수냉식 EGR 쿨러의 성능 개선에 관한 수치 해석 연구

김학민(Hak Min Kim),염정국(Jeong Kuk Yeom) 대한기계학회 2020 大韓機械學會論文集B Vol.44 No.1

배기가스를 저감하는 기술 중 하나인 EGR은 배기가스 온도를 낮출 경우 soot과 NOx의 저감에 효과가 있어 EGR cooler의 냉각 성능 개선이 필요하다. 냉각 성능의 개선을 위해 수치 해석을 진행하여 개선점을 확인하였으며, 수치 해석 프로그램은 ANSYS CFX를 사용하였다. 기존 EGR cooler의 수치 해석 결과를 통해 개선점을 확인하였고, 이를 바탕으로 개선된 EGR cooler를 설계하였다. 또한 수정한 EGR cooler와 기존 EGR cooler의 온도 데이터를 비교하였다. 그 결과, EGR cooler의 냉각 성능이 개선된 것을 확인할 수 있었다. An EGR system, which is a technology to reduce exhaust gas, can effectively reduce soot and NOx when the exhaust gas temperature is lowered, and it is necessary to improve the cooling performance of the EGR cooler. A numerical analysis was conducted to improve the cooling performance. The numerical analysis program was ANSYS CFX. The improved EGR cooler was designed based on the numerical analysis results of the original EGR cooler. The temperature data for the modified EGR cooler and original EGR cooler were compared. Consequently, it was confirmed that the cooling performance of the EGR cooler was improved.

6 L급 압축착화 기관에서 천연가스-디젤 반응성 조정 연소 시 부하에 따른 배기 재순환율이 출력 및 열효율에 미치는 영향 분석

이선엽(Sunyoup Lee),이석환(Seok-Hwan Lee),김창기(Chang-Gi Kim),이정우(Jeong-Woo Lee) 한국가스학회 2020 한국가스학회지 Vol.24 No.6

반응성 조정 압축착화 (Reactivity Controlled Compression Ignition, RCCI) 연소는 착화원인 디젤 연료를 압축 행정 중 이른 시점에 미리 분사하여, 공기와 미리 섞여 들어온 천연가스 연료뿐만 아니라 디젤 연료 자체도 미리 연소전에 공기와 혼합하여 착화를 이루는 전체 예혼합 혼소(Dual-fuel combustion) 방식의 일종이다. 따라서 기존의 혼소 방식 중에서도 RCCI 연소는 질소산화물(Nitrogen Oxides, NOx) 및 매연(Smoke)을 획기적으로 줄일 수 있고, 또한 높은 열효율을 유지할 수 있는 장점을 지니고 있다. 특히 연소 중 NOx의 발생은 연소 온도와 국부적인 당량비에 관계된 상황에서 당량비를 낮추기 위해 예혼합율을 높이는 시도뿐만 아니라 , 연소 온도 감소를 위한 배기재순환(Exhuast Gas Recirculation, EGR)을 적용하는 것이 효과적이다. 그러나 배기재순환은 대개의 경우 터보차저의 압축기 전단에서 추출하는 HP-EGR(High Pressure-EGR) 방식을 적용하는 경우가 많으므로, EGR율을 높일 경우 터빈으로 공급되는 배기의 양이 줄어 배기 엔탈피 감소로 인해 과급이 줄어드는 악영향을 초래할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 서로 다른 두 운전조건에서 천연가스-디젤 RCCI 연소를 시행할 때, EGR율 변화에 따른 엔진 시스템의 제동 출력 및 열효율의 변화에 대하여 실험적으로 분석하였다. 실험 조건은 1,200 rpm/29 kW 수준의 조건과 1,800 rpm/90 kW 이하 조건에서 수행하였으며 NOx와 smoke의 배출조건은 Tier-4 final 배기규제를 기준으로 삼았으며 엔진의 내구성을 고려하여 최고 연소압력은 160 bar를 넘지 않게 제어하였다. 그 결과 1,200 rpm/29 kW 조건에서는 EGR율을 4에서 30 %로 높이더라도 출력 및 열효율의 변화는 미미하였으나, 1,800 rpm 조건에서는 EGR율을 4에서 28 %로 증가할 경우 최대 과급 압력이 2.3에서 1.8 bar로, 최고 출력은 90에서 65 kW로, 열효율은 37에서 33 %로 감소함을 알 수 있었다. 따라서 효과적인 EGR공급을 위해서는 현재 압축기 전단에서 추출하는 EGR을 후단에서 추출하는 LP-EGR (Low Pressure EGR) 시스템이 효과적일 수 있음을 시사한다. Reactivity controlled compression ignition (RCCI) combustion is one of dual-fuel combustion systems which can be constructed by early diesel injection during the compression stroke to improve premixing between diesel and air. As a result, RCCI combustion promises low nitrogen oxides (NOx) and smoke emissions comparing to those of general dual-fuel combustion. For this combustion system, to meet the intensified emission regulations without emission after-treatment systems, exhaust gas recirculation (EGR) is necessary to reduce combustion temperature with lean premixed mixture condition. However, since EGR is supplied from the front of turbocharger system, intake pressure and the amount of fresh air supplementation are decreased as increasing EGR rate. For this reason, the effect of various EGR rates on the brake power and thermal efficiency of natural gas/diesel RCCI combustion under two different operating conditions in a 6 L compression ignition engine. Varying EGR rate would influence on the combustion characteristic and boosting condition simultaneously. For the 1,200/29 kW and 1,800 rpm/(lower than) 90 kW conditions, NOx and smoke emissions were controlled lower than the emission regulation of ‘Tier-4 final’ and the maximum in-cylinder pressure was 160 bar for the indurance of engine system. The results showed that under 1,200 rpm/29 kW condition, there were no changes in brake power and thermal efficiency. On the other hand, under 1,800 rpm condition, brake power and thermal efficieny were decreased from 90 to 65 kW and from 37 to 33 % respectively, because of deceasing intake pressure (from 2.3 to 1.8 bar). Therefore, it is better to supply EGR from the rear of compressor, i.e. low pressure EGR (LP-EGR) system, comparing to high pressure EGR (HP-EGR) for the improvement of RCCI power and thermal efficiency.

