LPL EGR 시스템용 압출 튜브 구조의 알루미늄 EGR 쿨러 성능 설계

1. 서 론

최근 화석연료 고갈과 지구 온난화 문제로 연비 개선과 CO₂ 저감에 대한 지속적인 요구가 이루어지고 있으며, 점점 심각해지고 있는 대기오염으로 인해 배기 규제까지 강화되고 있는 추세이다.

디젤자동차는 우수한 연비 특성 때문에 최근에는 하이브리드 자동차와 함께 저탄소 배출 자동차로 인식되고 있으나 질소산화물(NOx)과 입자상물질(PM) 저감이 선결 과제로 남아있다. PM은 DPF(Diesel Particulate Filter)의 상용화 기술개발로 어느 정도 규제에 대한 대비가 이루어지고 있으며, NOx 저감 기술로는 오랫동안 그 효과가 검증된 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 기술이 일반적으로 적용되고 있다. 이와 함께 최근에는 후처리 기술로써 LNT(Lean NOx Trap)와 Urea SCR(Seletive Catalytic Reduction) 기술이 적용되고 있다. 그러나 후처리 기술은 추가적으로 고가의 비용이 발생하기 때문에 소형 또는 중형 엔진의 경우 후처리 기술과 함께 저가의 비용으로 NOx 저감 효과가 큰 EGR 기술을 병행할 필요가 있다.^1,2)

지금까지의 EGR 기술은 배기다기관 후단에서 압축기 후단으로 순환시키는 HPL EGR(High Pressure Loop EGR) 시스템으로서, 향후 강화되는 배기규제에 대응하기 위해서는 EGR율이 높은 DPF 후단에서 압축기 전단으로 순환시키는 LPL EGR(Low Pressure Loop EGR)을 동시에 적용하는 Dual Loop EGR 기술이 요구되고 있다.^1-3)

EGR 시스템에서 EGR 쿨러는 고온의 배기가스를 냉각시켜 줌으로써 NOx 저감 효과를 극대화시킬 수 있는 핵심부품이다. EGR 쿨러의 소재는 내열성 확보를 위해 스틸(stainless steel) 소재를 적용하는 것이 일반적이었다. 최근에는 가볍고 열전도율이 스틸 소재 대비 약 10배 높은 알루미늄 소재 적용에 대한 연구가 진행되기 시작했다.^4-7) Pierburg사의 다이캐스팅 공법을 적용한 박판 리브(lamellar rib)를 갖는 알루미늄 EGR 쿨러는 현재 중소형 엔진에 적용되고 있으며, 향후 대형 엔진까지 확대 적용할 계획이다. Pierburg사에서는 고효율, 저가 및 중량 저감을 장점으로 제시하고 있다. 특히 HPL 및 LPL EGR에 모두 적용할 수 있고 알루미늄의 부식성에 따른 내구성에 대한 요구 조건을 충족시켰다고 강조하고 있다.⁴⁾

본 연구에서는 HPL EGR보다는 상대적으로 배기가스 온도가 낮은 LPL EGR에 적용할 목적으로 알루미늄 EGR 쿨러 설계에 대한 기초 연구를 수행하였다. 기초 연구에서는 알루미늄 소재의 내식성 등 신뢰성 확보 측면보다는 기본적인 성능 확보를 위한 새로운 구조 제시와 설계를 통하여 기존 스틸 소재의 EGR 쿨러와 동등 이상의 성능을 확보하면서 중량과 가격 측면에서 어느 정도의 이점을 가져올 수 있는지 파악하고자 하였다.

대상 엔진은 1.4 L급 디젤엔진이며, 최종 설계된 모델에 대해서 시작품을 제작하고 시험 평가를 통하여 기존 스틸 소재 EGR 쿨러와 성능 및 중량을 비교하여 제시하였다.

