Transactions of KSAE, Vol. 20, No. 4, pp.25-32 (2012) Copyright C 2012 KSAE / 118-04 pissn 1225-6382 / eissn 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/ksae.2012.20.4.025 EGR 가스폐열회수에의한디젤엔진의연비에미치는 ATF 워밍업의영향 허형석 *1) 이동혁 1) 강태구 1) 이헌균 1) 김태진 2) 자동차부품연구원에너지부품연구센터 1) 코렌스선행연구팀 2) Effect of Fast ATF Warm-up on Fuel Economy Using Recovery of EGR Gas Waste Heat in a Diesel Engine Hyungseok Heo *1) Donghyuk Lee 1) Taegu Kang 1) Heonkyun Lee 1) Taejin Kim 2) 1) Energy System Research Center, Korea Automotive Technology Institute, 74 Yongjeong-ri, Pungse-myeon, Cheonan-si, Chungnam 330-912, Korea 2) Advanced Research Team, KORENS Inc., 4-1BL 3LT, 857-5 Eogok-dong, Yangsan-si, Gyeongnam 626-220, Korea (Received 16 May 2011 / Revised 10 November 2011 / Accepted 18 November 2011) Abstract : Cold start driving cycles exhibit an increases in friction losses due to the low temperatures of metal components and media compared to the normal operating engine conditions. These friction losses are adversely affected to fuel economy. Therefore, in recent years, various techniques for the improvement of fuel economy at cold start driving cycles have been introduced. The main techniques are the upward control of coolant temperature and the fast warm-up techniques. In particular, the fast warm-up techniques are implemented with the coolant flow-controlled water pump and the WHRS (waste heat recovery system). This paper deals with an effect of fast ATF (automatic transmission fluid) warm-up on fuel economy using a recovery system of EGR gas waste heat in a diesel engine. On a conventional diesel engine, two ATF coolers have been connected in series, i.e., an air-cooled ATF cooler is placed in front of the condenser of air conditioning system and a water-cooled one is embedded into the radiator header. However, the new system consists of only a water-cooled heat exchanger that has been changed into the integrated structure with an EGR cooler to have the engine coolant directly from the EGR cooler. The ATF cooler becomes the ATF warmer and cooler, i.e., it plays a role of an ATF warmer if the temperature of ATF is lower