선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서 Table 1과 같은 용량의 태양광발전 방식의 과급장치를 자동차에 적용 가능한 것인지 판단하기 위해 과급 공급 여부에 따른 가속성능 및 출력성능 시험을 수행하였다. 실험에 사용된 차량은 H사의 소형승용차로 엔진의 배기량은 1,300cc이고 가솔린을 사용하는 자연흡기 방식의 차량이다.
- 이상의 이론적인 내용을 바탕으로 본 연구에서는 자연흡기방식의 승용차용 배기량 1,300cc 가솔린 엔진에 적용 가능한 태양광발전 방식의 과급장치의 각 부품별 용량과 차량 출력 성능 향상 정도를 평가하였다.
- 이에 본 연구에서는 엔진에 과급 공기를 공급할 수 있는 슈퍼과급기(supercharger) 형태로 태양광발전장치의 적용 가능성을 평가해 보았다. 일반적으로 사용되는 자동차용 과급장치는 터보과급기(turbocharger)로서, 고속ㆍ고압으로 배출되는 엔진 배기가스를 사용하여 터보과급기의 터빈을 구동하고 이와 동축으로 연결된 임펠러를 가동하여 흡기계에 고압의 공기를 과급하는 방식이다.
제안 방법
- 40W 수준의 태양광발전장치와 60Ah의 배터리, 소비전류 17A, 최고 압축압력 8kgf/cm2인 압축기와 8L의 에어탱크를 조합한 과급 장치를 1300cc 가솔린 엔진에 장착하여 섀시동력계 상에서 차량 출력 및 가속 성능을 평가하였다.
- 연구에서 사용한 자동차용 과급장치의 경우 차량 본넷 혹은 트렁크 상단에 장착할 수 있는 크기의 태양광발전장치를 사용하여야 한다. 가로, 세로 약 1m 이내의 수준이어야 차량 외부에 장착하기가 용이하므로 발전용량 40W 인 태양광발전장치를 차량의 본넷 상면에 장착하였다. 이 태양광발전장치에서 생산된 전력을 별도에 배터리에 저장하여야 하는데, 본 연구에서는 승용차에 주로 사용되는 12V, 60Ah의 배터리를 트렁크에 장착하여 사용하였다.
- 가속성능은 두 가지 시험으로 나누어 평가하였는데, 우선 가속 정도가 낮은 수준에서 섀시동력계상에서 차량의 주행속도를 5km/h에서 45km/h 까지 가속하는데 소요되는 시간을 측정하여 가속성능을 평가하였다. 가속 시 스로틀은 25% 개방 상태를 일정하게 유지하고, 과급 공급 시간은 5초 혹은 8초로 유지하면서 실험을 수행하였는데 그 실험 결과를 Table 7에 정리하였다.
- 과급이 없는 상태에서 과급을 하는 경우와 동일한 속도와 출력을 유지하기 위해서는 가속페달을 좀 더 밟아 스로틀의 개방율을 증가시켜야 하는데 그 값도 함께 측정하였다. Table 6에 측정 결과를 정리하였는데, 과급하는 경우와 동일한 출력을 내기 위해서는 저속영역에서 스로틀 개방율을 약 2% 정도 더 높여야 함을 알 수 있다.
- 즉, 일정 속도 및 스로틀 개방 조건에서 과급 공기의 공급 여부에 따른 출력 및 가속시간의 변화를 측정하였는데, 자세한 실험 조건은 Table 2와 같다. 다만 과급 공기가 공급될 때 흡기계 압력 및 연료분사시간의 변화 정도를 알기 위해 흡기계압력 및 연료분사시간 측정 실험부터 먼저 수행하였다.
- 다음으로는 스로틀을 30% 개방하여 좀 더 급한 가속의 경우 주행속도가 5km/h에서 55, 65, 75, 85km/h 까지 증가하는데 소요되는 시간을 측정해 보았다. 과급은 가속이 완료되는 시점까지 지속적으로 공급하였는데, 그 결과를 Table 8에 정리하였다.
- 의 고압 에어를 하루에 8L씩 70회 정도 공급할 수 있으므로 자동차용 과급 장치로써 가능성이 있는 것으로 판단된다. 본 연구에 사용된 태양광발전 방식의 과급시스템은 Fig. 1과 같고, 태양광발전장치의 용량, 배터리 충전용량, 압축기 소비전류량을 바탕으로 계산한 충전시간, 압축기 가동 가능 시간 등을 Table 1에 정리하였다.
