한국액체미립화학회지제 20 권제 3 호 (2015) http://dx.doi.org/10.15435/jilasskr.2015.20.3.141 밀러사이클적용스파크점화기관의후기흡기밸브닫힘각변화에따른연소성능연구 정진호 * 강선제 * 김진수 * 정석철 * 이진욱 * A Study on Combustion Characteristics of Spark-Ignited Engine with Different Late Intake Valve Closing for Miller Cycle J. H. Chung, S. J. Kang, J. S. Kim, S. C. Jeong and J. W. Lee Key Words: Miller cyle( 밀러사이클 ), Variable valve timing( 가변밸브개폐시기 ), Late intake valve closing( 후기흡기밸브닫힘 ), Cam profile( 캠형상 ) Abstract In order to research engine characteristics of spark-ignited engine with intake valve closing timing change for Miller cycle, two cam for (Late Intake Valve Closing) were designed and fabricated an prototype valvetrain. And intake valve closing timing were adjusted to build low compressing and high expansion cycle for HEV. In experimental study, it were investigated with different engine speed, spark timing and air-fuel ratio to compare base cam and cam type. It was found that the volumetry efficiency and effective work of compression process were decreased in case of cam. When compared with the existing results, the maximum pressure in the cylinder was reduced about 12~13 bar and the volumetric efficiency was reduced about 16%. 용어설명 WOT : 전스로틀상태 BTDC : 상사점전 IMEP : 도시평균유효압력 1. 서론 1.1 연구배경세계적으로점점강화되는및유해배출가스규제와 Recieved: 8 Jul 2015, Recieved in revised form: 16 Sep 2015, Accepted: 17 Sep 2015) * 숭실대학교대학원기계공학과 교신저자, 숭실대학교기계공학과 E-mail: immanuel@ssu.ac.kr TEL : 02-820-0929 석유의높은가격으로인해가솔린엔진과디젤엔진의효율을향상시키는연구가많이이루어지고있다. 가솔린엔진의경우에는다운사이징, 가솔린직접분사, 희박연소, 급속연소, 배기가스재순환그리고가변밸브타이밍등의분야에서많은연구가이루어지고있다 (1,2). 특히단기간내에실현가능하다고판단되는기술중이미상용화되어적용되고있으며빠르게확산되고있는기술은하이브리드자동차관련기술이며, 국내자동차회사에서도하이브리드차량을출시하는등연구개발에박차를가하고있다. 주동력원인엔진의경우, 밸브타이밍에변화를주어압축비보다팽창비를크게하는앳트킨슨사이클 (Atkinson cycle) 혹은밀러사이클 (Miller cycle) 을대부분의 HEV엔진에적용하고있다. Figure 1은일반적인밀러사이클의 P-V선도를나타낸것이다. 이에대한효율극대화를위해서는밸브타이밍의변화로압축과정을줄임으로써유효압축비를감소시
