것으로 판단된다.6)
마지막으로 겨울철 초기 냉간 시동 시 엔진의 급속 웜업은 배기가스의 촉매 활성화 온도 도달 시간을 단축시켜 유해 배출가스 저감에도 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 4톤급 지게차를 대상으로 버려지는 배기가스 폐열을 직접 EGR(Exhaust heat recovery module)을 이용하여 ATF(Automatic transmission fluid) heater에서 ATF의 빠른 워밍업을 활용하고 HF heater를 이용하여 HF(Hydraulic fluid)의 빠른 Warm-up을 실제 지게차를 활용하여 온도 특성과 연비특성을 실험적 고찰하고 그 결과를 다음과 같이 요약할 수 있다.
- 1) ATF의 경우 겨울철 운용할 때 Base 지게차는 특정온도 이상 올라가지 않으며 이것은 Base 지게차에 장착된 ATF cooler의 영향이고, 급속 웜업 시스템을 이용할 경우 특정 온도까지 68 % 더 빠르게 증가시킬 수 있었다.
- 2) HF의 경우 급속 웜업 시스템을 장착한 지게차는 Base 상태의 지게차 대비 53 % 빠르게 Warm-up 되었다.
- 3) Base 지게차와 급속 웜업 시스템이 장착된 지게차의 연료 소비율을 비교한 결과 급속 웜업 시스템이 장착된 지게차의 연료 소비율이 약 7.21 % 향상되었다.
- 4) 이러한 결과는 초기 냉간시동 시 ATF와 HF 저온 상태의 높은 점도 상태가 연비에 큰 영향을 미친 것으로 판단되며 급속 웜업시킬 경우 소비동력 저감과 윤활부의 마찰손실의 저감 효과가 크기 때문인 것으로 판단된다.
- 5) 특히 지게차의 경우 자동차와 다르게 모든 작업이 HF를 사용하여 운행되기 때문에 ATF만을 빠른 웜업할 경우 작업에 사용되는 HF가 웜업되지 않으면 저온상태의 HF 마찰 손실 때문에 연비 향상이 적으며, ATF뿐만 아니라 HF를 동시에 급속 웜업할 경우 연비 향상은 더욱 크다는 것을 확인하였다.
Nomenclatur
| ATF : | automatic transmission fluid |
| EHR : | exhaust heat recovery |
| VDI : | verein deutscher ingenieure |
| DAQ : | data acquisition |
Subscripts
| TM : | transmission |
| HF : | hydraulic fluid |
Acknowledgments
이 논문은 2019년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행된 연구임(20172020108590, 연비 7 % 향상을 위한 지게차용 Fast warm-up 시스템 기술 개발).
References
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