Diesel Engine 국제대학교 자동차기계과 조 성 철.

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1 Diesel Engine 국제대학교 자동차기계과 조 성 철

2 CRDI – (Euro-Ⅳ D-Engine)

3 CRDI-제원비교 엔 진 D-2.0 CRDi (EURO-III) D-2.0 CRDi (EURO-IV) 외 관 배기량
엔 진 D-2.0 CRDi (EURO-III) D-2.0 CRDi (EURO-IV) 외 관 배기량 1,991cc 출 력 125PS 143PS 토 크 29.0 kgm 32.0 kgm 보어X스트로크 83 X 92 엔진 형식 직렬 4기통, SOHC 4밸브 VGT 옵션 적용 기본채택 특 징 보쉬 1세대 연료압력제어 - 출구제어방식(압력제어) - 1,350bar 보쉬 2세대 - 입,출구동시제어 - 1,600bar 스월제어밸브 흡기조절밸브 배기가스 후처리장치 (CPF)

4 CRDI-제원비교 D-2.0 CRDi (EURO-III) D-2.0 CRDi (EURO-IV) 가변 스월장치 2세대 커먼레일
에어 콘트롤 밸브 2세대 커먼레일 전자식/ 수냉식 EGR 밸브 VGT 람다 센서 CPF 산화촉매 D-2.0 CRDi (EURO-IV)

5 Pilot+Pre+Main+Post(1,2)
CRDI-엔진 주요특징 구분 Euro-III Euro-IV 배기가스 저감효과 NOx PM 연소계 분사압력 1,350 bar 1,600 bar  다단계분사 Pilot+Main Pilot+Pre+Main+Post(1,2) 연소실 현사양 분사압 변경에 따른 최적화 EGR 쿨러 미적용 적용 EGR 밸브 진공방식 전자식 구동 흡기계 터보차저 VGT VGT (Cartridge Type) Intake Swirl제어 EGR Flap 진공 ON/OFF 후처리 산화촉매 성능향상 CPF 연료 황함량 350430ppm 1050ppm 기타  센서 배기온 센서

6 배기가스규제 국가 적용년도 CO HC NOx PM(매연) 한국 98.1.1 1.5 0.25 0.62 0.08 (30%)
1.2 0.05 (20%) 0.5 0.02 0.01 0.01 (15%) (Euro-Ⅲ) 0.64 0.56 0.50 0.05 (15%) (Euro-Ⅳ) 0.30 (HC+Nox) 0.025 (10%) EU (Euro-Ⅱ) 1.0 0.90 (HC+Nox) - 0.10 (Euro-Ⅲ) 0.56 (HC+Nox) 0.05 (Euro-Ⅳ) 0.025 미국 (캘리포니아) LEV (LEV-1) 2.61 0.056 (NMOG) 0.19 ULEV (LEV-1) 1.31 0.034 (NMOG) ULEV (LEV-2) 0.04 0.006

7 Euro-Ⅳ 대응 기술 강화된 배기가스 규제 만족 → Euro-Ⅳ Nox 저감 → EGR 정밀제어 PM 저감 → CPF
가변 스월장치 에어 콘트롤 밸브 2세대 커먼레일 전자식/ 수냉식 EGR 밸브 VGT 람다 센서 CPF 산화촉매 PM 저감 → CPF

8 주요 제원 비교 구분 D - 2.0 VGT(Euro-Ⅲ) D - 2.0 VGT (Euro-Ⅳ) 배기량 1,991cc ← 출력
126마력 143마력 토크 29.5kg·m 32.0kg·m 보어×스트로크 83×92 엔진 형상

9 Euro-Ⅳ 엔진 적용차종과 종류 엔진 U-1.5 U-1.6 D-2.0 D-2.2 차종 아반테 XD 클릭, 베르나 세라토
프라이드 세라토(’06) 투싼 쏘나타, 로체 스포티지 카렌스(UN) 싼타페 (Euro-III) TG (예정) - Euro-IV만족 - CPF장착 배기량 1,493 1,582 1,991 2,182 출력 112 117 143 153 토크 24.5 21.5 32 35 CPF X  SCV VGT 전자 EGR ACV