than that of coolant, and plays a role of an ATF cooler otherwise. Chassis dynamometer experiments demonstrated the fuel economy improvement of over 2.5% with rapid increase in the ATF temperature. Key words : ATF warmer/cooler integrated with EGR cooler( 배기재순환냉각기일체형자동변속기오일가열기 / 냉각기 ), Fast warm-up( 급속워밍업 ), Waste heat recovery system( 폐열회수시스템 ), Fuel economy improvement ( 연비향상 ) Nomenclature 1) ATF : automatic transmission fluid EGR : exhaust gas recirculation LPM : liter per min, l/min Temp. : temperature, C * Corresponding author, E-mail: hsheo@katech.re.kr T/S : thermostat WHRS : waste heat recovery system W/P : water pump 1. 서론최근지구온난화에대응하기위한온실가스감축및연비규제가크게강화되고있는추세이다. 유 25
허형석 이동혁 강태구 이헌균 김태진 럽은이산화탄소 (CO 2) 배출량기준으로연비규제를제정하였으며, 2012년 130 g/km를시작으로 2020 년에는 95 g/km까지제한하는데합의하였다. 미국은 CO 2 및연비절감을목표로 2016년까지 15.1 km/ 의연비를달성하는규제안을발표하였으며, 2020 년에는 21.3 km/ 까지연비규제가크게강화될것으로추정된다. 이와같은연비규제는좀더적극적인규제방안으로자율협약에서페널티부여로변화하고있으며, 연비규제를만족하지못하는수입차량에대해서도페널티를적용하여강화된규제를무역장벽으로이용하려는추세이다. 1) 이러한연비규제강화정책대응방안으로자동차메이커들은차체의경량화, 엔진효율증대, 변속기전달효율증대등다양한기술개발들을진행하고있다. 이중파워트레인시스템에서는냉각요소기술로수온조절기 (Thermostat) 개변온도상향조정또는전자식수온조절기에의해엔진의온도를기존대비높게제어하여엔진의기계적마찰손실을저감시킬수있는냉각수온도상향제어기술과빠른워밍업 (Fast warm-up) 을통한저온연비향상기술들이주류를이루고있다. 2) 빠른워밍업기술로는냉각수유량제어식워터펌프와폐열회수시스템등이선보이고있다. 2,3) 냉각수유량제어식워터펌프기술은초기엔진워밍업시에워터펌프에의한냉각수순환을정지또는최소화하여실린더헤드부와엔진오일온도의빠른상승을가져오는것이다. 이를통하여연소효율증가및기계적마찰손실저감으로연비개선과유해배출가스를저감시킬수있다. 이러한워터펌프기술은파워트레인시스템중에서도엔진의빠른워밍업을위한것이라할수있다. 냉각수유량제어는워터펌프를전동식으로하면엔진워밍업시에냉각수순환을정지또는최소화시킬수있다. 또한, 전동식워터펌프전단계기술로보고있는클러치타입워터펌프로도가능하다. 이기술은클러치시스템을적용하여엔진워밍업시에워터펌프풀리에서펌프회전체로의동력전달을차단하여냉각수순환을정지시키는단순 On/Off 방식이다. 폐열회수시스템기술은배기열을회수한엔진냉각수의재순환루프구성에따라엔진뿐만아니 라 ATF의빠른워밍업을가져올수있다는점이냉각수유량제어식워터펌프기술과차별화된다. 현재까지 EGR 시스템이적용되지않는경우가대부분인가솔린차량에대해서는배기열을회수하기위한추가적인열교환기가필요하나 EGR 시스템이적용된차량에서는 EGR 냉각기를통과하는엔진냉각수를활용할경우연비개선을위한추가적인비용상승없이연비향상을도모할수있다. 지금까지의배기열회수를통한빠른워밍업기술에대한논문들은핵심부품의설계측면에서많이다루어왔다. 즉, 배기열회수장치와 ATF 가열기 / 냉각기의성능향상을위한부품설계기술들이대부분이었다. 4,5) 시스템측면에서는가솔린엔진이나 HEV에적용한사례가대부분이다. Kim 등 2) 이배기열을회수하기위한별도의배기열회수장치, ATF 가열기, 워터밸브등으로시스템을구성하여가솔린차량을대상으로 ATF의빠른워밍업효과에대해서실차평가를수행하였다. 이시스템에서는초기냉간시동시배기열회수로인한촉매활성화온도도달시간지연에영향을주지않게하기위하여배기열회수장치를촉매컨버터후류에장착하였다. 이로인하여배기열회수장치까지의배기열손실이크고, 긴냉각수라인도열손실에상당한영향을주어워밍업효과는미미하였다. 