The continued rise in the number of automobiles on the roads is prompting air pollution to emerge as a serious problem due to the harmful exhaust gas emissions throughout the world. Specifically, based on the exhaust gas regulation in North America represented by PZEV, the regulation on evaporative ...
The continued rise in the number of automobiles on the roads is prompting air pollution to emerge as a serious problem due to the harmful exhaust gas emissions throughout the world. Specifically, based on the exhaust gas regulation in North America represented by PZEV, the regulation on evaporative emission, which originates from the intake manifold system when the engine is stopped, is substantially being intensified. And the technology that can meet and satisfy these regulations has been needed. This study aimed to analyze and evaluate the butane working capacity (BWC) of HC adsorption filter according to the shape of it, which was developed to reduce evaporative emission, and the effect of HC adsorption filter on the engine performance. As a results, HC adsorption filter of the plate type, which was improved compared to that of the corrugated type and also became thinner, indicates higher absorption performance compared to the corrugated one. The absorption performance of the honeycomb type, derived from improving the shape of plate type, is 33.5% higher than that of the corrugated type. However, there was no significant difference in engine performance in all shapes.
The continued rise in the number of automobiles on the roads is prompting air pollution to emerge as a serious problem due to the harmful exhaust gas emissions throughout the world. Specifically, based on the exhaust gas regulation in North America represented by PZEV, the regulation on evaporative emission, which originates from the intake manifold system when the engine is stopped, is substantially being intensified. And the technology that can meet and satisfy these regulations has been needed. This study aimed to analyze and evaluate the butane working capacity (BWC) of HC adsorption filter according to the shape of it, which was developed to reduce evaporative emission, and the effect of HC adsorption filter on the engine performance. As a results, HC adsorption filter of the plate type, which was improved compared to that of the corrugated type and also became thinner, indicates higher absorption performance compared to the corrugated one. The absorption performance of the honeycomb type, derived from improving the shape of plate type, is 33.5% higher than that of the corrugated type. However, there was no significant difference in engine performance in all shapes.
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문제 정의
본 연구는 지식경제부가 지원하는 핵심기반기술개발사업의 일환으로 수행되었다. 도움을 주신 관계자 여러분께 감사하는 바이다.
본 연구는 지식경제부가 지원하는 핵심기반기술개발사업의 일환으로 수행되었다. 도움을 주신 관계자 여러분께 감사하는 바이다.
본 연구에서는 PZEV 규제 대응 흡기계 증발가스 저감을 위해 개발된 HC 흡착필터의 형상 변경을 통한 흡착 성능 및 흡착필터의 장착이 엔진 출력에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 증발가스 저감을 위해 개발된 HC 흡착필터를 에어크리너 필터 위에 덧붙이는 방식을 채택하여 HC 흡착필터 형상 변경을 통한 흡착성능 및 HC 흡착필터 장착이 엔진 출력에 미치는 영향을 분석하였다.
제안 방법
BWC 성능 평가는 HC 흡착필터의 흡착 성능시험을 위하여 BWC 성능 평가 방법으로 개발된 ASTM D5228-92(2000) 규격을 토대로 흡기시스템에 맞게 수정 보완해서 적용하였다.7)
Fig. 7은 주름진 형의 HC 흡착필터를 대상으로 흡착 공급 유량에 대한 BWC 성능 평가에 대한 결과이며 공급유량을 부탄 50%, 질소 50% 비율로 혼합하여 88 ㎖/min, 176 ㎖/min, 300 ㎖/min, 500 ㎖/min로 변화시키면서 평가를 하였다. 흡착 공급유량 증가로 인하여 활성탄 고유의 수명이 단축되어 흡착 성능 감소 및 시험 시간이 단축되는 결과를나타냈다.
