경량 터보차저를 이용한 터보과급 직접분사식 가솔린엔진의 성능개선

Abstract

지난 20년간 가솔린 엔진은 디젤자동차와 전기 자동차와의 성능 및 연비 경쟁을 거치면서 가솔린 직접 분사(Gasoline direct injection, GDI), 가변 밸브 시스템(Variable valve system)의 적용과 엔진 다운사이징(Downsizing)의 방향으로 발전하였다. 그 결과 엔진의 열효율 측면에서 눈부신 성장을 이루었지만 줄어든 배기량으로 인해 발생되는 성능 저하를 막기 위해 장착된 터보차저(Turbocharger)에 의한 엔진 배압(Engine back pressure) 증가와 이에 따른 연소실 내 이상 연소(Abnormal combustion) 발생 증가, 그리고 터보차저의 과도운전 응답 성능 감소(Turbolag) 는 다운사이징 가솔린 엔진이 해결해야 할 필수적인 문제로 남았다. 이러한 문제의 개선을 위해 고안된 펄스 차징(Pulse charging) 강화형 배기 매니폴드는 다기통 엔진의 각 실린더에서 발생되는 배기가스의 유동을 분리하는 방식으로 터빈 전단의 배기관 부피 감소시켜 엔진의 과도운전(Transient operation)에 대한 터보차저의 응답 성능을 향상시켰다. 그러나 강화된 펄스 차징은 터보차저 터빈(Turbine)에 더 많은 배기가스 에너지를 공급하였지만 배기가스의 비 정상 유동(Unsteady flow) 강도를 증가시켜 터빈의 운전 조건이 극단적으로 비효율적인 조건과 효율적인 조건을 반복적으로 오가도록 만들었다. 그 결과 순간적인 터빈 효율 감소의 누적으로 인한 평균적인 터빈 효율 감소 문제가 있어 왔다. 본 연구에서는 엔진의 과도운전에 대한 응답 성능이 뛰어난 것으로 알려진 경량 터보차저(Light inertia turbocharger)를 이용하여 엔진 배기가스 비정상 유동 조건에서 터빈 효율의 향상 가능성에 대해 연구하였다. 그리고 그 결과가 엔진의 연소, 연비, 그리고 성능의 개선으로 이어질 수 있는지에 대하여 연구하였다. 순간적인 터빈 성능 평가 연구는 엔진 시험으로 수행된 사례가 극히 드문데, 그 이유는 순간적으로 변하는 고온의 엔진 배기가스의 온도를 엔진 크랭크 각(CAD) 단위로 측정하는 것이 현재 존재하는 열전대(Thermocouple)로는 불가능하고, 터빈에 공급되는 순간적인 배기가스 유량 역시 현존하는 유량계를 이용하여 측정할 수 없기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 빠른 응답성으로 측정할 수 있는 터보차저 회전 속도와 흡배기 관내 압력은 엔진 실험을 통해 측정하고, 실제로 측정할 수 없는 순간적인 온도와 유량은 1-D 시뮬레이션 모델을 이용해 계산한 후, 이를 검증하여 사용하였다. 실험과 모델의 결과 값을 조합하여 터빈 효율 식을 계산하였고 이를 통해 CAD 단위의 순간적인 터빈 효율을 계산하였다. 터빈 효율 이외에 순간적인 터빈의 성능을 나타낼 수 있는 터빈 블레이드 첨단 속도 비(Blade tip speed ratio, BSR)와 무차원 유량 변수(Reduced mass flow rate parameter)를 계산하여 비교하였다. 연구를 위해 사용된 경량 터보차저는 기존의 터보차저와 크기와 모양을 동일하게 유지한 상태에서 마그네슘(Mg) 재질의 경량 컴프레서와 티타늄-알루미늄 합금(Ti-Al) 재질의 경량 터빈을 장착한 터보차저로 기존의 터보차저에 비해 회전 관성이 38% 낮았다. 