Win - Win Tech - 배기가스재순환시스템 최적설계 및 제어용 계측 기술 개발
WIN - WIN TECH는 정부출연연구소 등 공공연구기관으로부터 듣는 최신 기술동향입니다.
유럽, 미국, 일본 등 선진 국가들의 디젤자동차 배기규제 강화( 그림 1참조)에 따라 배기재순환장치(Exhaust Gas Recirculation)와 같은 흡·배기 및 연소개선 시스템이 표준화되는 경향( 그림 2 참조)을 보이고 있다.
유럽 디젤 대형 상용차의 경우, Euro VI의 규제는 Euro III보다 질산화물(Nitric Oxides, NOx)과 미세먼지(Particulate Matters, PM) 규제치가 약 1/10 달성이 요구되기 때문에 주요 완성차 업체들은 배출가스 규제 대응을 위한 기술개발에 전력을 다하고 있다.
NOx 배기저감 기술은 NOx 발생을 최소화하는 엔진 연소기술과 연소 후 배기가스를 대기 중으로 방출 직전에 저감하는 후처리 장치기술로 구분할 수 있다.
현재 거의 모든 디젤자동차가 후처리 장치를 장착하여 규제된 유해가스를 배기과정 중 처리할 수 있었지만, 향후 강화되는 배기규제를 만족시키기 위해서는 EGR의 최적설계 및 제어에 필요한 센서, 계측장비와 같은 모니터링 기술 개발은 필수적이다.
그림 1 과 같이 디젤 대형 상용차의 경우 PM저감기술은 Euro IV 수준까지 엔진 연소기술만으로 극복 가능하였지만 Euro V 기술 이후부터는 후처리 장치인 디젤 미세먼지 필터(Diesel Particulate Filter, DPF)가 필수적으로 사용이 되고 있다.
DPF는 현재의 기술수준으로 보면 성숙 단계로 넘어왔다고 볼 수 있고 향후 PM 규제 대응을 위한 보편적인 PM 저감기술로 사용될 것으로 예상된다.
반면에 NOx 저감기술은 Euro IV 수준까지는 기계식 EGR기술이 주로 사용되었으나 Euro V 이후부터는 연비와 저감율이 우수한 SCR, LNT 등의 후처리 장치가 사용되고 있고 Euro VI 이후에는 전자식 EGR장치의 최적설계와 후처리 시스템간의 최적제어의 중요성이 부각될 것으로 예측된다.
클린디젤자동차의 흡·배기시스템을 구성하는 주요 요소부품 중 하나인 EGR장치는 산소농도가 낮은 배기가스를 흡기에 일부 재순환시켜 흡기의 산소농도를 낮추고 연소온도를 낮추어 엔진에서 발생하는 NOx를 원천적으로 저감하는 기술이다.
EGR은 밸브장착 위치에 따라 High Pressure Loop(HPL)과 Low Pressure Loop(LPL)으로 나눌 수 있으며, 밸브 방식은 크게 기계식 방식과 전자식 방식으로 나눌 수 있다.
향후 강화된 Post Euro VI대응을 위해 Urea SCR과 같은 후처리 장치와 LPL 전자식 EGR장치 적용이 불가피할 것으로 예상된다.
이러한 EGR장치는 NOx 저감기술로서 효과가 있는 반면 EGR율(배기 중의 CO2 농도 대비 흡기 중의 CO2 농도비율, %)이 제어가 적절하게 이루어지지 않으면 배기가스중의 HC와 CO2 양이 오히려 증가하고 연비가 악화될 수 있기 때문에 그림 3 , NOx의 배출량이 많은 운전영역을 택하여 해당영역에서만 적정량의 배기가스를 재순환시키는것이 중요하다.
또한, EGR장치의 형상 설계가 최적화되지 않으면 실린더 간의 재순환된 배기가스가 불균일하게 되어 그림 4 엔진의 모든 운전조건에서 적절한 EGR율과 공연비를 유지하는 데 어려움을 겪을 수 있다.