142 /JOURNAL OF ILASS-KOREA VOL. 20 NO. 3 (2015) Fig. 1 P-V Diagram of Miller cycle 키고상대적으로팽창비를크게해야한다 (3,4). Fig. 2 Schematic diagram of engine test set up 1.2 연구목적및내용본연구에서는국내상용하이브리드차량의엔진제원을분석한결과 (7), (late intake valve closing) 방식이상용하이브리드차량에적용되어사용되고있으므로, 에대한보다정량적연소성능을분석하고자연구를수행하였다. 흡기밸브닫힘각을진각또는지각시킬경우흡기공기량이감소하면서체적효율은감소하지만, 유효압축비가낮아지고펌핑손실이감소하여저압축-고팽창기관을실현하여연료소비율을 3.5%~10% 정도향상시킬수있다는기존의연구보고가있다 (1,5,6). 이를위해하이브리드용엔진으로많이사용되고있는 Miller 사이클을단기통엔진에적용하여흡기밸브닫힘각변화에따른엔진의성능변화를실험을통해분석하는것이다. 2. 실험장치및방법 2.1 엔진성능실험장치본연구의엔진성능실험을위해사용된장치의전체개략도는 Fig. 2에나타내었다. 실험장치는크게분류하면실험기관, 흡 배 ± 장치, 전기동력계, 연료공급장치, 냉각장치, 연소해석장치, 연료분사제어장치로구성된다. 실험장치는각부분의압력과온도를실시간으로측정할수있도록하였다. 본연구에서사용된기관은수평형단기통수냉식농공용 4행정사이클직접분사방식디젤기관 ( 대동엔진, ND-80) 이다. 기관에스파크점화장치를설치하고흡기 포트에연료분사장치를추가설치하여 SI 가솔린기관으로개조하였다. 가솔린기관의압축비에알맞게개조하기위하여가스켓을이용하여압축비를낮추었다. 단기통엔진은별도의가변밸브기구의설치없이 Miller 사이클을구현하기위하여캠샤프트를흡기밸브닫힘각이지각되도록 CNC 가공하여교체하는방식을선택하였다. 흡기밸브닫힘각조건을변경하기위해서는엔진을분해하여교체해야하는불편함은있으나, 복잡한매커니즘이필요한별도의가변밸브기구없이간단하게적용할수있다는장점이있다. 엔진성능실험은동일한운전조건에서점화시기, 공기연료비에변화를주어기존흡기밸브닫힘각과지각된닫힘각에대한실험을각각진행하고비교분석하였다. Table 1 Specifications of experiment engine Number of cylinder 1 Bore Stroke 92 95 mm Connecting rod 170 mm Displacement volume 631 cm 3 Valve type SOHC 2 Valve Combustion chamber type Reentrant bowl-in-piston Compression ratio 9.5 : 1 IVO BTDC 18.5 o Intake Valve IVC ABDC 51.5 o EVO BBDC 51.5 o Exhaust Valve EVC ATDC 18.5 o
한국액체미립화학회지제 20 권제 3 호 (2015)/ 143 기관의제원은아래 Table 1에나타낸바와같다. 실린더의보어는 92 mm, 행정은 95 mm이며, 행정체적은 631 cm 3 이다. 압축비는가스켓을추가로설치하였을때, 9.5:1로하였다. 연료의분사시기는석사 300 으로일정하게유지하였으며, 점화시기는 BTDC32, 26, 20, 14, 8, 2 로 6 간격으로지각시키면서실험을진행하였다. 기관으로부터발생되는진동과소음이크기때문에기관의마모와동력계의수명을보호하기위하여진동감소용방진기구를갖춘테스트배드를이용하였다. 기관의크랭크축과동력계의축은고무커플링으로연결하여축진동을최소화하였다. 흡기장치는흡입공기유도관및흡입서지탱크로구성된다. Fig. 3은흡입공기량측정을위해설치된흡기유도관이다. 흡기유도관에는오리피스유량계 (φ=15 mm) 를통해전후의압력차로서흡입공기량을측정하였다. 서지탱크는맥동현상을최소화하기위하여행정체적의 385배이상인 243L로제작하였다. 배기장치또한흡기장치와동일한목적으로 243L의체적으로설치하였다. 기관제어장치는분사시기및분사기간을제어하는장치, 점화시기를제어하는장치와동력계하중을제어하는장치들로구성된다. Fig. 4는연료공급장치와기관 제어장치를나타낸다. 연료공급장치는 12V 분사펌프와솔레노이드분사기로구성되었다. 연료펌프와솔레노이드분사기는상용자동차에사용되는저압용을사용하였으며, 연료는흡기관에분사시켰다. 분사되는연료의양을제어하기위해로타리엔코더를설치하여크랭크각도신호를기준으로연료분사량을제어하였다. 분사량은분사시작크랭크각도로부터 0.1 ms 간격으로설정된기간동안연료가분사되도록하였다. 냉각장치는냉각수를중력식으로공급할수있도록탱크를설치하였고, 조절밸브를사용하여출구온도를 75±5 o C로일정하게유지하였다. 연소실내의압력측정은 Piezo-electric 압력센서를이용하였다. 압력센서의출력신호는매우작은값이므로연소해석기가인식할수있도록전압을증폭시킬수있도록 Kistler사의증폭기 (Charge amplifier, Kistler Co. Type-5011) 를사용하였다. 연소해석장치는 ONOSOKI사의 CB-366 Combustion analyzer를사용하였다. 환웅기전의 CAS(Combustion Analyzer System) 프로그램을사용하여 100사이클의평균값데이터를수집하였다 (8). 