본연구에서는 3.0 급승용디젤차량을대상으로하여 EGR 냉각기에서엔진냉각수로버려지는폐열을직접 ATF의빠른워밍업에활용할경우의 ATF 및엔진냉각수의온도특성과연비특성을고찰하였다. 2. 요소부품및냉각시스템구성 ATF의냉각을위하여공랭식과라디에이터내장형수냉식냉각기두개를직렬연결하던기존의시스템 (Fig. 1) 을하나의라디에이터외장형수냉식냉각기로하여 EGR 냉각기와일체형으로제작하였다. 기존시스템에서는주위온도가낮은겨울철에는공랭식일경우 ATF 워밍업이상당히지연되고, 수냉식또한초기냉간시동시에는라디에이터로의냉각수순환이차단되기때문에 ATF 워밍업이상당히늦다. 그러나라디에이터외장형수냉식으 26 한국자동차공학회논문집제 20 권제 4 호, 2012
EGR 가스폐열회수에의한디젤엔진의연비에미치는 ATF 워밍업의영향 Table 1 Comparison of the structure of conventional and developed parts Conventional type Air cooled ATF cooler Water cooled ATF cooler Shell and tube type EGR cooler Fig. 1 ATF flow diagram of conventional system ATF warmer/cooler Developed type Stacked tube type EGR cooler ATF warmer/cooler integrated with EGR cooler Fig. 2 Coolant flow diagram of conventional system 로할경우엔진냉각수가항상냉각기로순환되기때문에 ATF보다온도가빠르게상승하는초기냉간시동시에는 ATF 가열기역할을할수있다. 엔진냉각수보다 ATF 온도가높아지는구간에서는 ATF 냉각기역할을하기때문에기존시스템에서의 ATF 냉각기와는달리 ATF 가열기 / 냉각기라고한다. 엔진냉각수의흐름도는 Fig. 2에나타낸바와같이수온조절기개변시순환되는라디에이터라인과 EGR 냉각기와히터코어가직렬로연결된항시순환라인및바이패스라인으로구성된다. 본연구에적용된 ATF 가열기 / 냉각기는 Table 1 에나타낸바와같이두개의냉각기가담당하던 ATF 냉각역할을하나의 ATF 가열기 / 냉각기가담당할수있도록옵셑핀 (Offset fin) 을둔고효율의적층형튜브 (Stacked tube) 타입으로개발한시제품을적용하였다. EGR 냉각기도기존 EURO-4 대응을위하여주로사용하던스파이럴튜브 (Spiral tube) 타입의관다발 (Shell and tube) 열교환기에서 EURO-5/6 대응을위하여웨이비핀 (Wavy fin) 을배기측튜브에내장한 고효율의적층형튜브 (Stacked tube) 타입으로개발한시제품을적용하였다. 개발모듈의장착위치는 Fig. 2의기존 EGR 냉각기위치와동일하다. 냉각수는먼저 EGR 냉각기를통과한후 ATF 가열기 / 냉각기를통과하게된다. 이와같은시스템구성으로자동변속기윤활시스템의라인이짧아졌고, 엔진프런트에장착되던공랭식 ATF 냉각기와라디에이터에내장되었던수냉식 ATF 냉각기의제거로라디에이터방열환경여건이개선되었으며, 향후라디에이터헤더의슬림화를가져올수있게되었다. 3. 실험장치및조건 3.1 단품성능실험장치및조건개발일체형모듈에대한단품성능실험은 ATF 냉각기와 EGR 냉각기에대해서각각방열성능및압력손실평가실험을하였으며, 냉각수측압력손실은모듈상태에서수행하였다. 또한기존시스템에적용되었던라디에이터내장형 ATF 냉각기와 EGR 냉각기에대해서도성능실험을수행하였다. ATF 냉각기의성능실험장치는온도를제어할수있는탱크, 순환펌프, 유량제어밸브등으로구성되었으며, EGR 냉각기의성능실험장치는 LPG 버너에의해공기를가열할수있는배기시뮬레이 Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 20, No. 4, 2012 27
