대형 디젤엔진에서 냉각수 온도 제어를 통한 연비개선의 연구

Abstract

차량의 배기가스와 연비 규제가 강화되면서 엔진 냉각시스템의 개선을 통한 배기가스저감과 연비향상에 대한 관심이 증대되고 있다. 이러한 요구사항을 만족시키기 위해서는 기존의 기계식 냉각시스템으로는 부족한 점이 있다. 차량의 운전조건에 맞추어 물펌프의 유량을 제어하거나 써모스텟의 개방온도를 변화시키거나 냉각수 온도의 정밀 제어를 하기 위해 냉각팬의 제어로직을 변화시켜 제어해야 한다. 이와 더불어 냉각계를 하나의 시스템으로 간주한 총합열관리(VTMS - Vehicle Themal Management System)시스템 개발에 관심을 가져야 한다. 특히, 대형 디젤엔진 차량은 운행거리가 상당히 길고 열부하가 매우 크기 때문에 열관리 측면에서 정밀한 냉각수 온도제어를 하면 연비 향상 효과가 높다. 이에 본 연구에서는 실도로나 선행연구자에 의해 개발된 상용차 전용 연비모드에서 주행을 실시하여 냉각수 온도를 측정하여 어떤 경향이 있는지 확인 및 분석하였다. 대형 디젤엔진의 냉각수 온도 관련 부품 중에서 물펌프, 써모스텟, 마그네틱 쿨링 팬의 변경 및 개선을 도모하였다. 첫째, 엔진회전수에 비례해서 작동하는 기계식 물펌프를 전력을 공급하여 냉각수 유량을 조절할 수 있는 클러치 워터 펌프를 적용하였다. 둘째, 기존에 왁스타입 써모스텟에 전력을 공급하여 내부의 열선을 가열하여 써모스텟을 열리게 하는 전자식 써모스텟으로 변경하였다. 셋째, 마그네틱 클러치 쿨링 팬은 기존에 사용된 마그네틱 팬 클러치는 그대로 활용하지만, 냉각팬의 제어로직을 개선하였다. 각각의 냉각계부품은 엔진의 운전상태, 냉각수온도 및 외기온도 조건에 따라 제어하였다. 냉각시스템 부품변경 및 제어로직의 개선을 통해서 연비개선 효과를 정량적으로 분석하기 위해 단품시험용 다이나모미터를 이용한 선행시험과 연비모드에서 주행을 실시하였다. 차대동력계를 이용하여 연비모드 주행시험을 하고 연료유량계를 통해서 연비를 측정하여 연비개선 효과를 분석하였다.