크랭크각에따른연소실체적의변화는엔진연소실, 피스톤, 크랭크축및커넥팅로드가 Fig. 5와같이배열되어있을때, 다음의수식을이용하여계산하였다. V V( θ) = V c c + ---- ( r 2 c 1) { G + 1 cosθ G 2 sin 2 θ} 2.2 흡기밸브닫힘각실험장치본연구의핵심인기관의흡기밸브닫힘각을변경하기위하여캠샤프트의흡기밸브캠을 CNC가공해흡기밸브의닫힘각이지각되도록제작하였다. Fig. 6에정상캠샤프트와닫힘각이지각되 Fig. 3 Tank-pipe system to measure intake flow Fig. 4 Fuel supply system and engine control unit Fig. 5 Structure of engine combustion chamber, piston, crank shaft and connecting rod
144 /JOURNAL OF ILASS-KOREA VOL. 20 NO. 3 (2015) Fig. 6 Shape of two cam shaft Fig. 7 Design drawing of cam profile Table 2 Change in the intake air amount along the intake valve shape Motoring (+50) (+50) Engine speed Water height level Intake air (cc/rev) Volumetric efficiency η 800 rpm 47 mm 587.9 93.2% 1000 rpm 71 mm 578.1 91.6% 1200 rpm 104 mm 583.0 92.4% 800 rpm 37 mm 521.6 82.7% 1000 rpm 57 mm 517.9 82.1% 1200 rpm 83 mm 520.8 82.5% 800 rpm 31 mm 477.5 75.7% 1000 rpm 44 mm 455.1 72.1% 1200 rpm 66 mm 464.4 73.6% 800 rpm 25 mm 428.8 68.0% 1000 rpm 37 mm 417.3 66.1% 1200 rpm 53 mm 416.2 66.0% 도록제작된캠샤프트를나타낸것이다. 국산상용하이브리드차량의가변밸브시스템을분석하여흡기밸브의최대변화량인 CAD50 를적용하여흡기밸브닫힘각이지각되도록설계도면을작성한후, CNC가공을통해캠샤프트를가공하였다. Fig. 7은흡기밸브구동용캠프로파일설계도면을나타낸것이다 (7). 3. 실험결과및고찰 3.1 흡기밸브닫힘각에따른체적효율특성본연구에서는흡기밸브닫힘각변화에따른체적효율의변화를살펴보기위하여기관의다른조건들은동일하게고정한상태에서흡기밸브닫힘각의변화를주어흡입공기량및체적효율을비교하였다 (4). 흡입공기량의측정은흡기유도관에설치되어있는오리피스유량계의수두의높이차를측정하고 ISO5167의간이계산식을이용하여흡입공기량및체적효율계산하였다. 간이계산식을통해얻은결과는 Table 2과같이정리하였다. C d : 유출계수 Q m = C d Eε π --2 4 Pρ 1 E : 근접속도계수 ε : 압축성유체의팽창계수 P : 오리피스전후차압 ρ 1 : 유체밀도간이계산식 Q m = 0.00751Ed 2 Pρ 1 흡입공기량및체적효율은흡기밸브딛힘각을조절하지않았을경우에는약 520 cc 가량으로실린더전체체적인 631 cc의 82.5% 정도로나타났으나, 닫힘각을 CAD50 가량지각시킨경우에는약 420 cc로전체체적의 66.5% 정도로기존대비 16% 가량체적효율이떨어지는것으로나타났다. 이는흡기밸브가 BDC 이후에도상당기간동안열려있음으로인하여실린더내로유 입되었던공기가역류하여흡기밸브를통해다시빠져나갔기때문으로판단된다. 추후예정인해석을통한연구에서는 Cold flow로해석할계획이어서, 이를고려한해석결과와실험결과를동일조건에서의비교하기위해 Motoring 조건에서의실험을본연구에서추가적으로진행하였다. Motoring 조건에서도기관작동시와유사하게 에비해 를적용하였을때, 약 92% 에서약 72% 정도로 20% 가량체적효율이감소하였다. 이는기관작동시와동일하게 가적용됨에따라 BDC 이후에도상당기간흡기밸브가열려있음으로인하여실린더내공기가역류하였기