- 본 연구에서는 태양광발전장치를 차량 외부에 설치하고, 생산된 전기를 별도의 배터리에 충전하여 압축기를 가동하여 고압의 공기를 에어탱크에 저장하였다가 엔진 흡기계로 공급하는 방식의 자동차 엔진용 과급 장치의 성능을 평가하였다.
- 차량의 출력성능과 가속성능은 섀시동력계를 사용하여 측정하였는데, 독일 M사의 제품으로 400마력까지 출력 측정이 가능하다. 섀시동력계에 차량을 장착하여 20～60km/h 사이의 속도에서 과급 여부에 따른 출력 변화를 측정하였고, 역시 섀시동력계상에서 스로틀 개방 정도를 일정하게 하여 5km/h에서 45, 55, 65, 75, 85km/h까지 가속하는데 소요되는 시간의 변화를 측정하여 가속성능을 평가하였다.
- 앞에서 설명한 과급 장치에서 평균 5kg/cm2의 고압 공기가 흡기계 서지탱크에 공급되는 경우 흡기압, 엔진회전수 및 연료분사시간의 변화를 측정해 보았다. 자연흡기방식 차량의 흡기압은 부압이 걸리므로 5kgf/cm2의 공기를 공급하면 흡기압이 올라가고, 차량에 원래 장착되어 있는 MAP(manifold absolute pressure)센서에서 이 값을 엔진제어모듈(ECU : engine control unit)로 알려주기 때문에 연료분사시간이 따라서 증가하여 엔진 회전수가 상승하게 된다.
- 가로, 세로 약 1m 이내의 수준이어야 차량 외부에 장착하기가 용이하므로 발전용량 40W 인 태양광발전장치를 차량의 본넷 상면에 장착하였다. 이 태양광발전장치에서 생산된 전력을 별도에 배터리에 저장하여야 하는데, 본 연구에서는 승용차에 주로 사용되는 12V, 60Ah의 배터리를 트렁크에 장착하여 사용하였다. 40W 태양광발전장치를 사용하면 한국의 경우 일일 평균 16V, 2A 수준으로 5시간 정도 발전이 가능하다7,8).
- 이렇게 저장된 고압의 공기를 엔진 흡기계의 서지탱크까지 고압호스로 연결하고 그 끝단에 솔레노이드밸브를 장착하여 원하는 시점에 밸브를 개폐하여 과급 공기를 공급/차단할 수 있도록 하였다. 솔레노이드 밸브를 개방하여 과급이 개시되면 에어탱크의 압력이 8kgf/cm2에서 저하하는데, 6kgf/cm2에서 압축기가 가동되기 때문에 에어탱크의 압력은 완전히 0으로 떨어지지는 않고 에어공급이 유지되는 기간 동안은 약 2kgf/cm2 수준으로 유지된다.
- 이에 본 연구에서는 태양광발전장치를 차량 외부에 설치하고, 이로부터 발전된 전력을 별도의 배터리에 저장한 후 이 배터리에서 공급되는 전력으로 별도의 압축기를 구동하여 고압의 공기를 에어탱크에 저장하였다가, 필요한 상황에서 엔진 흡기계로 공급하는 방식의 과급장치를 시험, 평가하였다. 태양광발전장치는 차량의 외부 표면에 장착하고, 별도의 배터리, 압축기 및 에어탱크는 트렁크에 설치하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 Table 1과 같은 용량의 태양광발전 방식의 과급장치를 자동차에 적용 가능한 것인지 판단하기 위해 과급 공급 여부에 따른 가속성능 및 출력성능 시험을 수행하였다. 실험에 사용된 차량은 H사의 소형승용차로 엔진의 배기량은 1,300cc이고 가솔린을 사용하는 자연흡기 방식의 차량이다. 차량의 출력성능과 가속성능은 섀시동력계를 사용하여 측정하였는데, 독일 M사의 제품으로 400마력까지 출력 측정이 가능하다.
성능/효과
- 1) 본 장치에 적용된 태양광발전 장치에서 배터리 완전 충전 기간은 6일, 평균압력 5kgf/cm2의 공기 8L를 10초간 70회 공급할 수 있어 운전자가 선택적으로 작동을 결정하는 방식의 자동차용 과급 장치로 적용 가능한 것으로 판단된다.
- 2) 태양광발전 방식의 과급장치는 기존의 터보과급기와는 달리 배기계를 막지 않기 때문에 배기가스 배출을 원활히 할 수 있고, 태양광을 에너지로 사용하기 때문에 전체적인 효율이 상승할 수 있을 것으로 판단된다.
- 2,500RPM 까지 시험한 결과 흡기압은 20~40% 증가하고, 연료분사량은 16~55% 정도 증가함을 알 수 있다. 엔진회전수가 낮을수록 증가율이 높으므로 주로 저속 영역에서 과급의 효과가 클 것임을 예측할 수 있다.