수냉식 EGR Cooler의 최적 형상 설계에 대한 수치해석 연구

김학민(Hak Min Kim),염정국(Jeong Kuk Yeom) 대한기계학회 2019 大韓機械學會論文集B Vol.43 No.7

디젤엔진의 유해 배기가스를 저감하는 기술인 EGR 시스템에 쿨러를 장착하여 재순환되는 배기가스의 온도를 낮추는 cooled EGR 시스템은 기존의 EGR과 비교하여 연비와 soot의 증가 없이 NOx의 저감에 효과가 있다. 본 연구에서는 cooled EGR 시스템에 사용되는 EGR 쿨러의 개선을 위해 기존 EGR 쿨러를 사용해 측정한 실험데이터를 기초로 수치해석을 실시하였다. 수치해석에 사용한 EGR 쿨러는 shell&tube 형식을 사용하였고, 물을 이용하여 EGR 가스의 냉각을 실시하였다. 수치해석에는 상용프로그램인 ANSYS CFX를 사용하였고, 수치해석을 통한 냉각성능을 비교를 위해 EGR 쿨러, EGR 가스 및 냉각수의 온도를 실험데이터와 비교하였다. 그 결과, 수치해석 결과의 유효성을 검증하였으며, EGR cooler의 설계를 위한 수치해석 데이터를 확보하였다. A cooled exhaust gas recirculation (EGR) system reduces the temperature of recirculated exhaust gas by using a cooler to reduce harmful exhaust from diesel engines. The system is effective at reducing NOx without increasing both fuel consumption and soot as compared with an EGR system. To improve the EGR cooler used in a cooled EGR system, numerical analysis was conducted based on data derived from experiments on an existing EGR cooler. The EGR cooler used for numerical analysis was a shell and tube type, and the EGR gas was cooled with water. The analysis was performed using a commercial program (ANSYS CFX). The different temperatures of the EGR cooler, EGR gas, and cooling water were compared with experimental data to compare the different cooling performances based on numerical analysis. The validity of the numerical analysis was verified and numerical analysis data for the design of the EGR cooler were obtained.

스크러버형 EGR시스템 디젤기관의 배기 배출물에 미치는 재순환 배기온도의 영향

배명환,류창성 경상대학교 생산기술연구소 2002 工學硏究院論文集 Vol.2 No.-

The effects of intake mixture temperature on performance and exhaust emissions under four kinds of engine loads were experimentally investigated by using a four-cycle four-cylinder, swirl chamber type, water-cooled diesel engine with scrubber EGR system operating at three kinds of engine speeds. The purpose of this study is to develop the scrubber exhaust gas recirculation(EGR) control system for reducing NO_x and soot emissions simultaneously in diesel engines. The EGR system is used to reduce NO_x emissions. And a novel diesel soot-removal device with a cylinder-type scrubber which has five water injection nozzles is specially designed and manufactured to reduce soot contents in the recirculated exhaust gas to the intake system of the engine. The influences of cooled EGR and water injection, however, would be included within those of scrubber EGR system. In order to study the effect of intake mixture temperature, a intake mixture heating device which has five heating coils is made of a steel drum. It is found that the specific fuel consumption rate is considerably elevated by the increase of intake mixture temperature, and that NO_x emissions are markedly decreased as EGR rates are increased and intake mixture temperature is dropped, while soot emissions are increased with increasing EGR rates and intake mixture temperature.

