[논문]자동차 연소실 효율 향상을 위한 와류장치 연구

최해규; 국정한; 유중학; 김세환; 김기선; 조재웅

doi:10.5762/kais.2011.12.7.2945

자동차 연소실 효율 향상을 위한 와류장치 연구
Study on Vortex Apparatus for Efficiency Improvement of Combustion Chamber of Automobile 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.12 no.7, 2011년, pp.2945 - 2950

최해규 (공주대학교 대학원 기계공학과) , 국정한 (한국기술교육대학교 기계정보공학부) , 유중학 (한국기술교육대학교 메카트로닉스공학부) , 김세환 (공주대학교 기계자동차공학부) , 김기선 (공주대학교 기계자동차공학부) , 조재웅 (공주대학교 기계자동차공학부)

초록
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자동차의 연비개선을 위한 대책으로 연소 효율 증대를 위해서 흡입라인에 연소실의 와류를 형성시켜주는 장치를 모델링하였다. 와류발생장치가 장착되지 않은 것과 와류발생장치의 형태가 다른 모델들을 각각 장착하여 유동해석을 실시한다. 와류발생장치는 공기의 연소실 흡입 전에 설치되어 와류발생장치의 날개에 의해 흡입공기를 휘감으며 와류를 발생시키게 된다. 본 연구에서는 와류발생장치를 사용함으로써 흡입 공기의 유동과 흡입행정의 압력분포를 해석하여 와류발생장치의 효과를 조사할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the step to improve fuel efficiency, there is the system to build up the eddy of combustion chamber at the suction line in order to increase the combustion efficiency. The models installed with no vortex generation system or with various shapes of the system are examined by fluid analysis. Vortex generation system is installed prior to the suction of combustion chamber. The wing of this system winds itself around the suction air and generates the vortex. This study investigates the flow of suction air and the pressure distribution of suction stroke by using the eddy generation system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 연소 효율의 증대를 위해서 흡기의 효율을 높여 주는 장치에 대하여 다루고자 한다. 이 장치는 자동차의 흡입 행정 시 흡입공기를 날개에 의해 와류를 더 형성되도록 하는 장치이다.
또한 연소실의 와류는 화염의 전파속도를 높이는데 유용하여, 엔진의 출력 향상 및 연소 효율을 높여줄 수 있다. 본 연구에서는 와류발생 장치가 장착되었을 때 와류발생장치 앞쪽에서 부터 실린더 안쪽까지의 공기유동을 해석하여, 와류발생장치가 장착되지 않았을 때의 유동해석 결과와 비교를 하였다. 와류발생장치 및 3D모델은 CATIA CFX프로그램을 사용하였으며 ANSYS사의 전산유체역학(CFD)을 이용하여 해석을 진행하였다[7-8].

제안 방법

유한요소 모델은 4면체의 요소로 이루어져 있으며, 총 40992개의 삼각형들로 이루어져 있다. 그리고 본 연구에서는 유체의 흐름상 와류장치의 효과에 대한 해석을 시행하는 것이기 때문에 기체가 와류장치와 밸브를 통과하여 실린더로 이동되는 루트만을 해석하도록 한다. 그림 6과 같이 공기는 흡입매니폴드 쪽에서 유입이 되며, 피스톤이 있는 방향으로 배출이 되도록 설정한다.

대상 데이터

본 연구에서는 와류장치를 3개의 형상으로 model을 생성하였다. 그림 1은 CATIA 프로그램을 이용하여 와류발생장치를 3D Model로 만든 그림이다.

이론/모형

본 연구에서는 와류발생 장치가 장착되었을 때 와류발생장치 앞쪽에서 부터 실린더 안쪽까지의 공기유동을 해석하여, 와류발생장치가 장착되지 않았을 때의 유동해석 결과와 비교를 하였다. 와류발생장치 및 3D모델은 CATIA CFX프로그램을 사용하였으며 ANSYS사의 전산유체역학(CFD)을 이용하여 해석을 진행하였다[7-8].