한국액체미립화학회지 제20권 제3호(2015)/ 145 때문으로 판단된다. Motoring과 기관 작동시의 체적효율을 비교해 보면 분사시기 BTDC60, 분사기간 15.7 ms(이론공연비) 이고 WOT일 때 점화시기에 따른 P-θ와 Heat release-θ 의 경우에는 약 10%가량, 를 적용하였을 경우 에는 약 6% 가량으로 기관 작동시 체적효율이 Motoring시의 보다 작게 나타났다. 이는 흡기밸브의 열림 초 기는 배기과정의 말기 행정으로 피스톤은 TDC 근처가 되기 때문에 실린더 내부는 압력이 높은 상태이고 이에 따라 흡기포트를 통해 역류하는 현상이 발생하는데, Motoring시의 내부 압력보다 기관 작동시의 내부 압력 이 상대적으로 높기 때문에 역류하는 공기의 양이 많아 체적효율이 떨어지는 것으로 판단된다. 3.2 점화시기에 따른 엔진성능 특성 본 연구에서는 흡기밸브 닫힘각을 조절하지 않은 와 흡기밸브 닫힘각을 기존대비 CAD50 를 지각시 킨 에 대한 엔진의 성능 특성의 차이를 비교 분 석 하였다. 점화시기의 변화에 따른 P-θ, Heat release-θ, IMEP를 800 rpm, 1000 rpm, 1200 rpm 으로 3가지 작동 조건에 대하여 측정하고 분석하였다. 엔진부하는 WOT, 분사기간은 15.7 ms로 고정한 뒤 점화시기를 BTDC32, 26, 20, 14, 8, 2o로 6 씩 지각되도록 변경하며 엔진 의 성능 특성을 연구하였다. Fig. 9 Variation of combustion pressure and heat release rate in accordance with the ignition timing (1000 rpm, WOT, Injection period 15.7 ms) Fig. 8 Variation of combustion pressure and heat release rate in accordance with the ignition timing (800 rpm, WOT, Injection period 15.7 ms) Fig. 10 Variation of combustion pressure and heat release rate in accordance with the ignition timing (1200 rpm, WOT, Injection period 15.7 ms)
146 /JOURNAL OF ILASS-KOREA VOL. 20 NO. 3 (2015) Fig. 11 IMEP and Torque changes in accordance with the ignition timing Fig. 12 Changes in the combustion pressure and heat release rate of the and 선도를 Fig. 8과 9 그리고 10에나타내었다. 와 모두점화시기를지각시킴에따라실린더내최고압력이낮아지고 Heat release 선도가지각되는것으로나타났다. 이러한경향은기관회전수 800 rpm, 1000 rpm, 1200 rpm 세가지작동영역에서유사하게나타났다. 흡기밸브닫힘각을지각시킨 의경우에는 대비실린더내최고압력및 Heat release가약 20~25% 가량모든점화시기에서낮아지는것을알수있다. 이는흡기밸브닫힘각이지각됨에따라체적효율및유효압축비가낮아졌기때문으로판단된다. Figure 11은 와 의기관회전수 1000 rpm, WOT, 분시기간 15.7 ms일때의점화시기변경에따른동력계하중과 IMEP를나타낸것이다. 동력계하중의변화를살펴보면 대비 에서전체적으로낮게나타나는것을확인할수있다. 이는 적용에따라체적효율및유효압축비가낮아졌기때문으로판단된다. 와 두가지경우모두점화시기 BTDC26 에서최대동력계하중을나타내었다. 그이후점화시기가지각됨에따라동력계하중이급격히감소하는양상이나타났는데, 이는 와 모두유사하게나타났다. 반면, IMEP의전체적인변화를살펴보면점화시기를지각시킴에따라증가하다가감소하는경향을확인할수있다. 에서의최대 IMEP는점화시기 BTDC14 에서나타났으며 에서는 BTDC20 로 대비진각되어나타나는것을확인할수있다. 이와같은결과는 Fig. 12와같이 Heat release 선도의변화에서도알수있는데, 유효압축비가낮아져실린더내부의압력및온도가낮아지고흡기밸브닫힘각이지각됨에따라예혼합에필요한시간이짧아져 Heat release 선도가 를적용하였을때지각되어나타나 는것으로판단된다. 3.3 공기연료비에따른엔진성능특성본연구에서사용된단기통엔진은흡기포트에연료분사장치를설치한포트분사방식의엔진이다. 적용된 는기존흡기밸브닫힘각에서약 CAD50 가량지각되도록구성되었다. 즉, 흡기밸브는 BDC를상당기간지난후에닫히게되므로실린더내의혼합기의역류가예상된다. 이러한이유로 실험에서의공연비는정교한측정이어렵지만, 분사시기및점화시기등나머지작동조건을고정한상태에서연료의분사기간만을 12.3, 14.0, 15.7( 이론공연비, ), 17.4, 19.1 ms으로조절하여엔진의성능특성을연구하였다. 기관회전수 1000 rpm, 분사시기 BTDC60, 점화시기 BTDC26 이고 WOT일때연료분사기간에따른 P-θ 선도를 Fig. 13에나타낸것이다. 