입구 형상에 따른 EGR 쿨러의 냉각성능 개선에 관한 연구

염정국(Jeong Kuk Yeom),김학민(Hak Min Kim) 대한기계학회 2021 大韓機械學會論文集B Vol.45 No.5

디젤엔진에서 배출되는 배기가스의 후처리 방법 중 하나인 EGR은 연소 시 발생하는 배기가스를 흡기로 재순환시키는 방법이다. 이를 통해 연소실에 공급되는 산소 농도를 감소시켜 연소반응을 낮춰 연소실의 온도를 떨어뜨리며, 고온에서 생성되는 NOx를 저감시킨다. EGR의 효율을 높이기 위해서는 EGR 가스의 온도를 떨어뜨릴 필요가 있으며, EGR 가스의 온도를 낮추기 위해 높은 성능의 EGR 쿨러가 필요하다. 본 연구에서는 EGR 쿨러의 성능 개선을 위해 EGR 쿨러 입구 형상을 변경하여 수치해석을 실시하였다. 네 가지 형태의 EGR 쿨러 입구 형태를 설계하였으며, 기존 모델과 출구의 온도를 비교하였다. 그 결과, EGR 쿨러의 냉각성능 향상을 위한 가장 적합한 입구형상이 shape C인 것을 확인할 수 있었다. Exhaust gas recirculation (EGR), a method for post-treatment of the exhaust gas emitted from diesel engines, involves recycling the exhaust gas generated during combustion. To increase the efficiency of EGR, it is necessary to lower the temperature of the EGR gas; a high-performance EGR cooler is required for this purpose. In this study, numerical analysis was performed by changing the shape of the EGR cooler inlet to improve the performance of the EGR cooler. Four types of EGR cooler inlets were designed, and the temperature of the outlet in each design was compared with that in the original model. Based on the results, it was confirmed that the most suitable inlet shape for improving the cooling performance of the EGR cooler was shape C.

저압방식을 적용한 대형과급기관의 배기가스에 관한 EGR 효과

오용석 한국산학기술학회 2002 한국산학기술학회논문지 Vol.3 No.1

본 연구는 기관의 성능과 배출가스의 EGR 효과에 대한 것으로 기관은 6실린더 11퍼터의 대행터보디젤기관이며 EGR 방식은 저압루트시스템을 적용하였다. EGR 작동방식은 기계식이며 터빈 출구로부터 압축기 입구로 재순환시키는 방식이다. 또한 실험은 기관회전수와 부하별로 변경시켰으며 EGR을은 4%와 8%로 고정하여 실험하였고 그 결과를 기존 기관의 성능 및 배출가스결과와 비교 분석하였다. 따라서 본 연구의 목적은 대형터보디젤기관에 폭넓은 작동범위에서 EGR에 의한 기판 및 배출가스 성능에 미치는 영향을 고찰하고자 한다. The effects of EGR on performance and emissions were investigated in this study. The engine used for the tests was a six-cylinder, 11 liter, and turbo-charged, heavy-duty diesel engine with a low pressure route EGR system. The volume of recirculated gas was controlled by a manually operated valve which was installed between the turbine outlet and compressor inlet. The experiments were performed at various engine speeds and loads while the EGR rates were set at 4% and 8%. Exhaust emissions with EGR system were compared with the baseline emissions.

배기가스 재순환에 의한 실린더 및 피스톤 마모에 미치는 영향에 관한 연구

황광성,김태규,정태상,김유영,하정호 진주산업대학교 산업과학기술연구소 2003 산업과학기술연구소보 Vol.- No.10

The effects of recirculated exhaust gas on the wear of cylinder liner, piston and piston rings have been investigated by the experiment with a two-cylinder, four cycle, indirect injection disel engine operating at 75% load and 1600 rpm spped. For the purpose of comparison between the wear rates of two cylinders with and without EGR, the recirculated exhaust gas is sucked into one of two cylinders after the soot among exhaust emissions is removed by an intentionally designed cylinder-type scrubber equipped with 6 water injectors(A water injector has 144 nozzles of 1.0 mm diameter), while only the fresh air into another cylinder. These experiments are carried out on the fuel injection at a fixed 15.3˚BTDC timing. It is found that firstly the mean wear amount of cylinder liner with EGR is more increased in the measurement positions of the second half than of the first and the mean wear amoount without EGR is almost uniform regardless of measurement positions, secondly the wear rates of the first and second piston ring(compression ring) thickness with EGR are more than twice, but the wear rate of oil ring thickness without EGR is more increased than that with EGR, and finally the wear rate of piston skirt with EGR is a little bit increased, but the piston head diameter is rather increased owing to soot adhesion and corrosion wear, and especially larger with EGR.