HC 흡착필터 장착 에어크리너 단품을 대상으로 흡착필터 전, 후단의 차압을 측정하는 동시에 HC 흡착필터 장착이 엔진 출력에 미치는 영향을 평가하기 위하여 3.3L 가솔린 엔진을 대상으로 3종류의 HC 흡착필터 장착 전, 후의 엔진의 파워 및 출력에 대한 동력성능 영향도 평가를 수행하였다. 엔진 동력성능 영향도 평가는 자동차 기관출력 실험방법 (KS R 0071)을 토대로 실험에 앞서 권장된 엔진 길들이기 운전을 실시하였고, 엔진 회전수 2,000 rpm~5,000 rpm까지 단계적으로 상승시키며 안정화된 상태에서 각각의 회전수당 엔진 성능평가 요소들을 측정한 후 기록하였다.
BWC 시험 방법은 HC 가스와 유사한 특성을 가진 부탄이 활성탄에 어느 정도 흡착되는지를 평가하는 기준으로 BWC 성능은 HC 흡착필터의 흡착 및 탈착 반복성능으로 판단된다. 에어크리너 어셈블리에 장착된 주름진 형, 판 형, 벌집 형의 HC 흡착필터에 부탄과 질소를 혼합하여 공급한 후 흡착 및 탈착을 반복하여 혼합가스 공급 전, 후의 중량 차이를 측정하여 흡착 성능을 평가 하였다.
흡착필터 형상이 다른 3 종류의 주름진 형, 판 형, 벌집 형의 HC 흡착필터에 대한 BWC 성능 평가 결과를 각 Cycle 별로 정리하여 Fig. 8에 나타내었으며 시험 시간은 약 15시간으로 HC 흡착필터의 흡착 및 탈착량을 측정하였다. 주름진 형의 HC 흡착필터는 Cycle #1에서 가장 높은 약 21.
이론/모형
1) HC 흡착필터의 흡탈착 성능 시험을 하기 위하여 BWC 시험 규격인 ASTM D5228-92(2000) 시험방법을 토대로 시험조건 및 시험 방법을 재정립하였다.
3L 가솔린 엔진을 대상으로 3종류의 HC 흡착필터 장착 전, 후의 엔진의 파워 및 출력에 대한 동력성능 영향도 평가를 수행하였다. 엔진 동력성능 영향도 평가는 자동차 기관출력 실험방법 (KS R 0071)을 토대로 실험에 앞서 권장된 엔진 길들이기 운전을 실시하였고, 엔진 회전수 2,000 rpm~5,000 rpm까지 단계적으로 상승시키며 안정화된 상태에서 각각의 회전수당 엔진 성능평가 요소들을 측정한 후 기록하였다.
성능/효과
2) 흡착필터 형상이 다른 총 3종류의 HC 흡착필터를 대상으로 흡착 성능 시험 결과 중 평균 흡착량은 주름진 형이 19.8 g, 판 형이 21.5 g, 벌집 형의 HC 흡착필터가 26.4 g의 흡착 성능을 나타냈다. HC 흡착필터 중 초기 모델인 주름진 형에 비해 개선된 판 형은 두께를 크게 감소시켰음에도 불구하고 조밀한 구조로 제작함으로써 흡착 성능은 동등 이상의결과가 나왔다.
3) 공기 유량에 따른 HC 흡착필터 전, 후의 차압을측정하였으며 측정 결과 흡착필터 중 흡착성능을 높이기 위하여 좀 더 조밀한 구조를 가진 판 형태의 차압이 가장 크게 발생하였으며 주름진 형태 와 벌집 형태의 HC 흡착필터는 동등한 결과를 나타냈다.
4) HC 흡착필터 장착이 엔진 출력에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 3.3L 가솔린엔진을 대상으로 흡착필터 장착 전, 후의 엔진 동력성능영향도 평가를 하였으며, 그 결과 HC 흡착필터 장착으로 인한 흡기 저항이 엔진 출력에 미치는 영향은 극히 적은 것으로 나타났다.
5 g으로 나타났다. 벌집 형의 HC 흡착필터에서 전 Cycle 를 비교 했을 시 Cycle #1에서 약 48.0 g의 높은 흡착 성능을 보였으며 평균 흡착량은 26.4 g으로 나타났다. HC 흡착필터 중 초기 모델인 주름진 형에 비해 개선된 판 형의 HC 흡착필터는 두께를 크게 감소시켰음에도 불구하고 조밀한 구조로 제작함으로써 흡착 성능은 동등 이상의 결과가 나왔다.
