A Study on the Smart Cooling System of the Double Loop Coolant Structure of a Diesel Engine with Thermal Management Modeling

Abstract

오늘날 석유 자원 고갈 문제 제기로 인해 연일 국제 유가 상승 및 원유 생산에 대한 국제 분쟁까지 발생하고 있다. 또한 환경 문제 가 대두되면서 강력한 배출가스 규제를 통한 기존 내연기관의 효율 향상 요구가 증가하고 있다. 이러한 사회적 요구에 맞춰 자동차의 동력원인 내연기관에 관하여 연구가 다양하고 다각도적인 방면에서 진행되고 있다. 최근 디젤 엔진의 경우 DOC, LP-EGR 등의 다양한 최신 기술을 적용하면서 에너지 효율 개선 및 배기가스 저감에 상당한 진척을 이루었다. 엔진의 에너지 흐름을 분석하고 엔진 효율 향상 방안을 모색해 볼 수 있는 ETM (Engine Thermal Management)에 대한 관심은 근래에 들어 더욱 증가하고 있다. 기존의 다양한 엔진 제어, 신 연소 기법 등과 다른 각도에서 엔진의 효율을 관찰 및 분석하여 버려지는 에너지를 파악하여 에너지 손실을 줄이고 회수하기 위한 관심에서 ETM 연구가 진행되고 있다. ETM은 엔진에서 일로 사용되지 못하고 버려지는 열의 효과적인 관리를 연구하는 분야이다. 디젤 엔진을 사용하는 차량의 경우 배기가스, 냉각수, 윤활유 등으로 빠져나가는 열에너지는 전체 연료에너지의 60 ~ 70 % 를 차지하는 만큼 엔진의 효율을 향상시키기 위한 폐열에 관한 연구는 중요하다고 할 수 있다. 연료에너지의 20 % 이상이 냉각 시스템에 의해 손실되는 만큼 ETM 관련 연구는 주로 냉각시스템의 효율 향상에 초점이 맞춰있다. 전기적 제어를 이용한 펌프 및 밸브, 팬 등 보조기구의 정밀제어는 워밍업 시간 감소 및 2 ~ 3 % 가량의 연비 개선에 관한 연구가 진행된바 있다. 최근의 컴퓨터의 하드웨어 및 시뮬레이션 기술 발전으로 여러 모델링 툴을 연동한 ETM 연구가 소개되고 있으며 이에 기반하는 다양한 ETM 모델들의 실험적 검증은 ETM 연구의 주요 분야이다 본 연구에서는 실험에 앞서 시뮬레이션을 통해 엔진의 헤드 쪽과 블록 쪽의 냉각 유로를 분리한 이중 냉각 순환 시스템의 효과를 예측해보고자 하였다. 연구 대상 엔진의 1-D High Frequency 엔진 모델을 구성하여 엔진 전 영역을 대표하는 작동점에 대하여 엔진 성능을 확인 할 수 있는 기반을 갖추었다. 1-D High Frequency 엔진 모델에 기반한 신뢰성 높은 열 전달 모델을 사용하여 각 파트로 전달되어 손실되는 에너지 양을 예측하여 ETM 모델에서 에너지의 흐름(Energy Flow)을 분석하였다. 1-D 엔진모델과 동일한 작동점에서 온도 검증을 맞춘 ETM 모델을 사용하여 연구를 진행하였다. 본 연구의 ETM 모델은 냉각 모델뿐 아니라 윤활, 마찰, 외기, 배기와의 열 교환을 통합적으로 고려 할 수 있도록 설계 되었으며 헤드와 블록 등 중요 부분은 좀더 세분화 되어 좀 더 다양한 지점에서 온도를 예측 할 수 있다. 위에서 설명된 1-D 엔진모델 및 ETM 모델을 활용하여 헤드와 블록의 안전 운전 영역에서 최대한 효율을 높일 수 있도록 엔진 냉각시스템을 능동적으로 제어 할 수 있는 여러 장치 및 전략을 시뮬레이션 하였다. 한 개의 냉각 모터펌프(VSWP: Variable Speed Water Pump) 및 모터밸브를 사용하여 두 파트의 냉각수 유량을 독립적으로 제어 할 경우 냉시동 기간이 줄어들고 연비가 개선되는 것을 확인 할 수 있었으며, 배기의 엔탈피 역시 향상되어 터보 차저 등을 통한 페열 활용 및 폐열 회수 시스템의 활용 가능성을 크게 높여 줄 수 있음을 확인하였다.

Recently, ETM is the research field which has a focus at the effective management of the waste heat of engine. At Diesel engine, the chemical energy of fuel converted to the power for rotating crankshaft is only 30 ~ 40 %. The rest of fuel energy is transferred and emitted as a waste energy by exhaust gas, coolant, lubricant oil, etc. Thus, the ETM, which is one type of research fields to manage the heat energy of engine effectively, is much important. ETM is also related and useful for the reduction of emission gas such as NOx, HC which is dependent on the combustion temperature.

In this research, an integrated ETM model and 1-D HFEM of a Diesel engine which can replace the experiment are developed. The ETM model includes six sub-models: thermal mass model, coolant model, lubricant model, heat transfer model, friction model and intake & exhaust model. To increase reliability and accuracy of the ETM model, the validation processes for the ETM model and 1-D HFEM are fulfilled with experimental data. The target engine of ETM model is a 6 cylinder 6.0 L of Diesel engine.

This research observes the effect of the double loop coolant structure by using the validated ETM model. To improve the single loop coolant circuit, the two cases of double loop coolant circuits which adopted the separated structure for the head and block are simulated in the ETM model which includes electric device models as a concept of Smart Cooling. The ETM model predicts that these coolant structures make a benefit of fuel consumption and higher waste heat recovery possibility. In addition, the electric devices which can be controlled independently permit faster warming up the engine at cold starts by optimized active control.