연소실 내 EGR 성층화가 디젤 연소 및 배출물에 미치는 영향

최승목(Seungmok Choi),박원아(Wonah Park),민경덕(Kyoungdoug Min) 한국자동차공학회 2010 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2010 No.11

배기가스재순환 (EGR) 기술은 엔진 내 산소 농도와 국부적인 화염 온도를 낮춤으로써 디젤 엔진의 연소 특성에 큰 영향을 주며, 특히 NOx의 저감에 필수적이다. 현재까지 소개된 저온연소 (LTC), 예혼합 연소(HCCI) 등의 신연소 기술에서는 주로 기존보다 높은 EGR을 사용함으로써 화염 온도 및 국부적인 공연비 제어를 통해 NOx 및 PM의 동시 저감 효과를 거두고 있다. 하지만 연소 안정성이 저해 및 CO, HC의 증가와 연료 소모율 증가 등 많은 문제점을 가지고 있다. 본 연구에서는 Part 1 논문에서 도출된 성층화 EGR 개념에 대해 연소실 내 EGR 농도의 성층화가 연소 및 배출물에 미치는 영향에 대해 실험 및 해석을 수행하였으며, 이에 의한 연소 제어 및 배출물 저감 가능성에 대해 확인해 보았다. 단기통 엔진에서 성층화 EGR을 구현하기 위해 흡기 및 EGR 유량의 정밀 제어가 가능한 흡기 공급 장치와 양쪽 흡기 포트로 서로 다른 농도의 EGR 공급이 가능한 흡기 러너를 제작하였다. 흡기 러너를 통한 다양한 EGR 공급 방법에 대해 연소 및 배출물 변화를 측정하였으며, 성층화 EGR에서 SCV 사용가능성 및 성층화 EGR과 SCV가 함께 사용 시 연소 및 배출물 변화를 측정하였다. 헬리컬 포트로 EGR 공급하며 적절한 SCV 사용 시 NOx 약 5 %, PM 약 25 %의 동시 저감을 확인하였으며, 각 EGR 공급 방법 및 SCV에 대한 결과는 CFD (Computational Fluid Dynamics) 연소 해석에서 동일 경향을 확인하였다.

Off-road 차량용 디젤엔진의 NOx 저감을 위한 EGR 시스템 적용에 관한 연구

강정호(Jeongho Kang),남대우(Daewoo-Nam),정건우(Gunwoo Jeong),조규백(Kyubak Cho),장용수(Youngsoo Jang),김문형(Munhyung Kim),박상호(Sangho Park) 한국자동차공학회 2010 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2010 No.5

In order to decrease NOx emission, the EGR system was applied on the off-road vehicle diesel engine. First of all, the primary map of EGR rate was formed by testing EGR in various engine driving conditions, and the engine performance and the NOx reduction was investigated. As the results of experiments, in the case of applying HPL EGR system on diesel engine used WGT, it is shown that the operating region of EGR is effective in low or middle load due to changing the differential pressure between turbocharger inlet and intake manifold. Increased EGR rate, NOx emission decrease according to increasing EGR rate, but THC shows the increasing tendency because of the increased fuel mass to compensate for the deteriorated power by EGR. Also, the temperature in intake and EGR system is raised highly by increasing the recirculated exhaust gas. From above results, the operating region of EGR is limited. However, NOx emission entirely decrease about 20~40% by applying EGR. So, if using the appropiate EGR rate for various engine driving condition, it is expected that NOx reduction is improved more and more.

배기가스 재순환이 비예혼합 연소시스템에 미치는 영향

유병훈(Byeonghun Yu),김진수(Jinsu Kim),이창언(Chang-Eon Lee) 한국연소학회 2014 한국연소학회지 Vol.19 No.3

We examined the characteristics of NOx emission for CH4/air non-premixed flames using the exhaust gas recirculation(EGR) methods, which are the air-induced EGR(AI-EGR) and fuel-induced EGR(FI-EGR) methods. Our experimental results show that the NOx emission index(EInox) decreased with increasing EGR ratio. In the range needed to form a stable flame, the reduction rate of EInox for the FI-EGR method was approximately 29% when the EGR ratio was 20%, and the reduction rate for the AI-EGR method was approximately 28% with 25% of the EGR ratio. According to the flame structure based on numerical results, high temperature regions for the FI-EGR method were narrower and lower than those for the AI-EGR method at the same EGR ratio. Furthermore, based on the experimental results for swirl flames, the reduction rate of EInox for the FI-EGR method was approximately 49% with 15% of the EGR ratio, while the maximum reduction rate for AI-EGR method was approximately 45% with 25% of the EGR ratio. Consequently, we verified that the FI-EGR method was more effective than the AI-EGR method in reducing NOx emission for non-premixed flames with EGR. We expect that the results of this study will provide fundamental information relating to hybrid combustion systems, which can be used in the design of combustion systems in the future.