10 주요특징 엔진 주요 특징 구 분 Euro-Ⅲ Euro-Ⅳ 연소계 분사압력 1,350bar 1,600bar 다단계 분사
Pilot + Main Pilot + Pre + Main(+ Post 1, 2) EGR 밸브 진공 방식 전자식 구동 흡기계 터보차저 VGT(옵션) VGT(기본 채택) Intake Swirl 제어 미 적용 적용 쓰로틀 Flap 진공 ON/OFF 전자식 구동(Motor) 배기 후처리장치 CPF D-2.0 VGT only 연 료 황 함량 350~500ppm 10~50ppm (30ppm)

11 주요 적용 시스템 - VGT variable geometry turbocharger
배기가스의 흐름을 이용하여 엔진으로 흡입되는 공기량을 증가시키는 터보차저의 일종 기존 터보차저의 경우 중속 이상에서의 터보차저의 효과 용량가변 터보차저의 경우 저속 부근에서도 터보차저의 효과

12 주요 적용 시스템 - VGT 흡기 변천사

13 주요 적용 시스템 – VGT효과 최고속도, 발진성, 추월가속성

14 주요 적용 시스템 - VGT VGT: Variable Geometry Turbo Charger (WGT 대체)
터빈 입구의 배기가스 통로 면적을 가변→흡입효율 증대 (터보래그 현상 제거) 가속성능, 출력, 연비 향상 배출가스(PM, Nox) 저감 드라이브 링 베인 콘트롤 엑츄에이터 베인 플레이트 레버 링

15 주요 적용 시스템 - VGT 변경 내용 베인 및 하우징 분리형에서 일체형으로 변경 Vane Drive Ring
Lever Plate Lever Mount VG Actuator New Compact Bearing Housing Ring Crank Nozzle Assy. Cartridge New Axial Direction Crank System (Sleeve-less: reduce friction) Support New Compact Turbine Housing (Flange-less) 변경 내용 베인 및 하우징 분리형에서 일체형으로 변경

16 주요 적용 시스템 - VGT 일체형 구조의 특징 고온에 의한 T/Housing 열 변형으로 부터 베인을 보호함
Stick 등의 우려가 없고 강한 내구성 확보 Vane Assembly 상태로 조립성 , 보관 등이 용이하고 오조립 등이 불가한 구조 일체형 구조의 특징

17 주요 적용 시스템 - VGT 작동 ECU에 의해서 진공 솔레노이드 밸브 구동 진공압력으로 베인 콘트롤 엑츄에이터 작동
액츄에이터 어셈블리 베인 VGT 내부의 유로 변경 넓게 좁게 베인통로 풀림 (진공:小) 5 % 고속 고부하 당김 (진공:大) 75 % 저속 저부하 컨트롤 액츄에이터 솔레노이드 밸브 듀티 엔진 상태

18 주요 적용 시스템 - VGT 저속에서 작동원리 일반 터보차저의 경우 저속구간에서 배출가스량이 적고 유속이 느려 터보 효과 없음. VGT는 저속구간에서 배출가스의 통로를 좁힘으로써 배출가스 속도를 빠르게 하여 터빈을 빠르고 힘 있게 구동시킴으로 저속에서도 일반 터보차저보다 많은 공기를 흡입

19 주요 적용 시스템 - VGT 통로좁음 작동 원리 - 저속 저부하(저유량) 조건 인렛 베인 터빈 전달에너지 증가로 과급효율 증대
베인유로좁힘 배기가스 속도 증가 통로좁음 터빈 인렛 베인

20 주요 적용 시스템 - VGT 고속에서 작동원리 기존에 좁혀주었던 벤투리관을 다시 원상태로 회복
다량으로 배출되는 배기가스가 터빈을 더욱 커진 에너지로 회전을 시켜 흡입 공기량이 더욱더 많이 공급 저속구간에서는 벤투리관을 좁혀서 유속을 증가 고속구간에서는 벤투리관을 넓혀서 배기가스를 그대로 이용 터빈 구동

21 주요 적용 시스템 - VGT 통로넓음 작동 원리 - 고속 고부하(대유량) 조건 베인유로넓힘 배기가스 유량 증가
터빈 전달에너지 증가로 과급효율 증대 인렛 베인 터빈 작동 원리 - 고속 고부하(대유량) 조건 통로넓음

