TiAl 터빈 휠을 사용한 과급 직분식 전기점화 엔진의 과도운전 성능개선

Abstract

화석연료의 고갈과 중동 산유국들의 정치적 불안정성으로 인한 전 세계적인 연료비용 상승문제와 지구온난화 문제들이 에너지 관련 분야들의 주요 의제로 대두되고 있다. 차량수송분야에서 역시 연료소비량과 CO2 배출과 관련된 규제가 엄격하게 시행되고 있다. 특히 승용차량에서의 CO2 배출량을 감소시키기 위해 전기점화 엔진과 압축착화 엔진에 다양한 기술들이 적용되고 있다. 현재의 전기점화 엔진의 경우, 대표적 CO2 저감 기술로써 GDI(Gasoline Direct Injection), VVA(Variable Valve Actuation) 기술들이 시장에 적용되었으며 하이브리드 기술, 엔진 다운사이징(Downsizing)기술들이 적용되고 있는 실정이다. 특히 엔진 다운사이징 기술과 관련하여, 오늘날의 전기점화엔진의 배기량이 줄어들고 있는 추세이다. 그리고 배기량이 큰 엔진과 동일한 성능을 유지하기 위해 다운사이징 엔진은 기존의 엔진에 비해 고 부하영역에서 운전되게 되었고 이에 따라 엔진의 펌핑손실 및 마찰손실 저감을 통해 연비에서의 이점이 있는 것으로 알려져 있다. 하지만 엔진의 배기량 감소에 따라 최대 출력 및 최대 토크의 감소현상이 다운사이징 엔진의 주요 문제점으로 지적되어 왔으며, 이는 이론공연비에서 운전되는 전기점화엔진의 특성상 배기량 감소에 따라 줄어든 엔진 흡기량으로 인해 실린더 내로 분사되는 연료의 량이 감소하였기 때문이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 turbocharger를 이용하여 흡기를 과급하는 기술이 널리 사용되고 있다. 터보차저란 일종의 에너지 재활용 장치로써, 엔진 배기가스로 버려지는 유동에너지를 이용하여 터빈을 회전시키고 터빈과 동일 축으로 연결된 컴프레서의 회전을 통해 흡기를 과급하는 기술이다. 흡기의 과급을 통해 작은 엔진에서 높은 출력을 낼 수 있지만 터보 랙이라고 불리는 과도운전 응답성능 저하 문제가 그 큰 단점으로 지적되어왔다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 다수의 선행 연구자들은 터보차저 자체의 응답성 개선, 과급된 흡기의 냉각, 흡기관과 배기관의 형상 최적화 등의 방향으로 연구를 진행하고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 먼저 기존의 Inconel 재질의 터빈 휠 터보차저와 새롭게 개발된 TiAl 재질의 터보차저의 비교를 수행하였다. 실험의 수행은 4기통 2리터 과급 직분식 전기점화 엔진에서 수행되었으며, 과도운전은 과도운전 조건을 모사하기 위해 엔진속도 2000 rpm에서 BMEP(Brake Mean Effective Pressure) 기준으로 0.2 Mpa에서 2.2 Mpa로 2초와 4초간 변화하는 부하의 프로파일을 이용하여 수행되었다. 실험 TiAl 터빈 휠 터보차저는 기존의 Inconel 터빈 휠 터보차저에 비해 회전관성이 약 24.14 % 감소한 제품을 사용하였으며, 실험 결과 TiAl 터보차저의 경우가 더욱 빠른 응답 성능을 보였다. 이러한 결과의 이유는 TiAl 터보차저의 낮은 회전관성으로 인해 과도운전 시 회전속도의 상승이 빨랐기 때문으로 생각되며, 연소상과 연료소비량, 피스톤 일량 분석을 통해 TiAl 터보차저의 빠른 응답성을 설명하였다. 두번째로, TiAl 터보차저의 응답성능을 향상시키기 위해, 점화시기를 제어변수로 하여 점화시기를 CAD(Crank Angle Degree) 기준으로 과급이 시작되는 엔진 맵상의 부하영역 전체에 대하여 +6, +3(진각), -3, -6(지각)로 변화시켜 가며 실험을 수행하였다. 실험 결과 과급영역 전체에 걸친 점화시기 진각 및 지각은 과도운전 성능을 악화시키는 결과를 초래하였으며, 그 이유는 최대 부하 영역에서의 점화시기 변화에 따른 엔진 토크 손실이 컸기 때문으로 판단되었다. 그러므로, 본 연구에서는 마지막으로 과급 영역 전체에 걸친 점화시기 변경 대신 과급이 시작되는 부하에서 최대부하의 90 %와 75 %에 해당하는 제한된 영역에 대해서면 점화시기를 지각하여 실험을 진행하였으며, 그 결과 제한된 영역에서의 점화시기의 지각을 통해 피스톤 일 전환효율은 감소하지만 터빈 전단의 가용 에너지 상승으로 인한 빠른 과급압 형성을 통해 연료의 분사량이 증가하여 전체적인 피스톤 일 량이 증가하여 과도운전 성능이 개선될 수 있음을 확인하였다.