성능/효과

1. 와류장치를 장착하지 않은 Model에 비하여 와류장치가 장착된 Model에서 와류가 더 형성되고 유속이 더 빠르게 나타났다.
2. 와류장치를 장착하지 않은 Model에 비하여 와류장치가 장착된 Model에서 압력이 골고루 분포되어 있는 것과 최대 압력의 값이 낮게 나타난 것을 확인하였다.
3. 와류발생장치의 형상을 통하여 연소 효율의 증대를 위해서 흡기의 효율을 높여 중 수 있다고 사료된다.
표에서 볼 수 있는 바와 같이 와류발생장치를 장착하지 않은 경우(Model 1)의 결과 값에 비하여 다른 Model들에서 더 좋은 수치를 나타낸 것을 확인 할 수 있었고, Model 4에서 가장 좋은 결과를 나타낸 것을 알 수 있었다.
해석 결과를 보면 와류장치가 장착되지 않은 모델에 비하여 와류장치가 장착되어 있는 모델에서 압력이 고루 분포되어 있는 것을 확인 할 수 있다. 표 1은 위의 세 가지 해석 결과에서 최대값을 나타낸 것이다.

후속연구

따라서 지구 온난화 방지와 연료비의 절약을 위해서 자동차의 연비 향상은 중요한 과제라고 할 수 있다. 자동차엔진의 연비개선을 위한 방법에는 엔진을 소형화 하거나, 터보차저의 사용, 동력전달효율 향상(토크 컨버터 슬립억제), 마찰손실 저감, 가솔린 직접 분사 등의 수많은 연구가 진행되어 현재 사용하고 있으며, 앞으로도 이와 같은 연구는 계속 되어 더욱 뛰어난 연료비의 절감대책이 이루어질 것이다. 연료비 절감대책 중에서도 빼놓을 수 없는 것이 바로 연소효율의 증대이다[6].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ANSYS을 이용한 연소실로 흡입되는 공기의 유동해석의 결과는 어떠한가?	1. 와류장치를 장착하지 않은 Model에 비하여 와류장치가 장착된 Model에서 와류가 더 형성되고 유속이 더 빠르게 나타났다. 2. 와류장치를 장착하지 않은 Model에 비하여 와류장치가 장착된 Model에서 압력이 골고루 분포되어 있는 것과 최대 압력의 값이 낮게 나타난 것을 확인하였다. 3. 와류발생장치의 형상을 통하여 연소 효율의 증대를 위해서 흡기의 효율을 높여 중 수 있다고 사료된다.
	자동차 엔진의 연비개선을 위한 방법에 관한 연구에는 어떠한 것들이 있는가?	따라서 지구 온난화 방지와 연료비의 절약을 위해서 자동차의 연비 향상은 중요한 과제라고 할 수 있다. 자동차엔진의 연비개선을 위한 방법에는 엔진을 소형화 하거나, 터보차저의 사용, 동력전달효율 향상(토크 컨버터 슬립억제), 마찰손실 저감, 가솔린 직접 분사 등의 수많은 연구가 진행되어 현재 사용하고 있으며, 앞으로도 이와 같은 연구는 계속 되어 더욱 뛰어난 연료비의 절감대책이 이루어질 것이다. 연료비 절감대책 중에서도 빼놓을 수 없는 것이 바로 연소효율의 증대이다[6].
	지구 온난화에 대한 자동차의 기여 중 일본의 상황은 어떠한가?	허나 자동차 교통량이 많은 대도시 등에서는 대기오염이 심한 장소가 여전히 많이 존재하고 있다. 지구 온난화에 대한 자동차의 기여를 보면, 일본의 경우 CO2 방출량의 약 18%가 자동차로부터 배출되고 있고, 매년 증가의 경향을 보이고 있다[3-5].

참고문헌 (8)

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Kim, M. C., Lee, J. J., Lee, G. W., Kim J. W., and Shon, B. H., "A Numerical Calculation for Optimun Operation of Cyclone-Based Combustion System", Journal of the Korea Academia- Industrial Cooperation Society, Vol. 12, No. 2, pp. 1005-1012, February, 2008.
Swanson, J., 2009, ANSYS CFX 12.0, ANSYS Inc., U.S.A.

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