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문제 정의
- 따라서 본 실험은 터보차져 인터쿨러 가장착된 커먼레일 디젤기관에 장착되는 인터쿨러를 대체하기 위한 볼텍스 튜브장치를 제작하여 측정된 터보차져 부스트압력을 장치 입구부에 적용한 후 그 성능특성을 파악하여 커먼레일 디젤기관에서 인터쿨러 대체 적용 가능성을 파악하는데 그 목적을 두고 있다.
제안 방법
- 각 조건에서의 실험은 볼텍스튜브 장치에 압축 공기를 공급하고 압력을 일정하게 유지시킨 후 각 측정부의 온도가 정상상태(±0.2K)에 도달하도록 충분한 시간을 두고 즉정 하였다.
- 기관 실험용 인터쿨러 장치는 기관회 전수 4000rpm, 기관부하 100%조건에서 터보차져에 의한 과급공기의 냉각율을 60% 정도로 유지할 수 있도록 인터쿨러 장치에 수냉식 냉각장치를 장치하여 인터쿨러의 냉각성능을 유지시킨 후 실험 하였다.
- 데이터 획득은 각 부분에 장착된 열전대와 A/D 변 환장치를 통해 PC에서 처리되도록 하였다,
- 또한 측정된 유량과 실제 기관의 흡입유량과 비교하여 유량이 비슷한 지점의 赤에서의 공기냉각율 과 실제 기관에서 인터쿨러에 의한 냉각율과 비교 하도록 하였다.
- 또한, 각 조건별로 엔진에 유입되는 공기량을 확인하기 위해서 에어필터와 터보차져 사이에 핫와이어 방식의 흡입유량계(Sensyflow, 720kg/h)를 설치하여 흡입유량을 측정하도록 하였다.
- 본 실험을 위해 제작된 볼텍스튜브 장치는 선행 연구에 의하여 소형 볼텍스튜브 장치를 제작하여 최적의 기하학 형상에 따른 볼텍스 튜브의 유출유 량을 확인한 후 실제 커먼레일 디젤기관의 흡입유 량과 비교하여 최적의 냉각효율을 가지는 ye가 될 수 있도록 고려되어 제작되었다. 흡입유량이 비슷 한 ye에서의 △Tc의 냉각율은 저회전수 및 중 .
- 볼텍스튜브 장치는 입구에 공급되는 압축공기 압력에 의해 에너지 분리효율이 크게 차이가 나기 때문에 제작된 장치의 공급압력에 따른 에너지분리 효율을 확인하기 위해서 입구의 공급압력을 터보차져 부스트압력 구간과 비슷한 0.2kg/cm2~l.4kg/cm2까지 0.2kg/cm2간격으로하여 에너지 분리 특성을 확인 하도록 하였다. 또한 고온출구 부분의 면적에 따라 에너지 분리특성이 달라지기 때문에 면적을조절할 수 있도록 throttle val.
- 볼텍스튜브 장치의 에너지 분리특성을 확인하기 위해 열전대는 입구, 온기 출구 및 냉기 출구에 각각 장치하였고, 입구압력을 확인하기 위해 압력게이지를 입구부분에 장착하였다. 측정에 사용된 압력게이지와 열전대는 예비 실험을 통하여 보정한 후 사용하였다.
- 볼텍스튜브 장치의 입구 공급 압력에 따른 유량과 저온공기유량비(ye)를 확인하기 위해 볼텍스 튜 브 장치의 저온출구 부분에 장착된 유량계는 차압을 이용하여 유량을 측정하는 공기유량계를 사용하 였고, 측정된 데이터는 온도에 따른 보정 계수식를 적용하여 사용되었다.
- 실험은 기관회전수 iOOOrpm~4000rpm까지 500rpm간격으로 하고, 기관 부하는 최대 토크를 기준으로하여 25%, 50%, 75% 및 100%의 조건에서 이루어졌다.
- 인터쿨러 대체를 위한 볼텍스튜브 장치의 제작은 저온공기의 에너지 분리효율을 극대화할 수 있도록 선행연구明를 통해 볼텍스튜브 장치의 기하학적 형상을 확인한 후 제작하였다. 제작된 볼텍스튜브 장치의 상세 치수는 Table 2와 같고, Fig.
- 터보차져 인터쿨러가 장착된 커먼레일 디젤기관의 인터쿨러 대체용 볼텍스튜브 장치를 제작하여 실제 기관 적용에 앞서 제작된 장치의 성능 특성을 확인한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 터 보차져 부스트압력과 인터쿨러에 의한 과급공기의 냉각율을 측정하기 위해 인터쿨러 전.후단에 각각 압력센서와 열전대를 장착하여 각각의 압력변화와 온도변화를 측정하여 A/D변화장치 를 통해 PC 에서 처리 하도록 하였다.