과도운전 실험 결과 기존의 DME 20155505 박찬수. 경량 터보차저를 이용한 터보과급 직접분사식 가솔 린엔진의 성능개선. 기계공학과. 2021년. 88+ix 쪽. 지도교 수: 배충식. (한글 논문) Chansoo Park. Performance improvement of a turbocharged gasoline direct injection engine with light inertia turbocharger. Department of Mechanical Engineering. 2021. 87+viii pages. Advisor: Choongsik Bae. (Text in Korean) 연구 결과와 동일하게 경량 터보차저를 사용했을 경우 과급 압력 형성 기준 18.4%의 응답 성능 향상을 보였다. 이는 터빈에서 추출한 배기가스의 유동 에너지가 터보차저의 회전 에너지로 변환되는 과정에서 발생되는 회전 관성 극복에 의한 에너지 손실이 줄었기 때문이다. 과도운전 조건에서 경량 터보차저의 성능 개선 이외에 연비에 대한 효과를 확인하기 위해 연료소비량을 비교하였다. 시간 단위의 누적 연료 소비량은 고부하 운전 조건으로 더욱 빠르게 진입한 경량 터보차저의 경우가 더 많았지만, 실제로 엔진이 발생시킨 출력 당 누적 연료 소비량은 경량 터보차저가 더 적었다. 이는 과도운전 기간 동안 출력 당 연료 소비량이 낮은 고부하 영역에서의 운전 시간이 경량 터보차저가 더 많았기 때문이다. 단일 엔진 부하 실험에서는 먼저 경량 터보차저의 영향을 알아보기 전에 기존의 중량 터보차저를 이용하여 늦은 흡기 밸브(Late intake valve phase, LIVP) 전략의 적용을 통해 W/G 닫힘에 따른 중량 터보차저의 평균적인 효율 및 유량 변수의 변화를 확인하였다. 그리고 LIVP 적용에 따른 순간적인 터빈 효율과 유량 변수의 변화를 분석하여, 엔진 배기 펄스가 터빈을 통과할 때, 순간적인 터빈 효율을 크게 2개의 단계로 분리하여 분석하는 방법을 고안하였다. 순간적인 터빈 효율 변화의 각 단계에서 비 정상 유동 조건에서의 순간적인 터빈 효율이 준 정상 유동 조건의 시뮬레이션 결과와 차이를 보이는 이유를 비 정상 유동 실험대(Unsteady flow test bench)에서 분석된 순간적인 터빈 효율 분석 연구의 연구 사례에 비추어 분석하였다. 경량 터보차저를 이용한 단일 엔진 부하 실험에서 경량 터보차저의 회전 속도의 맥동이 CAD 단위의 제한된 시간 내에서도 기존의 중량 터보차저 대비 순간적으로 더 빠르고, 큰 반응을 보여주는 것을 확인하였다. 이에 따른 순간적인 BSR, 터빈 효율, 유량 변수를 계산하였고, 그 결과 경량 터보차저가 유효한 일을 생산하는 영역에서의 순간적인 효율이 기존의 중량 터보차저를 상회하는 것을 확인하였다. 이를 통해 엔진 열효율에서의 이점이 있을 것으로 판단되었으나, 실제 엔진의 열효율 및 연료 소비량에서의 차이는 발견되지 않았다. 이는 아직 명확히 밝혀진 것은 아니지만, 터빈 효율이 실질적으로 0으로 떨어지는 터보차저 회전속도 감속 영역에서의 회전속도 감소 폭이 경량 터보차저 쪽이 더 커서 가속 영역에서 얻은 경량 터보차저의 이점이 상쇄될 수 있다는 점, 평균 속도 대비 순간 속도 변화량이 1~2% 수준으로 낮은 점, 그리고 순간적인 최대 일 발생 지점과 터빈 속도의 상대적인 위상 차이에 의한 상쇄 효과에 의한 결과로 예상된다.