HC 흡착필터 중 초기 모델인 주름진 형에 비해 개선된 판 형의 HC 흡착필터는 두께를 크게 감소시켰음에도 불구하고 조밀한 구조로 제작함으로써 흡착 성능은 동등 이상의 결과가 나왔다. 벌집형의 HC흡착필터의 흡착 성능이 가장 높게 나왔는데, 이는 흡착필터 형상을 벌집 모양으로 개선함과 동시에 나노크기 및 기공구조로 설계한 분말을 활성탄의 원료로 이용하여 마이크로 크기로 성장시킨 구형의 복합물인 나노 탄소복합체를 사용함으로 인하여 증발가스의 흡착성능이 높아진 것으로 나타났다.
HC 흡착필터 중 초기 모델인 주름진 형에 비해 개선된 판 형의 HC 흡착필터는 두께를 크게 감소시켰음에도 불구하고 조밀한 구조로 제작함으로써 흡착 성능은 동등 이상의 결과가 나왔다. 벌집형의 HC흡착필터의 흡착 성능이 가장 높게 나왔는데, 이는 흡착필터 형상을 벌집 모양으로 개선함과 동시에 나노크기 및 기공구조로 설계한 분말을 활성탄의 원료로 이용하여 마이크로 크기로 성장시킨 구형의 복합물인 나노 탄소복합체를 사용함으로 인하여 증발가스의 흡착성능이 높아진 것으로 나타났다.
11은 HC 흡착필터 장착 시 흡기저항으로 인한 엔진출력 저하를 알아 보기위해 HC 흡착필터 장착 전, 후의 엔진 토크 및 파워를 측정한 결과이다. 최대 토크는 엔진회전수 약 4,000 rpm에서 340 N-m 로 측정되었으며 HC 흡착필터 장착 전, 후의 시험결과와 비교해 보았을 시 엔진 파워와 토크 특성은 동일한 경향을 보이며 측정된 것으로 보아 HC 흡착필터장착이 엔진 출력에 미치는 영향은 거의 없다고 판단할 수 있다.
이는 흡착필터에 붙어 있는 활성탄의 초기 성능은 우수하나 흡, 탈착 반복시험으로 인하여 탈착 단계 시 활성탄에 흡착된 증발가스가 완전 탈착이 되지 않아 Cycle #2~cycle #5의 흡착성능이 초기 흡착성능보다 감소하는 결과로 나타났다. 판 형의 HC 흡착필터는 주름진 형과 마찬가지로 Cycle #1에서 가장 높은 약 24.0 g의 흡착 성능을 보였으며, 평균 흡착 량은 약 21.5 g으로 나타났다. 벌집 형의 HC 흡착필터에서 전 Cycle 를 비교 했을 시 Cycle #1에서 약 48.
7은 주름진 형의 HC 흡착필터를 대상으로 흡착 공급 유량에 대한 BWC 성능 평가에 대한 결과이며 공급유량을 부탄 50%, 질소 50% 비율로 혼합하여 88 ㎖/min, 176 ㎖/min, 300 ㎖/min, 500 ㎖/min로 변화시키면서 평가를 하였다. 흡착 공급유량 증가로 인하여 활성탄 고유의 수명이 단축되어 흡착 성능 감소 및 시험 시간이 단축되는 결과를나타냈다. 공급유량 88 ㎖/min와 176 ㎖/min의 흡착 량은 비슷한 결과가 나왔으나 시험시간을 고려할때 176 ㎖/min을 공급유량으로 선정하기에 적합하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PZEV 규제 대응 흡기계 증발가스 저감을 위해 개발된 HC 흡착필터의 형상 변경을 통한 흡착 성능 및 흡착필터의 장착이 엔진 출력에 미치는 영향을 분석한 결과는?
1) HC 흡착필터의 흡탈착 성능 시험을 하기 위하여 BWC 시험 규격인 ASTM D5228-92(2000) 시험방법을 토대로 시험조건 및 시험 방법을 재정립하였다.