전체적인실린더내부압력변화를살펴보면, 점화시기변경실험에서와유사하게 대비 를적용하였을때, 실린더내최고압력및 Heat release 가감소한것을확인할수있다. 앞선실험과유사하게유효압축비및체적효율이감소하면서실린더내의최고압력이낮아진것으로판단된다. 실험결과흡입공기의온도는 의경우에는실험실온도와거의유사한수준으로유지되었으나, 의경우에는실험실온도대비약 7~10 C정도높게측정되었다. 이것은실린더내로유입되었던공기가실린더주변의열을흡수한후혼합기가역류하기때문에흡입공기의온도가높아진것으로판단된다. Figure 14은 와 의기관회전수 1000 rpm, WOT, 점화시기 BTDC26 일때의연료분사기간에따른동력계하중과 IMEP를나타낸것이다.
한국액체미립화학회지제 20 권제 3 호 (2015)/ 147 Fig. 15 Comparisons of the combustion pressure and heat release rate of the and Fig. 13 Changes in the combustion pressure and heat release rate in accordance with the fuel injection period (1000 rpm, WOT, SA BTDC26 ) Fig. 14 IMEP and Torque changes in accordance with the fuel injection period 각분사기간에따른동력계하중의변화를살펴보면 의경우에는 12.3 ms의희박한연소영역에서동력계하중이급격하게낮아지는것을알수있다. 이에반해 의경우에는공기연료비가희박해짐에따라동력계하중이낮아지지않고소폭상승하는것을확인할수있다. 적용에따라실린더내로유입된혼합기가충분히예혼합되기이전에역류가일어남에따라이론공연비보다연료비가높은농후한상태가된다. 분사기간을짧게하여혼합기를상대적으로희박하게설정 Table 3 Summary of results Variation of volumetric efficiency WOT, M.B.T, Fuel injection period 15.7 ms Engine speed Intake air (cc/rev) Volumetric efficiency Intake air (cc/rev) Volumetric efficiency 800 rpm 521.6 82.7% 428.8 68.0% 100 rpm 517.9 82.1% 417.3 66.1% 1200 rpm 520.8 82.5% 416.2 66.0% Variation of ignition timing 1000 rpm, WOT, Fuel injection period 15.7 ms Ignition timing Torque (kgf) IMEP (bar) Torque (kgf) IMEP (bar) BTDC32 17.4 3.68 13.9 3.24 BTDC26 18.4 4.26 14.1 3.64 BTDC20 18.3 4.81 13.8 3.84 BTDC14 17.9 5.12 13.2 3.79 BTDC8 16.9 4.96 11.9 3.61 BTDC2 15.1 4.66 10.2 3.24 Variation of air-fuel ratio 1000 rpm WOT, M.B.T Fuel injection period Torque (kgf) IMEP (bar) Torque (kgf) IMEP (bar) 12.3 ms 15.0 4.04 13.8 3.54 14.0 ms 17.2 4.18 14.0 3.51 15.7 ms 18.4 4.16 13.9 3.50 17.4 ms 17.7 4.11 13.7 3.49 19.4 ms 17.8 3.78 13.4 3.68
148 /JOURNAL OF ILASS-KOREA VOL. 20 NO. 3 (2015) 하였을때, 공기연료비가상대적으로이론공연비와가깝게형성되었기때문으로판단된다. 본연구에서사용한실험장비는흡기포트에서연료를분사하는방식이기때문에 를적용하였을때, 실린더내의공기가역류하면서유입되었던연료역시일부분역류하기때문에연료효율은현재시스템에서연료효율을측정할시 대비낮을것으로예상된다. 이러한문제를해결하기위해서는흡기밸브가닫힌후에실린더내로직접연료를분사할수있는직접분사방식의엔진에대한분석이필요할것으로판단된다. 이상 및 적용에따른체적효율의변화및점화시기, 공기연료비변화에따른실험결과를요약하여 Table 3에나타내었다. 4. 결론본연구는하이브리드차량에이용되고있는밀러사이클을 용캠샤프트시제작을통해구현하고, 이를통한흡기밸브닫힘각변경에따른연소성능에관한것이다. 