Global fossil fuel cost rising problems due to oil depletion risk and instable political situation of the middle-east countries and global warming issues are a main agenda for many parts of energy-related sector. In a transportation sector, many stringent regulations about fuel economy and exhaust gas emission especially for CO2 are being enforced as well. In order to reduce CO2 emission from light duty vehicle, various technologies have been applied to gasoline and diesel engine.
In today’s gasoline engines, representative CO2 emission reduction technologies, for example, GDI (Gasoline Direct Injection), VVA (Variable Valve Actuation) are already implemented to the market and mild hybridization, and downsizing technologies are now being implemented. Especially for the downsizing, today’s gasoline engines are becoming smaller and smaller. In order to make an engine with same performance of larger displacement, smaller engines should be operated in high load conditions than larger engines. It is known that pumping loss at high load regions is smaller than that of low load regions and the friction loss of smaller engines is smaller than that of larger engines. Therefore a downsized engine shows much lower fuel consumption than an original larger displacement engine.
However, maximum power and torque reduction have been pointed out as a main disadvantage for the downsizing engines. Gasoline engine is operated in stoichiometric condition. Therefore, reduced intake air mass means reduced fuel injection quantity and it means less thermal energy is comes from the combustion in cylinder. To solve these issues, supercharging of intake air using turbocharger is always applied to downsizing engine.
Turbocharger is a kind of energy harvesting technology. Turbocharger turbine extracts exhaust gas flow energy using turbine and rotates compressor to supercharge the intake air. Main disadvantages of the turbocharging are transient response delay (turbo lag). Many researchers have shown that transient response delay can be reduced by enhancing turbocharger system itself, charge air cooling and optimization of intake and exhaust manifold design optimization.
In this study, first of all, transient response comparition between conventional Inconel turbocharger and light weight TiAl(Titanium Aluminide) turbocharger was conducted. To perform the experiment, Inline 4-cylinder 2.0 L turbocharged gasoline direct injection engine (Hyundai Theta II) was selected as a test engine. And then, to imitate transient load change condition, simple load change profiles from BMEP (Brake Mean Effective Pressure) 0.2 Mpa to BMEP 2.2 Mpa were made and applied to engine throttle by DAQ(Data Aquisition) board at engine speed 2000 rpm. Test TiAl turbocharger’s rotational inertia was 24.14 % lower than that of Inconel turbocharger. In the test results, TiAl turbocharger shows faster transient response. The main reason for faster response of TiAl turbocharger was thought that TiAl turbocharger’s faster rotational speed build up due to it’s lighter rotational inertia. And combustion phase, fuel consumption and piston gross work was analyzed to understand specific reason for TiAl turbocharger’s faster response.
Second, to enhance transient response of TiAl turbocharger, ignition timing was selected as an engine operation parameter. Ignition timing change during the transient load condition was performed by modifying ignition timing of the engine map in the ECU (Engine Control Unit). In the simple ignition timing change conditions, the ignition timing was changed +6, +3 (advance), -3, -6 (retard) by CAD (Crank Angle Degree) unit for whole regions of boosting conditions in the engine map. Test result showed simple ignition timing change strategy worsen the transient response and especially ignition timing of the maximum load condition should be maintained.
Therefore, third, ignition timing retardation test of restricted region of the engine map was conducted. Specifically, in the engine map, from the start of boosting condition to 90 % boosting condition and from the start of boosting condition to 75 % boosting condition was selected. The result showed, retarded ignition timing caused retarded combustion phase, it means piston work conversion efficiency is lowered. However, as work conversion efficiency lowered, the energy unused in cylinder work was used to rotated turbine, so transient response of the boost pressure was enhanced. Because boost pressure response enhancement leaded more fuel injection and more indicated work in cylinder, as a result, in the restricted ignition timing condition, transient response was enhanced.
화석연료의 고갈과 중동 산유국들의 정치적 불안정성으로 인한 전 세계적인 연료비용 상승문제와 지구온난화 문제들이 에너지 관련 분야들의 주요 의제로 대두되고 있다. 차량수송분야에서 역시 연료소비량과 CO2 배출과 관련된 규제가 엄격하게 시행되고 있다. 특히 승용차량에서의 CO2 배출량을 감소시키기 위해 전기점화 엔진과 압축착화 엔진에 다양한 기술들이 적용되고 있다.