대상 데이터
- 인터쿨러의 과급공기 냉각율과 터보차져 부스트 압력을 확인하기 위해 사용된 기관은 터보차져 인 터쿨러가 장착된 소형 4기통 커먼레일 디젤기관으로서 주요제원은 Table 1 과 같다.
성능/효과
- 1) 볼텍스 튜브 장치의 에너지 분리특성은 입구 공 급압력에 따라 증가되었고, 냉각율은 * =0.5~0.7 일 경우와 ATh의 상승률은 yc = 0.7~0.9 구간에서 각각 최 대로 나타났다.
- 2) 실제 디젤기관의 흡입공기량과 비슷한 볼텍스튜브 장치의 저온줄구 유줄유량은 모든 터보차 져 부스트압력 구간에서 볼텍스 튜브의 스로틀 밸브조절에 의해 제어됨을 확인할수가있었다.
- 3) 인터쿨러에 의한 흡입공기 냉각율보다 저회전수 및 중 . 저부하 영역의 터보차져 부스트압력 구간에서 볼텍스튜브 장치에 의한 압축공기 냉각율이 더 높게 나타남을 알 수가 있었다
- 저부하 영역에서는실제 엔진실험에서 얻어진 흡입공기 냉각율보다 냉각율이 더 높게 나타나는 것을 확인할 수가 있었다. 그러나 고회 전수 및 고부하영역의 터보차져 부스트압력 조건에서는 기관에서 요구되 어지는 흡입유량이 증가되기 때문에 에너지 분리효 율이 최대인 yc보다 실제 ye가 증가하여 에너지 분리 효율은 저하되었으나, 인터쿨러의 공기 냉각율과 비슷해짐을 확인할 수 있었다.
- 흡입유량이 비슷 한 ye에서의 △Tc의 냉각율은 저회전수 및 중 . 저부하 영역에서는실제 엔진실험에서 얻어진 흡입공기 냉각율보다 냉각율이 더 높게 나타나는 것을 확인할 수가 있었다. 그러나 고회 전수 및 고부하영역의 터보차져 부스트압력 조건에서는 기관에서 요구되 어지는 흡입유량이 증가되기 때문에 에너지 분리효 율이 최대인 yc보다 실제 ye가 증가하여 에너지 분리 효율은 저하되었으나, 인터쿨러의 공기 냉각율과 비슷해짐을 확인할 수 있었다.
- 3) 인터쿨러에 의한 흡입공기 냉각율보다 저회전수 및 중 . 저부하 영역의 터보차져 부스트압력 구간에서 볼텍스튜브 장치에 의한 압축공기 냉각율이 더 높게 나타남을 알 수가 있었다
후속연구
- 만약, 고회전수 및 고부하영역의 터보차져 부스 트압력 조건에서 실제 인터쿨러의 냉각율보다높은 냉각효과를 기대하기 위해 볼텍스 튜브의 에너지분리효율이 악화되지 않는 설계범위에서 볼텍스 튜 브 장치 내 노즐의 면적을 증가시킨다면, 저 회전수 및 저 부하영역 의 터보차져 부스트압력 조건에서 오히려 냉각효과는 악화될 수 있을 것이다. 따라서 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 볼텍스튜브 장치 내 노즐의 면적을 입구 공급압력에 따라 가변할 수 있는 장치를 고안한다면 보다 더 높은 에너지 분리 효율과 냉각율을 얻을 수 있을 것이라 생각된다.
- 이런 특성 들을 가지는 볼텍스 튜브장치를 터보차 져에 의해 과급된 고온의 압축공기 냉각에 적용하 게 되면 주위환경에 공기냉각효과가 영향을 받지 않으며, 기관의 저회전수 및 저부하 조건에서도 높은 공기 냉각효과를 기대 할 수 있을 것이다.
- 상기 특성들로 볼 때 본 실험 장치는 저온공기유 량비의 조절에 의해 고회전수 및 고부하 영역의 터 보차져 부스트압력 조건에서 보다 저 회전수 및 중 . 저부하 영역의 터보차져 부스트압력조건에서 압축 공기냉각율이 더 크게 나타나는 만큼 차후 실제 커먼레일 디젤기관에 적용 실험 시 저회전수 및 저부하 영역에서 더 큰 효과를 기대할 수 있을 것이다.
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