따라서 EGR율의 주요 파라미터인 CO2를 시공간적으로 측정 가능한 계측기술의 필요성이 대두되었고 이에 대한 개발이 필자가 속해 있는 연구그룹에서 진행되었다.
현재 가장 범용적으로 사용되는 자동차 EGR장치 성능평가용 CO2 센서/계측장비는 오스트리아 AVL의 제품으로 측정을 위한 별도의 가스셀을 가지고 있으며, 건식 상태로 CO2를 냉각 트랩에 통과시켜 측정하게 된다.
따라서 기존 분석장비는 흡기매니폴드나 실린더 내부의 CO2를 On-Line형태로 측정하기 어려운 구조를 갖는 단점이 있다.
이에 반하여 필자의 연구그룹에서 개발한 클린디젤 자동차 EGR 장치용 실시간 CO2 측정기술은 On-Line방식을 취하여 Single Port형태의 감지부를 직접 측정하고자 하는 지점에 설치하여 시공간적 측정할 수 있다.
EGR 시스템은 클린디젤 자동차의 핵심부품 기술로서 현재 국내에서 적용된 대부분의 EGR장치는 Steady - State 시험모드에 맞게 설계되어 순간적으로 증가하는 NOx의 양을 제어하기에 한계를 지니고 있다.
향후 NRTC(Non - Road Transient Cycle) 및 NTE 규제 (Not - To-Exceed, NRTC 모드 운전 중 순간 최대 발생하는 PM/NOx의 양을 제한하는 규제) 등이 추가되어 디젤엔진에서보다 세밀하고 신뢰성 있는 연소 및 배출가스 최적설계, 제어 기술의 개발 적용이 요구되고 있다.
따라서 모든 엔진운전 조건에서 EGR율의 주요 파라미터인 CO2농도의 크랭크 각도별 실시간 측정이 가능한 계측기술은 EGR장치의 최적설계 및 제어를 위하여 반드시 필요하다.
CO2 신호의 반응도를 보기 위하여 실온 대기압 조건에서 실험을 진행하였다. 샘플 CO2 농도는 약 4%이며 이 조건에서 S/N=~10이었다.
EGR에서 요구되는 CO2 농도범위는 0~10%이므로 향후 노이즈 저감을 통하여 신호의 반응도를 높일 계획이다.
또한, 본 연구의 정량적 목표 중 하나인 측정 속도는 5Hz이었으나 20Hz까지 올릴 수 있었다.
측정 속도를 올릴수록 동일한 CO2 농도 조건에서 신호 최대값이 올라감을 알 수 있었고, CO2 농도변화에 더 민감해지는 경향을 볼 수 있었다.
자동차용 EGR율 측정장비의 비접촉식 감지부의 패키징 기술은 고온의 유독한 배기가스 조건에서 내성과 진동 등 내구성과 관련된 고신뢰성 기술 확보가 요구되며 본 연구를 통해 이와 같은 기술을 축적할 수 있다.
CO2 신호를 감지하는 광신호를 송수신하는 Pitch 와 Catch 기능이 일체화된 구조를 가지고 있어 측정하고자 하는 위치에 탈부착이 용이하고 개발 대상 엔진의 주변장치를 크게 변경 할 필요가 없다.
EGR장치의 성능평가용 CO2 측정장비는 대부분 AVL, Horiba 등 유럽, 일본의 자동차 성능평가 장비업체로부터 수입에 의존하고 있다.
국내 산업체의 경우 CO2 측정기의 분석원리는 주로 광학식을 따라가고 있지만 핵심기술의 미비로 인하여 주요 측정부품은 외산 제품에 의지하고 있는 실정이다.
따라서 국내 독자 기술개발을 통한 EGR장치의 최적설계 및 제어용 CO2 측정기술의 확보가 시급하다.
본 연구개발을 통해 상용화될 실시간 CO2 분석장비는 위와 같은 기술적 문제를 해결함과 동시에 산업적 기술 초기에 있는 국내 클린디젤자동차 핵심부품 산업에서 특화된 시장선점 효과가 예상된다.