Fig. 1

Aluminum EGR cooler with lamella ribs (Pierburg)

2. 알루미늄 EGR 쿨러 성능 해석 설계

새로운 알루미늄 EGR 쿨러는 몇 개의 튜브를 배기가스와 냉각수의 공간으로 구분해주는 격벽에 삽입하는 방식으로 적층하여 그 외곽을 하우징으로 브레이징(brazing) 하는 구조이다. 배기가스는 각 튜브로 분배되어 흐르고, 튜브 외측의 하우징 내부로는 냉각수가 흐르는 구조이다. 튜브는 알루미늄 소재의 성형 가공성의 장점을 활용하여 압출 튜브 구조로 하였다. 따라서 기존 스틸 재질의 EGR 쿨러처럼 별도의 열전달 휜(fin)을 두지 않기 때문에 제조공정이 간단하고, 복잡한 휜 구조 보다는 압출 튜브의 경우가 배기가스에 의한 파울링(fouling) 방지에 유리하기 때문에 상대적으로 초기 방열 성능이 EGR 쿨러의 전체 수명 기간 동안 많이 떨어지지 않는 장점이 있다.⁴⁾

압출 튜브의 설계를 위하여 우선 단순 사각 단면을 갖는 튜브를 대상으로 튜브의 높이와 폭의 비, 즉 종횡비(aspect ratio)에 따른 성능 특성을 분석하였다. 종횡비가 결정된 모델에 대해서 압출 튜브 형상을 설계하였고, 이를 통해 튜브를 적층한 전체 모델(full model)에 대해서 튜브 배열 및 사이즈 설계를 통하여 최종적인 성능 설계를 수행하였다.

설계 해석에 사용된 각 유체의 물성치 중 배기가스는 공기로 가정하였고, 냉각수는 물과 부동액의 비율을 50 : 50으로 하여 온도에 대한 함수식을 사용하였다.

2.1 튜브 종횡비 설계

튜브 종횡비 설계를 위하여 배기가스 통과 단면 적은 동일하게 유지하면서 튜브의 폭과 높이를 변경하면서 종횡비가 다른 4개의 모델을 구성하였다. 튜브의 벽두께는 내열, 내압성, 부식 등의 내구성 확보를 위하여 우선적으로 1 mm로 동일하게 주었고, 튜브 길이 또한 170 mm로 동일하다.

Fig. 2

Simplified tube geometry for aspect ratio analysis

해석은 튜브 한 단에 대해서만 모델링하여 수행하였다. 전체 모델에서 튜브를 32단 적층할 것으로 가정하여 배기가스 측 입구 유량은 전체 모델에서의 설계 유량인 75 kg/h의 1/32로 하였고, 입구 온도는 설계 유량인 325 °C로 주었다. 냉각수 유로는 모델링하지 않았기 때문에 냉각수와 접촉하는 표면온도를 90 °C로 동일하게 주고, 모델 변경에 따른 경향성을 보고자 하였다.

종횡비에 따른 튜브 모델의 형상 특성 및 해석 결과를 Table 1에 나타내었다. 방열량은 튜브 한 단에서의 열량을 적층 단수로 곱하여 나타낸 것이다. 동일한 단면적에서 튜브 폭을 키워 종횡비를 작게 할수록 표면적은 증가하고, 수력 직경은 감소한다.

Table 1

Analysis results with respect to tube aspect ratio

성능해석 결과 종횡비가 작은 편평한 튜브일수록 수력 직경 감소로 압력 손실은 증가하지만 열전달 면적 증가로 방열 성능은 증가하는 경향을 보였다. 4개 모델의 해석 결과 방열 성능은 최대 44 %, 압력손실은 73.5 %의 차이를 보여 튜브의 종횡비가 성능에 미치는 영향이 상당히 큰 것으로 나타났다. 그러나 압력 손실 값은 상당히 작은 값이기 때문에 방열성능이 높은 튜브를 선택하고자 하였다. 다만, 튜브높이가 너무 작은 경우에는 폭이 지나치게 넓어져서 내압 성능에 불리하고 압출 제작성도 나빠지기 때문에 폭 14.4 mm, 높이 2.5 mm의 튜브를 최종적으로 선정하였다.