2) 흡착필터 형상이 다른 총 3종류의 HC 흡착필터를 대상으로 흡착 성능 시험 결과 중 평균 흡착량은 주름진 형이 19.8 g, 판 형이 21.5 g, 벌집 형의 HC 흡착필터가 26.4 g의 흡착 성능을 나타냈다. HC 흡착필터 중 초기 모델인 주름진 형에 비해 개선된 판 형은 두께를 크게 감소시켰음에도 불구하고 조밀한 구조로 제작함으로써 흡착 성능은 동등 이상의결과가 나왔다. 벌집형의 HC흡착 필터의 흡착 성능이 가장 높게 나왔는데, 이는 흡착필터 형상을 벌집 모양으로 개선함과 동시에 나노크기 및 기공구조로 설계한 분말을 활성탄의 원료로 이용하여 마이크로 크기로 성장시킨 구형의 복합물인 나노 탄소복합체를 사용함으로 인하여 증발가스의 흡착성능이 높아진 것으로 나타났다.
3) 공기 유량에 따른 HC 흡착필터 전, 후의 차압을측정하였으며 측정 결과 흡착필터 중 흡착성능을 높이기 위하여 좀 더 조밀한 구조를 가진 판 형태의 차압이 가장 크게 발생하였으며 주름진 형태 와 벌집 형태의 HC 흡착필터는 동등한 결과를 나타냈다.
4) HC 흡착필터 장착이 엔진 출력에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 3.3L 가솔린엔진을 대상으로 흡착필터 장착 전, 후의 엔진 동력성능영향도 평가를 하였으며, 그 결과 HC 흡착필터 장착으로 인한 흡기 저항이 엔진 출력에 미치는 영향은 극히 적은 것으로 나타났다.
개발된 HC 흡착필터의 단점은?
3L 엔진의 에어크리너 어셈블리에 장착 할 수 있도록 간단한 구조로 제작되었다. 개발된 HC 흡착필터는 효과적으로 증발가스를 흡착시킬 수 있는 반면에 흡기저항을 유발하는 단점을 가지고 있다. HC 흡착필터 형상에 따라 주름진 형(Corrugated Type), 판 형(Plate Type), 벌집 형(Honeycomb Type)으로 나뉘며 HC 흡착필터 사양을 Table 1에 나타내었다.
HC 흡착필터는 어떻게 구분되나?
1에 나타내었다. HC 흡착필터는 흡착 작용을 하는 기본 물질에 따라 활성탄소계와 Zeolite계로 구분하며 활성탄소계는 활성탄을 필터에 도포 하거나 활성 탄소섬유를 직접 사용하기도 한다.1)
참고문헌 (7)
S. H. Han, H. Y. Kim, E. S. Kim and S. W. Yang, 'Development of a Evaporative Emission Reduction Device in the Air Intake System,' Spring Conference Proceedings, KSAE, pp.118-123, 2006
K. Maeda, K. Oda, M. Honda, S. Kiyomiya, T. Nishimoto, T. Ooi, Y. Mochizuki, N. Kato and M. Takeyama, 'Development of a Hydrocarbon Adsorption Filter,' SAE 2003-01-0565, 2003
H. Itakura, T. Kato, N. Kato and T. Nishimoto, 'Analysis of the HC Behavior in the Air Intake System While Vehicle is Parked,' SAE 2004-01-0141, 2004
H. Itakura, N. Kato and T. Kohama, 'Studies on Carbon Canisters to Satisfy LEVII EVAP Regulations,' SAE 2000-01-0895, 2000
J. Lebowitz, J. Lovette, C. Chan and D. Frich, 'Activated Carbon Coated Polymeric Foam for Hydrocarbon Vapor Adsorption,' SAE 2005-01-1103, 2005
G.H. Choi, K.S. Cho, Y.J. Chung, J.M. Kim, R.W. Dibble and S.B. Han, 'Activated Carbon Canister Performance for a Spark Ignition Engine,' Int. J. Automotive Technology, Vol.7, No.1, pp.9-15, 2006
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