22 주요 적용 시스템 - VGT VGT 구조 터빈과 콤프레서가 한 축상에 장착, 터빈측에는 배출 가스의 유속을 변화시키기 위한 가변 터빈 인넷 베인이 11개가 장착 11개의 베인을 동시에 모두 작동하게 만들어 주기 위해서 원형으로 된 유니슨 링 이 베인 뒤쪽으로 장착 터빈과 콤프레서를 감사주는 터빈 하우징과 콤프레서 하우징이 장착 터빈 하우징 쪽으로는 유니슨 링을 작동하기 위해서 베인 컨트롤 액추에이터가 장착되어 있는 구조

23 주요 적용 시스템 - VGT VGT작동 방법 유니슨 링은 시계방향 및 반 시계방향작동
유니슨 링은 베인 컨트롤 액추에이터와 기구적으로 연결 가변 터빈 인렛 베인은 유니슨 링과는 베인암을 통해 연결. 액추에이터가 작동하게 되면 11개의 베인이 작동. 11개의 베인은 터빈입구의 배기가스 통로 역할. 베인의 움직임에 따라 배기가스의 유로 면적이 변하게 되는 것인데 저속에서는 좁혀서 배기의 속도를 높이게 되어 터빈의 전달 에너지를 증대시키고 고속에서는 넓혀서 많은 배출가스로 인해 더욱더 큰 터빈의 전달 에너지를 증대 베인 컨트롤 액추에이터는 엔진 ECM에 의해 듀티제어하는 VGT 솔레노이드밸브와 진공호스로 연결되어 있어서 엔진 ECM가 운전조건에 따라 솔레노이드밸브의 듀티율을 변화시킴으로써 액추에이터의 움직임을 제어할 수 있는 구조

24 유해배출가스규제-디젤신기술 ECM 고압펌프 기존의 16bit에서 방식에서 32bit방식으로 변경
고압펌프의 최고 압력을 기존의 1350bar에서 1600bar로 상향

25 유해배출가스규제-디젤신기술 IQA 인젝터
IQA(injection quantity adaptation )가 적용된 인젝터가 적용 초기생산 신품의 인젝터를 전 부하, 부분부하, 아이들, 파일럿 분사구간 등, 전 운전영역에서 분사된 유량측정을 하여 이것을 데이터베이스화한 인젝터 생산라인에서 데이터베이스의 정보를 엔진 ECU에 저장하여 인젝터 별 분사시간 보정 및 기통간 분사량 편차를 감소시킬 수 있게 한 인젝터 인젝터 상단에 문자숫자 코드와 매트릭스 코드가 입력. 문자숫자 코드는 정비공장에서 정비용으로 사용되고, 매트릭스 코드는 생산라인에서 출하 때 사용하는 컴퓨터 인식용 바코드

26 유해배출가스규제-디젤신기술 IQA 인젝터 장점 최소 연료량 보정기능 ① 배기가스 규제 대응용이 ② 엔진 정숙성 향상
③ 최적의 연료분사량 제어가능 ④ 연료량 학습가능(최적의 운전상태) 최소 연료량 보정기능 차량의 노후화 , 인젝터의 노후화로 인하여 연소특성이 달라지면 엔진의 이상 진동 발생 배기가스의 배출량도 증가. 이와 같은 문제점을 없애기 위해 최소 연료량 학습을 실시 최소 연료량 보정기능은 ZFC(zero fuel quantity correction)이라 하며 ZFC는 인젝터마다의 무효분사시간을 엔진 ECM이 찾기 위한 것.

27 유해배출가스규제-디젤신기술 최소 연료량 보정기능
인젝터 내의 솔레노이드밸브에 일정량의 전류를 통전시켜 시키면 최종적으로 노즐을 통해 커먼레일에 저장된 고압의 연료를 연소실로 분사. 이때 인젝터의 솔레노이드밸브에 공급되는 전류시간과 기계적인 작동에 의해 열리기 시작하는 노즐의 작동시간은 차이가 발생 이 차이를 엔진 ECM에 기억하고, 이 시간이 짧거나, 길어지게 되면 실질적으로 인젝터 노즐의 열고 닫기는 시간에 변화를 주어 연소실 내부의 연소상태가 불안정하게 되어 배출가스의 발생을 증가. 이러한 문제를 해결키 위해 최소 연료량 학습을 실시. 최소 연료량 학습은 주행 중 운전자의 감속신호가 엔진 ECM으로 입력되면, 엔진 ECM은 최소연료량 보정 학습을 하기 위한 동작을 실시. 인젝터의 연료분사시간을 0μS에서 서서히 올려 엔진회전수에 변화가 있을 때, 엔진 ECM은 그 시간을 학습하여 연료량 보정 신호로 사용합니다. 참고로 ZFC는 타행 주행 시 운전자가 느끼지 못하는 범위 내에서 실시