2.2 압출 튜브 형상 설계

종횡비 14.4 × 2.5의 튜브 내부에 리브(rib)를 형성하여 압출 튜브를 상세 설계하였다. 리브의 두께는 알루미늄 재질의 구조 강도를 고려하여 0.5 mm로 하였다. 압출 튜브의 구조는 리브를 상･하 엇갈림으로 배치하는 방식과 평행 배치하는 두 가지 모델을 구성하여 성능을 비교하였다.

Fig. 3

Cross-sections of extrusion tubes with rib arrangements

리브 배열에 따른 튜브의 형상 특성 및 성능 해석 결과를 Table 2에 나타내었다. 리브를 둔 튜브는 단순 사각 튜브 대비 열전달 면적은 약 2배가 향상되었고, 단면적은 22 % ~ 25 % 감소하여 수력 직경은 40 % 정도 감소하였다.

Table 2

Analysis results with respect to extrusion tube geometry

이에 따라 방열 성능은 46.6 % 증가하였고, 압력손실은 거의 7배 증가하였다. 리브 배치에 따라서는 방열량과 압력 손실 모두 큰 차이는 없으나 열전달면적 대비로 보면 엇갈림 배치 방식이 다소 유리해 보이나 단순 구조인 평행 배치 방식의 리브를 둔 튜브를 최종적으로 선정하였다.

2.3 압출 튜브 배열 구조 설계

EGR 쿨러의 용량 설계 이전에 튜브 배열 방식을 선정하기 위하여 Fig. 4와 같이 정배열 방식과 엇갈림 배열 방식으로 모델링하여 각 유체의 흐름에 따른 성능 특성을 비교하고자 하였다. 튜브는 단순 사각으로 모델링하여 32단 적층하였다. 냉각수 측 하우징의 두께는 3 mm, 배기가스 측 파이프 두께는 2 mm로 하였다. 해석 조건은 설계점인 배기가스 유량 75 kg/h, 배기가스 입구 온도 325 °C, 냉각수 유량 20 LPM, 냉각수 입구 온도 90 °C로 하였다.

Fig. 4

Distribution of velocity vectors of coolant flow

튜브 배열 방식에 따른 전체 EGR 쿨러의 사이즈와 성능 해석 결과를 Table 3에 나타내었다. 정배열방식이 방열량은 다소 높게 나타나나 큰 차이는 보이지 않았다. 압력 손실에서도 정배열 방식이 낮게 나고 있으며, 특히 배기가스 측에서는 29 % 정도로 상당히 낮게 나타났다.

Table 3

Analysis results with respect to tube arrangement

이는 엇갈림 배열 방식의 구조 특성에 따라 각 튜브로 유입되는 배기가스의 유동 균일도가 나쁘고, 냉각수 측에서도 튜브 엇갈림 배열 방식이 유동 저항으로 작용하기 때문이다.

튜브 배열 방식에 따른 냉각수 측 속도 벡터를 나타낸 Fig. 4를 보면 엇갈림 배열 방식은 냉각수가 첫 번째 열을 통과하자마자 두 번째 열의 튜브가 저항으로 작용하여 두 번째 열부터 마지막 열까지의 튜브 주위의 냉각수 속도가 상당히 느려짐을 알 수 있다. 이러한 해석 결과를 토대로 튜브 배열은 정배열 방식으로 하였다.

2.4 알루미늄 EGR 쿨러 용량 설계

최종 선정된 압출 튜브를 정배열 방식으로 적층하여 EGR 쿨러의 전체 모델을 구성하였다. 튜브 한 단에 대한 해석 결과에서 32단 적층하였을 경우 기존 스틸 EGR 쿨러의 방열 성능인 4.4 kW보다 상당히 높게 나타날 것으로 예상되어 튜브 길이를 170 mm에서 150 mm로 축소하였다. 튜브 적층 수는 32단과 28단으로 두 개의 모델을 구성하여 해석 결과에 따라 최종 모델을 선정하고자 하였다. 최종 모델 해석에서 적용된 압출 튜브는 압출 가공 공정 및 구조 강도를 고려하여 튜브 내측 모서리 부분을 모따기 처리한 튜브를 적용하였다.