Hyungseok Heo Donghyuk Lee Taegu Kang Heonkyun Lee Taejin Kim Table 4 Specifications of the test vehicle Items Specifications Engine type V6 E-VCT(EURO-4) Displacement volume 2,959 cc Transmission Auto, 6-speed Vehicle weight 2.03 ton Max. power 180.1 kw Fig. 3 Schematic diagram of water cooled ATF cooler experimental setup Fig. 5 Schematic diagram of vehicle experimental setup Fig. 4 Schematic diagram of EGR cooler experimental setup Table 2 Experimental conditions of water cooled ATF cooler Fluids Flow-rate Inlet temperature ATF 3/7/10/15 LPM 110 C Water 10/20/30/40 LPM 80 C Table 3 Experimental conditions of EGR cooler Fluids Flow-rate Inlet temperature Exhaust gas 60/80/100/120 kg/h 500 C Water 10/20/30/40 LPM 80 C 터, 컴프레셔, 온도를제어할수있는탱크, 순환펌 프, 유량제어밸브등으로구성되었다. 각단품성능 실험장치의개략도를 Fig. 3과 4에나타내었다. 실 험조건은 Table 2와 3에나타내고있다. 3.2 실차성능실험장치및조건 기존시스템과개발일체형모듈을적용한시스 템에대해서 ATF 및엔진냉각수의온도특성과각 유체의압력손실특성을보고자무부하상태에서의실차성능실험을일차적으로수행하였다. Table 4는차량제원을나타낸것이며, 실차성능실험을위한온도센서및차압센서의장착위치는 Fig. 5에나타내었다. 또한 FTP-75 모드에서도각시스템에서의온도및압력손실특성, 연비및배출가스특성을보고자차대동력계상에서실차성능실험을하였다. 실차성능실험에서의데이터획득은 Yokogawa사의 DA100과 Pierburg사의배기분석시스템을사용하였다. 4. 실험결과 4.1 단품성능실험결과실차실험에서나타나는시스템특성을명확히분석하고, 각유체의유량특성을파악하기위하여 ATF와 EGR 냉각기에대한방열성능및압력손실에대한단품리그평가를하였다. 실차실험에서많은유량계를장착하기에는장착공간의협소로불가능하기때문에단품실험에서의유량에따른차압특성결과를이용하면실차에서는차압특성만측정하더라도유량분배율특성을파악할수있다. 수냉식 ATF 냉각기의방열성능은기존 ATF 냉각기보다개발 ATF 가열기 / 냉각기의경우가 ATF 유량 15 LPM에서 56.8% 증가하였다 (Fig. 6). ATF 측 28 한국자동차공학회논문집제 20 권제 4 호, 2012
Effect of Fast ATF Warm-up on Fuel Economy Using Recovery of EGR Gas Waste Heat in a Diesel Engine Fig. 6 Performance of water cooled ATF cooler (rig test) Fig. 8 Pressure drop of coolant (rig test) 30 LPM에서 218% 증가하였다 (Fig. 8). 시스템측면에서보면새로운시스템은라디에이터내장형 ATF 냉각기를제거하였기때문에라디에이터의냉각수측압력손실은감소하게된다. Fig. 7 Performance of EGR cooler (rig test) 압력손실은하나의유로를갖는기존의동심원형 ATF 냉각기보다는 ATF 측튜브를 6단으로적층함으로써단위면적당통과유량을크게줄인적층형 ATF 가열기 / 냉각기의경우가유량 15 LPM에서 95.3% 저감되었다. EGR 냉각기의경우, 방열성능은기존의 EURO-4 대응보다개발 EGR 냉각기의경우가 EGR 가스유량 120 kg/h에서 13.0% 증가하였다 (Fig. 7). EGR 가스측압력손실의경우도배기의유로를길이가긴스파이럴튜브를적용한경우보다튜브를 5단으로적층함으로써단위면적당통과유량과튜브길이를줄인개발 EGR 냉각기의경우가 EGR 가스유량 118 kg/h에서 86% 저감되었다. 냉각수측압력손실은개발모듈의경우가 EGR 냉각기하나만을둔기존시스템보다냉각수유량 4.2 실차성능실험결과무부하조건에서의실차실험에서는 100 분간데이터를획득하였다. 무부하상태에서는 EURO-4 엔진을탑재한대상차량의경우, Fig. 9에나타낸바와같이초기수십초간만 EGR 밸브를열고, 그후에는연소불안정발생의이유로 EGR 밸브가닫힌다. EGR 밸브개도 5% 이하는 EGR 밸브가닫힌상태이다. EGR 밸브가닫히는무부하조건에서는기존시스템에서의 EGR 냉각기의냉각수온도와같이입, 출구의온도차이가거의발생하지않는다 (Fig. 10). 개발모듈에서의냉각수입, 출구온도차이는무부하상태에서는 ATF 보다먼저온도가상승하는엔진냉각수에서 ATF로열전달이이루어지기때문이다. Fig. 9 Opening degree of EGR valve (idle) Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 20, No. 4, 2012 29