28 디젤신기술 -듀얼압력조절장치 기존 커먼레일 엔진의 경우 연료 장치의 압력조절을 한 개의 밸브만을 두어 연료 압력을 조정.
배기가스 규제가 강화되면서 연료 압력 조절밸브를 두 개를 두어 더욱더 정밀한 연료 압력 제어를 실현. 기존 커먼레일 엔진의 압력조절 방식을 문제점을 보완 단점을 개선 고압의 입구인 고압펌프 측과 고압의 출구인 레일측을 동시에 제어 두 개의 밸브를 엔진의 상황에 따라 신속하고 정밀하게 연료압력 제어

29 디젤신기술 -듀얼압력조절장치 연료압력 조절밸브 입·출구 동시 제어 (Bosch 3세대 : Engine – IV All)
커먼레일측 조절밸브-출구 고압펌프 조절밸브-입구 기존 CRDi 엔진의 압력조절 방식을 보완, 단점 개선 펌프측(입구)과 레일측(출구) 동시 제어 엔진 영역에 따라 신속하고 정밀하게 연료압력 제어

30 듀얼압력조절장치 입구제어방식(빠른 연료압력 형성할 경우) 출구제어방식 저압펌프조절밸브 고압펌프 커먼레일
시간이 길어 초기시동시 급가속 등 빠른 연료압력 상승에 대응 불리 출구제어방식 빠른 연료압력 형성에는 유리 불필요한 에너지를 소비하는 단점 저압펌프고압펌프 커먼레일 조절밸브 연료라인 고압펌프는 엔진의 회전에 따라 항상 고압을 형성하여 커먼레일로 축척 축적된 연료압력이 높을 경우 조절밸브가 연료를 리턴시키는 방식 요구압력 대비 고압펌프의 에너지 손실이 큼.

31 듀얼압력조절장치 엔진 영역별 조절밸브 제어 특성 모든연료압력조절밸브는 DUTY가 증가하면 통로가 좁아짐
레일측 조절밸브 펌프측 조절밸브 레일측 + 펌프측 동시제어 연료량 시동 모든연료압력조절밸브는 DUTY가 증가하면 통로가 좁아짐 -출구제어 : duty 압력  -입구제어 : duty 압력  엔진회전수 -시동시 : 빠른 연료압력상승을 위해 펌프측 조절밸브를 열고 레일측 조절밸브를 닫는다. -저회전영역 : 펌프측 조절밸브가 열린상태에서 레일측 조절밸브를 제어하여 연료압력 조절 -회전수 중속 이상, 연료소량 : 펌프측 조절밸브와 레일측 조절밸브를 동시에 제어정밀제어 실현 -시동 OFF시 : 펌프측 조절밸브를 닫고 레일측 조절밸브를 열어 연료라인의 잔압 신속하게 제거 -가속시 : 목표레일 압력이 높은 가속구간의 경우 입구에서 유량을 증가시켜 압력을 상승시키므로 빠른 압력상승을 가져온다.