Table 5에 압출 튜브 적층 수에 따른 EGR 쿨러 전체 모델의 사이즈와 성능 해석 결과를 나타내었다. 튜브 수 32개인 모델(Full #3)의 방열량은 4.71 kW, 배기가스 압력 손실은 3.21 kPa, 냉각수 압력 손실은 2.29 kPa로 나타났다. 튜브 수 28개인 모델(Full #4)은 전체 높이가 12 % 감소하였으나 방열량은 4.66 kW로 1.1 % 정도의 감소율만 보였다. 튜브 수 감소로 냉각수 측 및 배기가스 측 단면적이 감소하여 배기가스 압력 손실은 3.62 kPa로 16.7 % 증가하였으나 냉각수 압력 손실은 2.29 kPa로 동일하게 나타났다.

Table 5

Analysis results of full models with respect to numbers of extrusion tubes

Fig. 5

Full models with respect to the numbers of the tubes

냉각수 단면적이 줄었음에도 불구하고 압력 손실이 동일하게 나타난 이유는 Fig. 6의 냉각수 속도 벡터에서 알 수 있듯 전체 높이가 낮아지면서 냉각수 입구부와 각 튜브 사이의 냉각수 유동 균일도가 좋아졌기 때문이라 판단된다.

Fig. 6

Distribution of velocity vectors of coolant flow

튜브 수 28개인 모델이 사이즈가 작으면서도 기존 스틸 EGR 쿨러의 방열량 및 압력 손실 기준을 모두 만족할 것으로 예상되어 최종 모델로 선정하여 배기가스 조건별 성능 해석을 수행하였다. 그 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 설계점에서의 방열량은 4.66 kW, 배기가스 측 압력손실은 3.73 kPa, 냉각수 측 압력손실은 2.41 kPa로 나타났다.

Fig. 7

Analysis results of performance prediction of final model

3. 실험 장치 및 평가

최종 선정된 모델에 대해서 시작품을 제작하여 기존 스틸 EGR 쿨러와 성능을 비교하였다. 기존 EGR 쿨러는 shell and tube 타입이며, 배기가스 측 튜브는 원관에 나선 홈을 낸 스파이럴(spiral) 구조이다. 중량은 1.4 kg이다. Fig. 8에 기존 EGR 쿨러와 새롭게 제작된 알루미늄 EGR 쿨러의 구조를 비교하여 나타내었다. 개발된 알루미늄 EGR 쿨러의 중량은 1.08 kg으로 기존 스틸 EGR 쿨러 대비 22.9 % 감소되었다.

Fig. 8

Photo of steel and aluminum EGR cooler

3.1 실험 장치 및 조건

배기가스의 유량과 온도를 모사하기 위하여 상온의 외부 공기를 압축기로 압축하여 버너 내부의 열교환기로 보내면 LPG 버너의 가열로 온도를 올리는 간접 가열 방식의 시뮬레이터를 구성하였다. 공기 유량 측정은 코리올리 질량 유량계(coriolis flowmeter)를 압축기와 버너 사이에 장착하여 상온 상태에서 측정하였으며, 유량은 압축기의 공급 압력과 밸브에 의해 조절하였다.

냉각수는 물과 부동액을 50:50으로 혼합하여 사용하였고, 전기히터로 가열하였다. 냉각수의 유량 측정은 체적 유량계로 측정하였고, 유량은 냉각수 공급 펌프의 회전수와 밸브로 조절하였다. 실험 샘플 전, 후단에 온도 센서와 차압 센서를 장착하여 온도와 압력 손실을 측정하였다.

방열량 및 배기가스 측 압력 손실은 냉각수 입구온도 90 °C, 유량을 20 L/min으로 고정하여 배기가스의 유량과 입구 온도를 변화시키면서 평가하였다. 냉각수 측 압력 손실은 추가로 냉각수 유량을 변화시키면서 평가하였다.

Fig. 9

Schematic diagram of EGR cooler experimental setup

3.2 실험 결과

기존 스틸 EGR 쿨러에 대한 방열량과 각 유체 측의 압력 손실을 나타낸 Fig. 10에서 보여주듯이 설계점에서의 방열량은 4.4 kW, 배기가스 측 압력 손실은 8.88 kPa, 냉각수 측 압력 손실은 3.96 kPa로 나타났다.