현재의 전기점화 엔진의 경우, 대표적 CO2 저감 기술로써 GDI(Gasoline Direct Injection), VVA(Variable Valve Actuation) 기술들이 시장에 적용되었으며 하이브리드 기술, 엔진 다운사이징(Downsizing)기술들이 적용되고 있는 실정이다. 특히 엔진 다운사이징 기술과 관련하여, 오늘날의 전기점화엔진의 배기량이 줄어들고 있는 추세이다. 그리고 배기량이 큰 엔진과 동일한 성능을 유지하기 위해 다운사이징 엔진은 기존의 엔진에 비해 고 부하영역에서 운전되게 되었고 이에 따라 엔진의 펌핑손실 및 마찰손실 저감을 통해 연비에서의 이점이 있는 것으로 알려져 있다.
하지만 엔진의 배기량 감소에 따라 최대 출력 및 최대 토크의 감소현상이 다운사이징 엔진의 주요 문제점으로 지적되어 왔으며, 이는 이론공연비에서 운전되는 전기점화엔진의 특성상 배기량 감소에 따라 줄어든 엔진 흡기량으로 인해 실린더 내로 분사되는 연료의 량이 감소하였기 때문이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 turbocharger를 이용하여 흡기를 과급하는 기술이 널리 사용되고 있다.
터보차저란 일종의 에너지 재활용 장치로써, 엔진 배기가스로 버려지는 유동에너지를 이용하여 터빈을 회전시키고 터빈과 동일 축으로 연결된 컴프레서의 회전을 통해 흡기를 과급하는 기술이다. 흡기의 과급을 통해 작은 엔진에서 높은 출력을 낼 수 있지만 터보 랙이라고 불리는 과도운전 응답성능 저하 문제가 그 큰 단점으로 지적되어왔다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 다수의 선행 연구자들은 터보차저 자체의 응답성 개선, 과급된 흡기의 냉각, 흡기관과 배기관의 형상 최적화 등의 방향으로 연구를 진행하고 있다.
본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 먼저 기존의 Inconel 재질의 터빈 휠 터보차저와 새롭게 개발된 TiAl 재질의 터보차저의 비교를 수행하였다. 실험의 수행은 4기통 2리터 과급 직분식 전기점화 엔진에서 수행되었으며, 과도운전은 과도운전 조건을 모사하기 위해 엔진속도 2000 rpm에서 BMEP(Brake Mean Effective Pressure) 기준으로 0.2 Mpa에서 2.2 Mpa로 2초와 4초간 변화하는 부하의 프로파일을 이용하여 수행되었다. 실험 TiAl 터빈 휠 터보차저는 기존의 Inconel 터빈 휠 터보차저에 비해 회전관성이 약 24.14 % 감소한 제품을 사용하였으며, 실험 결과 TiAl 터보차저의 경우가 더욱 빠른 응답 성능을 보였다. 이러한 결과의 이유는 TiAl 터보차저의 낮은 회전관성으로 인해 과도운전 시 회전속도의 상승이 빨랐기 때문으로 생각되며, 연소상과 연료소비량, 피스톤 일량 분석을 통해 TiAl 터보차저의 빠른 응답성을 설명하였다.
두번째로, TiAl 터보차저의 응답성능을 향상시키기 위해, 점화시기를 제어변수로 하여 점화시기를 CAD(Crank Angle Degree) 기준으로 과급이 시작되는 엔진 맵상의 부하영역 전체에 대하여 +6, +3(진각), -3, -6(지각)로 변화시켜 가며 실험을 수행하였다. 실험 결과 과급영역 전체에 걸친 점화시기 진각 및 지각은 과도운전 성능을 악화시키는 결과를 초래하였으며, 그 이유는 최대 부하 영역에서의 점화시기 변화에 따른 엔진 토크 손실이 컸기 때문으로 판단되었다.
그러므로, 본 연구에서는 마지막으로 과급 영역 전체에 걸친 점화시기 변경 대신 과급이 시작되는 부하에서 최대부하의 90 %와 75 %에 해당하는 제한된 영역에 대해서면 점화시기를 지각하여 실험을 진행하였으며, 그 결과 제한된 영역에서의 점화시기의 지각을 통해 피스톤 일 전환효율은 감소하지만 터빈 전단의 가용 에너지 상승으로 인한 빠른 과급압 형성을 통해 연료의 분사량이 증가하여 전체적인 피스톤 일 량이 증가하여 과도운전 성능이 개선될 수 있음을 확인하였다.