32 디젤 신기술- SCV(가변흡기장치) 엔진작동 중 저부하 운전상태에선 피스톤의 평균속도가 낮아 연소실로 흡입되는 공기를 빨아 당기는 힘이 적어 공기가 흡기 포트를 통과 속도도 낮아짐. 연료분사 시 연료의 혼합이 잘 이루어지지 않아 불완전한 연소가 이루어지게 되면 유해 배출가스가 다량 발생. 스월밸브를 두어 연소실에서의 강력한 와류를 형성 연료 분사시 혼합기가 충분히 뒤섞이도록 함으로서 매연이 현저하게 감소하며 EGR 영역을 증대시켜 질소 산화물 또한 많은 감소 효과

33 디젤 신기술- SCV 가변 흡기장치(SCV-Swirl Control Valve)
흡입 공기에 스월을 일으켜 저속 시 흡입효율 증대 가변 흡기장치(SCV-Swirl Control Valve) 흡기 포트를 둘로 나눠 저속 시에만 한 개의 포트를 닫음 ECU의 제어에 따라 90˚ 각도로 열림

34 디젤 신기술 - SCV 구조 포지션 센서를 통한 DC MOTOR 제어 PWM 1000Hz 흡입 공기 흡기 매니폴드
스월 제어 밸브 밸브 열린 경우 밸브 닫힌 경우 밸브 구동 모터 밸브 축 구조 포지션 센서를 통한 DC MOTOR 제어 PWM 1000Hz

35 디젤 신기술 - SCV 작동 및 효과 중·저속 저부하 영역: 밸브 닫힘(스월 증가) → 연료 공기 혼합 증가
→ 높은 EGR율 가능 → 배출가스 저감 작동 및 효과 [ 중·저부하 영역-SCV 닫힐 때 ] [ 고부하 영역-SCV 열릴 때 ] [ 흡입 공기 흐름 ] 고속 고부하 영역: 밸브 열림 → 유량계수 증대 → 출력 향상

36 CRDI-구성도

37 CRDI - D엔진 EGR

38 EGR

39

40 EGR LP –EGR DPF후단의 낮은 온도의 배기 가스가 인터쿨러까지 지나감. 더욱 낮은 온도의 EGR공급이
컴프레서 터빈 LP –EGR DPF후단의 낮은 온도의 배기 가스가 인터쿨러까지 지나감. 더욱 낮은 온도의 EGR공급이 가능 NOx저감효과 큼. 배기가스의 흐름을 터보차져 터빈회전사용. 효율증대 및 연비개선효과 ☞ 두 시스템을 동시에 사용하는 것이 더 효율적임.

41 EGR

42 CRDI-EGR Solenoid valve
ECU에서 계산된 값을 PWM 방식으로 제어됨. 각종 입력 센서 값과 흡입 공기량을 계산하여 출력됨. EGR 중지 명령 아이들시(1000rpm이하 52초 이상) 연료 압력 조정 밸브 고장시 AFS 고장시 EGR 밸브 고장시 냉각 수온이 37도이하 또는 100도 밧데리 전압이 8.99V 이하 연료량이 42㎣ 이상 이상시 분사시 시동시 15.4±9.7Ω (20도) 저항 20~95% 듀티 사이클 PWM 제어 방법 제 원 항 목

43 신기술 - EGR 정밀 제어 흡입 공기량 센서에 의한 피드백 제어뿐 아니라 에어 컨트롤밸브와 광역 산소 센서를 적용하여 연료량 제어를 통한 정밀한 EGR 제어를 실현 전자식 EGR밸브를 사용하고 있으며 수냉식 EGR 쿨러 적용되어 엔진의 출력 및 배기가스의 저감 효과를 극대화

44 신기술 - EGR 정밀 제어 EGR 피드백 핫필름 방식 센서 Bosch ECU EGR제어를 위해 배기가스 중의
AFS (흡입 공기량 센서) EGR 밸브 제어 ACV (에어 콘트롤 밸브) 제어 Bosch ECU 인젝터 (분사량 제어) Euro-Ⅳ 규제 대응 Nox 발생량을 낮추기 위해 EGR 정밀 제어 배기가스의 재순환은 흡·배기 매니폴드의 압력차를 이용해 연소실로 유입됨 EGR 피드백 O2 (광역 산소 센서) 핫필름 방식 센서 EGR제어를 위해 배기가스 중의 산소농도 검출 피드백 Nox 배출량 10-20% 추가 저감

45 신기술 - EGR 정밀 제어 E-EGR 밸브 수냉식 EGR 쿨러: 급기온 저감 및 흡입 공기량 증대 ☞ NOx 및 PM 저감 가능 전자식 EGR 밸브: 제어 편차 40% 저감 ☞ EGR 정밀제어로 배기 저감 가능 EGR 율: 흡입 공기량의 최대 40% 흡기 매니폴드로 유입되는 냉각된 배기 가스 고온의 배기 가스 EGR 쿨러 EGR 밸브