Fig. 10

Performance evaluation results of the steel EGR cooler

Fig. 11

Performance evaluation results of the aluminum EGR cooler

알루미늄 EGR 쿨러의 경우 배기가스 온도 325 °C에서 해석과 실험 값의 오차 범위는 방열량의 경우 1 % 내에서 매우 잘 일치하였다. 배기가스 측 압력손실의 경우는 6.8 % 내에서 비교적 잘 일치하였으나 냉각수 측은 12 % ~ 20 % 정도로 다소 오차가 크게 나타났다. 이는 여러 가지 다양한 이유가 있겠지만, 무엇보다도 실제 시작품 제작에서는 냉각수 측 하우징과 튜브 외측의 모서리 부분을 구조적 안전성을 위해 모따기 하였지만 해석에서는 직각 형상으로 모델링을 했기 때문이라 판단된다.

설계점에서 기존 스틸 EGR 쿨러 대비 알루미늄 EGR 쿨러의 방열량은 4.64 kW로 5.5 % 높게 나타났으며, 배기가스 측 압력 손실은 3.93 kPa로 2.26배 낮게 나타났다. 스틸 재질의 스파이럴 튜브보다는 단순한 압출 공정으로 리브를 갖는 튜브 구조를 제작할 수 있으며, 리브 구조와 알루미늄 재질의 높은 열전도율에 의해 유사한 사이즈 내에서 압력 손실을 상당히 낮추면서 방열 성능은 높일 수 있음을 알 수 있다. 냉각수 측 압력 손실은 3.17 kPa로 19.9% 낮게 나타났다. 따라서 개발 알루미늄 EGR 쿨러는 기존스틸 EGR 쿨러보다 모든 성능 면에서 우수하면서 중량은 22.9% 저감되었다.

4. 결 론

본 연구에서는 1.4 L급 디젤엔진의 LPL EGR 시스템용 알루미늄 EGR 쿨러를 설계, 제작하여 실험을 통해 성능을 검증하였다. 지금까지의 스틸 재질 및 알루미늄 재질의 EGR 쿨러와는 다른 새로운 구조를 제시하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

• 1) 종횡비가 작은 편평 튜브일수록 수력 직경 감소로 압력 손실은 증가하지만 열전달 면적의 증가로 방열 성능은 증가한다. 제시된 모델에서 방열성능은 최대 40 %, 압력 손실은 73.5 %의 차이를 보였다.
• 2) 압출 튜브의 리브는 평행 배치와 엇갈림 배치에 따라 성능에는 큰 차이를 보이지 않았으나 열전달 면적 대비로 보면 엇갈림 배치 방식이 방열 성능에서 유리함을 알 수 있었다.
• 3) 리브를 둔 압출 튜브의 경우 단순 사각 튜브보다 방열 성능이 46.6 % 증가하였다.
• 4) 튜브를 적층할 경우 엇갈림 배열은 유동 불균일도가 크고, 냉각수 유로 내에서 유동 저항이 증가하여 정배열에 비해 방열 성능은 떨어지고 각 유체의 압력 손실은 증가하는 경향을 보였다.
• 5) 기존의 스틸 EGR 쿨러보다 알루미늄 EGR 쿨러의 경우가 중량을 22.9 % 저감시키면서 압력 손실은 대폭 저감시킬 수 있고 열전달 성능은 동등 이상으로 높일 수 있음을 알 수 있었다.
• 6) 지금까지 적용되고 있는 별도의 열전달 휜을 두거나 스파이럴 튜브 방식의 스틸 EGR 쿨러보다는 단순 압출 튜브 방식의 알루미늄 EGR 쿨러가 동등 이상의 성능에서 중량, 가격에서 충분한 이점이 있으며, 복잡한 휜 구조보다는 단순 압출 튜브 구조가 파울링(fouling) 방지에 유리하다고 판단된다.

Acknowledgments

*A part of this paper was presented at the KSAE 2016 Spring Conference

본 연구는 World Class 300 R&D 사업의 연구비에 의해 수행된 연구결과로서, 관계 기관에 감사의 뜻을 표합니다.

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