- 3) 과급하는 경우 주행속도 20km/h, 스로틀 15% 개방 조건에서 출력이 87% 증가하여 저속에서의 차량 출력이 크게 향상하였다.
- 4) 고속 영역으로 갈수록 과급에 의한 차량 출력의 향상 정도가 감소하여 60km/h, 스로틀 35% 개방 상태에서의 출력은 약 3% 증가하는데, 이는 압축기와 에어탱크를 사용하는 장치의 특성 상 일정 유량으로만 과급할 수 있기 때문이다.
- 5) 과급하는 경우 스로틀 25% 개방 조건으로 5→45km/h로 가속하는데 소요되는 시간이 약 50% 감소하고, 스로틀 30% 개방조건에서는 가속 시간이 10% 이하로 감소하여, 완만한 가속 영역에서 가속 성능이 크게 향상되었다.
- 이상의 출력 및 가속 성능 평가 결과로 볼 때 본 연구의 대상인 태양광발전 방식의 과급 시스템은 주로 저속 영역과 완만한 가속영역에서 효과가 있었다. 따라서 정지 후 출발과 같은 저속 주행 조건이 반복되는 상황에서 운전자가 선택적으로 작동시키는 경우 체감되는 효과가 클 수 있고, 1회에 약 10초 정도만 작동시킨다면 완전 충전 상태에서 약 70회까지 평균압력 5kgf/cm2의 고압 에어를 공급할 수 있으므로 자동차용 과급장치로써 적용 가능한 수준으로 판단된다.
- 고속영역에서는 과급 유무에 따른 출력 증가율이 미미하여 동일한 출력을 내기 위한 스로틀 개방율의 상승 정도가 작음을 알 수 있다. 본 연구에서와 같이 40W 수준의 태양광발전 방식의 과급장치를 사용하면 과급 공기의 유량이 주행 조건과 무관하고 이로 인해 저속에서 그 효과가 큰 특성을 보임을 알 수 있다.
- 과급은 가속이 완료되는 시점까지 지속적으로 공급하였는데, 그 결과를 Table 8에 정리하였다. 스로틀 25% 개방의 경우보다 가속정도가 높은 스로틀 30% 개방 가속의 경우에도 과급 공기를 공급할 때 가속 시간이 짧아져 가속 성능이 향상됨을 알 수 있다. 다만 가속 소요 시간 감소율이 10~5% 수준으로 완만한 가속인 스로틀 25% 개방의 결과보다는 낮은 수준임을 알 수 있다.
- 이상의 장치 용량의 자동차용 과급시스템을 운전자가 원하는 경우에만 과급하는 방식으로 적용하면 평균 압력 5kgf/cm2의 고압 에어를 하루에 8L씩 70회 정도 공급할 수 있으므로 자동차용 과급 장치로써 가능성이 있는 것으로 판단된다. 본 연구에 사용된 태양광발전 방식의 과급시스템은 Fig.
- 이상의 출력 및 가속 성능 평가 결과로 볼 때 본 연구의 대상인 태양광발전 방식의 과급 시스템은 주로 저속 영역과 완만한 가속영역에서 효과가 있었다. 따라서 정지 후 출발과 같은 저속 주행 조건이 반복되는 상황에서 운전자가 선택적으로 작동시키는 경우 체감되는 효과가 클 수 있고, 1회에 약 10초 정도만 작동시킨다면 완전 충전 상태에서 약 70회까지 평균압력 5kgf/cm2의 고압 에어를 공급할 수 있으므로 자동차용 과급장치로써 적용 가능한 수준으로 판단된다.
- 섀시동력계를 사용하여 과급 여부에 따른 차량 출력의 변화를 측정하였는데 그 결과는 Table 4와 같다. 저속인 20km/h(스로틀 15%) 정도에서 출력이 87% 정도 증가하고, 고속 영역으로 갈수록 과급 공급 시 출력의 증가 정도가 감소함을 알 수 있다.
후속연구
- 또한, 이러한 과급장치는 기상조건에 따라 전력 생산량이 일정치 않고, 발전량이 미약한 태양광발전장치의 단점을 보완하여 자동차에 적용할 수 있는 한 가지 가능성을 제시한다고 할 수 있다. 즉, 미약하고 불안정한 전력을 배터리에 축전하고, 이를 다시 고압의 공기로 축압 하였다가 필요한 순간에 엔진으로 고압 공기를 일시에 다량 공급하여 출력 성능을 향상시키는 형태로 적용 가능한 것이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.