허형석 이동혁 강태구 이헌균 김태진 Fig. 10 Coolant temperature of test sample (idle) Fig. 12 ATF temperature of ATF cooler (idle) Fig. 11 Coolant temperature of radiator (idle) Fig. 13 Coolant pressure drop of heater core (idle) 따라서냉각수입구보다는출구에서의온도가낮게나타나는것이다. 무부하상태에서의라디에이터입구와출구의냉각수온도특성은기존시스템보다는개발모듈을적용한시스템의경우가냉각수의열을 ATF 워밍업에사용하기때문에수온조절기의개변온도 (82 C) 를기준으로볼경우냉각수워밍업이약 19 분정도늦어지고있다 (Fig. 11). 수온조절기의완전개변온도는 95 C이다. 기존시스템의경우라디에이터로냉각수가순환되지않음에도불구하고라디에이터출구에서의냉각수온도가상승하는것은 ATF 에서냉각수로열을주기때문이다. 따라서라디에이터에서 ATF 냉각기를제거하는것은라디에이터헤더의슬림화뿐만아니라방열환경여건이개선되는이점이있다. ATF 냉각기가라디에이터에내장된기존시스템보다는항시엔진냉각수가순환되는위치에장착한개발모듈시스템의경우가 ATF 온도가상당히빠르게상승하는특성을보여주고있다 (Fig. 12). 개발 모듈을장착한시스템에서는초기부터엔진냉각수에서열을회수하여 ATF 입구보다출구온도가높은반면기존시스템에서는수온조절기가열려라디에이터로엔진냉각수가유입되어야만 ATF 입구보다출구온도가높아지는특성을보이고있다. 개발모듈을적용한시스템에서히터코어의냉각수측차압 (Fig. 13) 이낮게나타나는이유는단품성능실험결과에서도나타났듯이개발모듈의경우가냉각수측유로저항이커시스템에서냉각수유량감소로나타났기때문이다. 결국동일한워터펌프회전수에서개발모듈과히터코어로이어지는냉각수라인으로의냉각수유량감소만큼라디에이터라인으로는증가하게된다. 따라서전체냉각시스템관점에서유로저항을재설계할필요는있다. ATF 측차압은단품실험결과와마찬가지로유동저항을대폭줄인개발모듈의경우가낮게나타나고있다 (Fig. 14). Fig. 15는 FTP-75 모드실험조건을나타낸것이다. EGR 냉각기전, 후단에서의 EGR 가스의온도분포를나타낸 Fig. 16을보면배기입구온도는비슷한 30 한국자동차공학회논문집제 20 권제 4 호, 2012
EGR 가스폐열회수에의한디젤엔진의연비에미치는 ATF 워밍업의영향 Fig. 14 ATF pressure drop of ATF cooler (idle) Fig. 17 Coolant temperature of test sample (FTP-75 mode) Fig. 15 Test condition (FTP-75 mode) 듈을적용한시스템에서는 Phase-3을제외한구간에서는냉각수입구온도가출구온도보다높아 ATF로열을주고있음을알수있다. 라디에이터입, 출구의냉각수온도분포는무부하조건에서의실험결과와마찬가지로라디에이터내장형 ATF 냉각기를제거한새로운시스템에서의라디에이터방열성능이훨씬개선되었음을알수있다 (Fig. 18). ATF 온도분포를나타낸 Fig. 19를보면새로운시스템에서는 ATF 가열기 / 냉각기가 ATF 온도보다냉각수온도가높은초기에는확실한가열기역할을해주고있고, 냉각수온도보다 ATF 온도가상승하는경우에는냉각기역할을해주고있다. Table 5는 FTP-75 모드로 1회실험한배출가스및연비특성을나타낸것으로배출가스는모두계기로측정한값이고, 연비는배출가스로계산한값이다. 새로운시스템을적용할경우 NO x 는 25.1% 저감되었다. 이는성능이우수한 EGR 냉각기를적용하여 EGR 가스의온도가기존보다많이낮아져 EGR 률이좋아졌기때문이다. 연비는새로운시스템의 Fig. 16 EGR gas temperature of EGR cooler (FTP-75 mode) 반면출구온도는개발 EGR 냉각기를적용한경우가평균적으로 20 C 가량낮게나타나개발 EGR 냉각기의방열성능이더우수함을알수있다. 시험샘플전, 후단의냉각수온도분포를나타낸 Fig. 17을보면기존시스템의경우에는입구온도보다는출구온도가높게나타나 EGR 가스를엔진냉각수가냉각시키고있음을알수있으며, 개발모 Fig. 18 Coolant temperature of radiator (FTP-75 mode) Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 20, No. 4, 2012 31