46 신기술 - EGR 정밀 제어 구성 AFS 광역산소센서 ACV 전자 EGR밸브

47 신기술 - EGR 정밀 제어 수냉식 EGR쿨러 배기가스가 흡입공기와 같이 유입. 이때 배기가스의 온도에 의해 흡입 공기의 온도가 상승. 흡입 공기의 질량에 영향을 주게 되므로 수냉식 EGR 쿨러를 적용 재순환되는 배기가스의 온도를 낮추어 흡입공기의 온도를 떨어뜨려 흡입 공기의 질량을 높임(밀도 증대)으로서 흡입공기량을 증대하는 효과. 흡기온도 저하에 따른 연소온도를 낮게 해 질소산화물(Nox) 및 유해 배출가스의 배출 저감 가능.

48 신기술 - EGR 정밀 제어 수냉식 EGR쿨러 배출가스 중 질소 산화물과 입자상 물질 그리고 매연인 스모크는 상관관계를 가지고 있는데, 매연을 줄이기 위해 연소온도를 높이면 질소산화물과 입자상 물질이 증가하고 두 물질을 줄이기 위해서 연소 온도를 낮추면 다시 매연이 증가 수냉식 EGR 쿨러를 적용하면, 전체적인 배출가스를 동시에 저감 가능. EGR 작동 시 연소실로 흡입되는 공기의 온도를 낮출 수 있어 흡입 공기의 밀도는 높아지고 흡입 공기량은 많아지게 돼 엔진 출력이 향상

49 신기술 - ACV 시동 OFF시 흡기 측으로 유입되는 공기를 막아 디젤엔진에서 발생되는 디젤링현상을 억제
질소 산화물을 줄이기 위해 설치한 EGR장치의 작동을 정밀 제어하기 위한 것으로 배기가스가 재순환될 때 에어 컨트롤 밸브를 작동시켜 흡입공기량을 제어하는 기능 흡기 매니폴드 앞부분에 설치 흡기매니폴드의 흡입공기를 막아주는 밸브, 밸브를 작동시켜주는 제어 모터부 구성

50 신기술 - ACV ACV(Air Control Valve) 배기가스 감 소 정확한 분사량 분사시기 분사압력 정밀 제어
배기가스 감 소 정확한 분사량 분사시기 분사압력 정밀 제어 산화촉매/EGR 밸브 쓰로틀 플랩 기능(공기량 제어) EGR 정밀제어를 위한 흡기 매니폴드 압력조절 기능(50%) (센서, 흡입공기량 측정센서 이용) CPF 재생 시 농후한 연료분사(배기온도 상승)를 위해 공기량 조절(흡입공기량 줄임) ACV (전자제어 Motor)

51 신기술 - ACV 작동 디젤링현상을 막기 위해서는 엔진 시동시 항시 밸브를 열림상태로 되어 있다가 엔진 시동 OFF시에는 액추에이터를 구동하여 흡입통로를 막아 연소실로 흡입되는 공기를 차단 강화된 NOx 규제에 만족하기 위하여 EGR율을 흡입공기량 전체의 50%로 제어. EGR가스의 재순환은 배기와 흡기의 압력차에 의해서 연소실로 유입. 배기측의 압력이 흡기측과 같거나 낮을 경우 목표한 양의 EGR 가스가 흡기 매니폴드로 유입되지 못함. 이 경우 ECU에서 에어 컨트롤밸브를 작동시켜 흡입 공기량을 강제로 줄여주면 배기와 흡기의 압력차가 발생. 그 압력차에 의해 EGR가스가 흡기 매니폴드로 유입. 이러한 제어를 통해 ECU에서 목표한 양의 EGR가스를 정확하게 연소실로 재 유입시켜 질소산화물을 억제하는 기능

52 신기술 - 인젝터 후분사 다중분사에 따른 연소압력과 영향 Post-1 Post-2 Pilot Pre Main Post-2
인젝션 연소압력 Pilot Pre Main Post-2 Post-1 NVH 향상 ← 토크 형성 토크/ 온도에 영향 촉매 발열온도 상승 (CPF 재생)