이를위해기관의점화시기및공기연료비를변경하며실린더내의압력변화, IMEP 및 Torque 의변화를비교 분석하였다. 본연구를수행한결과, 다음과같은결론을얻을수있었다. (1) 흡기밸브닫힘각을 CAD50 지각시켜밀러사이클을구현하여기존결과와비교했을때, 실린더내최고압력은약 12~13 bar, 체적효율은약 16% 가량감소하였다. (2) 점화시기를변경하였을때최대 Torque가나타나는 M.B.T지점은 BTDC26 로 및 두조건에서동일하게나타났으나, 최대 IMEP 지점은 는 BTDC20 는 BTDC14 로기존대비진각되어나타났다. (3) 공기연료비를변경하였을때 의경우에는농후해지거나희박해짐에따라 Torque 및실린더내압력이감소하였으나, 동일한조건의분사압력과분사기간으로 에적용하였을때에는상대적으로희박한영역에서 Torque 및실린더내압력이소폭높게나타났다. (4) 적용시실린더내의공기가예혼합되기이전에역류가일어남에따라동일한분사압력과분사기간을적용하여도 보다실린더내의혼합기가농후하게형성된다. 이러한현상을피하기위해서는흡기밸브가완전히닫힌이후에연료를실린더내로분사할수있는직접분사방식의적용이필요할것으로판단된다. 후기본연구는 2015년도정부 ( 산업통상자원부 ) 의재원으로산업핵심기술개발사업지원을받아수행된것이며, 이에깊은감사를드립니다. 참고문헌 (1) Yunlong Li and Yiqiang Pei, Jing Qin, Shaozhe Zhang, Yu Shang, Le Yang and Xuesong Wu, Exhaust Gas Recirculation, Late Intake Valve Closure and High Compression Ratio for Fuel Economy Improvement in a MPI Gasoline Engine, SAE Technical Paper 2014-01-1197, 2014. (2) Cheolwoong Park, Jinwoo Oh and Hongsuk Kim, A Study on the Lean Combustion Characteristics with Variation of Combustion Parameter in a Gasoline Direct Injection Engine, Transactions of KSAE, Vol. 20, No. 4, 2012, pp. 39-45. (3) Sangmyeong Kim, Gisu Sung and Jinwook Lee, Analysis of In-cylinder Flow in a Miller Cycle Engine with Variable IVC for HEV, Journal of ILASS-Korea, Vol. 19, No. 1, 2014, pp. 25-32. (4) C. M. Chung, J. T. Lee and J. W. Cho, Trends in Technical & Development of Miller Cycle for Gasoline Engine, Transactions of KSAE, Vol. 17, No. 1, 1995, pp. 6-19. (5) Yu Wan and Aimin Du, Reducing Part Load Pumping Loss and Improving Thermal Efficiency through High Compression Ratio Over-Expanded Cycle, SAE Technical Paper 2013-01-1744, 2013. (6) James Taylor and Neil Fraser, Rene Dingelstady and Hermann Hoffmann, Benefits of Late Inlet Valve Timing Strategies Afforded Through the Use of Intake Cam In Cam Applied to a Gasoline Turbocharged Downsized Engine, SAE Technical Paper 2011-01- 0360, 2011. (7) Hyundai Motor, 2012 YF Sonata Hybrid Maintenance Instructions, Golden bell, 2011, pp. 5-8. (8) H. S. Kim, Performance and Emission Characteristics of a Controlled Auto-Ignition Gasoline Engine according to Variation, Soongsil University Graduate school, 2003, pp. 12-21.