Hyungseok Heo Donghyuk Lee Taegu Kang Heonkyun Lee Taejin Kim Fig. 19 ATF temperature of ATF cooler (FTP-75 mode) Table 5 Test results at FTP-75 mode System NO x (g/km) CO 2 (g/km) Fuel economy (km/ ) Conventional system 0.407 216.7 12.399 New system 0.305 211.2 12.715l 경우가 ATF 워밍업효과로 2.5% 향상되었고, 이에따라 CO 2 도 2.5% 저감되었다. 점도가높은 ATF의빠른워밍업으로마찰손실저감에의해연비향상을가져올수있었다. 이는 Fig. 19에서보여주듯이개발모듈의경우, 2,100초까지 ATF의워밍업역할을해주고있는반면기존시스템에서는 ATF의냉각역할을하기때문이다. 이러한연비향상효과는열교환기의성능이아니라 ATF 온도가낮은구간에서는 ATF 가열기역할을할수있도록장착위치를변경하였기때문이다. 연비향상효과는 Cold FTP 모드에서더커질것으로판단된다. 5. 결론 공랭식과라디에이터내장형수냉식 ATF 냉각기두개를사용하던것을하나의라디에이터외장형 ATF 가열기 / 냉각기로대체하였고, EGR 냉각기는 EURO-5/6 대응을위하여고효율 EGR 냉각기로대체하였다. 또한 ATF 가열기 / 냉각기를 EGR 냉각기와일체화하여엔진냉각수및 EGR 가스의폐열회수에의한 ATF의빠른워밍업효과가배출가스및연비에미치는영향을실험하였다. 3.0 급 EURO-4 엔진을탑재한승용디젤차량에서실차실험을통하여다음과같은결과를얻었다. 1) 새로운시스템의경우, 초기냉간시동시엔진냉 각수의열을 ATF 워밍업에사용하여엔진냉각수의워밍업은늦어졌지만 ATF의워밍업은상당히빨라져 2.5% 의연비상승효과를가져왔다. 2) 기존 EURO-4 대응 EGR 냉각기보다방열성능이우수한개발 EGR 냉각기를적용하여 EGR률향상으로 25.1% 의 NOx 저감효과를가져왔다. 3) 기존두개의 ATF 냉각기를하나의라디에이터외장형 ATF 가열기 / 냉각기로대체하여 EGR 냉각기와일체화함으로써오일라인이짧아졌으며, 부품수및이에따른중량저감을가져올수있게되었다. 4) 공랭식과라디에이터내장형 ATF 냉각기의제거로라디에이터방열환경여건의개선을가져와방열성능이향상되었으며, 향후라디에이터헤더의슬림화를가져올수있게되었다. 후 기 본연구는지식경제부의지원으로수행한산업핵심기술개발사업의일환으로진행되었으며연구를지원하여주신기관에감사드립니다. References 1) H. Heo and H. Lee, Technology Trends of Exhaust Heat Recirculation System for Powertrain Fast Warm-up, Auto Journal, KSAE, Vol.32, No.5, pp.14-22, 2010. 2) D. Kim, M. Jung, J. Lee and K. Kim, A Study of Improving of Efficiency of Power-train Cooling System, Annual Conference Proceedings, KSAE, pp.731-736, 2009. 3) N. Kawamoto, K. Naiki, T. Kawai, T. Shikida and M. Tomatsuri, Development of New 1.8- Liter Engine for Hybrid Vehicles, SAE 2009-01-1061, 2009. 4) J. Kim, M. Park, Y. Choi, D. Kim, T. Chung and M. Park, Automatic Transmission Warmer for Better Fuel Consumption, Annual Conference Proceedings, KSAE, pp.266-269, 2010. 5) J. Hwang, H. Heo, S. Bae, H. Lee, D. Lee, H. Kim and S. Park, Evaluation of Thermal Flow Characteristics of Chevron Type ATF Warmer/ Cooler, Annual Conference Proceedings, KSAE, pp.281-286, 2010. 32 한국자동차공학회논문집제 20 권제 4 호, 2012