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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 가솔린기관에 적용할 배기열 회수 장치의 시제품 성능평가를 위해 평가 장치를 구성하고, 작동조건에 따른 시제품의 성능을 평가한 후 성능이 우수한 시제품과 A사 제품의 성능 비교 평가를 통하여 배기열 회수 장장치의 향후 개선사항을 제안하고자 한다.
- 본 실험의 첫 번째는 기존의 배기 시스템(Base)과 본 연구를 위하여 설계, 제작한 시제품(배기열 회수장치)를 부착한 경우에 성능을 비교하기 위해 수행하였다. 첫 번째 실험에서는 배기가스 압력에 의해 작동하는 배기가스 제어밸브는 배기열 회수 장치의 성능을 비교하는 변수로 작용할 수 있으므로 밸브를 막고 실험을 진행 하였다.
제안 방법
- Photo 2는 배기열 회수 장치의 시험평가를 위하여 제작한 시제품-1과 시제품-2와 일본 A사 제품 사진이며, 기존 엔진에 크게 변화를 주지 않고 배기 시스템에 적용하여 성능 평가를 하였다.
- 두 번째 실험에서는 첫 번째 실험을 통하여 성능이 우수하다고 판정된 시제품-2와 시중에 시판중인 A사 제품에 대하여 성능을 비교하기 위해 수행하였다. 두 번째 실험에서는 2개의 제품에 대한 성능을 평가하기 위해 배기가스 제어밸브는 막지 않고 실험을 진행 하였다. 실험 조건은 첫 번째 실험에서와 같이 부하 0% 조건, 부하 10% 조건에서 각각 1,000rpm및 1,500rpm, 2,000rpm, 2,500rpm에서 엔진 작동 후 배기열 회수 장치에서 유입된 냉각수가 20°C에서 80°C까지 도달하는데 걸리는 시간을 측정하여 시제품-2와 A사 제품의 성능 특성을 비교 분석하였다.
- 두 번째 실험에서는 첫 번째 실험을 통하여 성능이 우수하다고 판정된 시제품-2와 시중에 시판중인 A사 제품에 대하여 성능을 비교하기 위해 수행하였다. 두 번째 실험에서는 2개의 제품에 대한 성능을 평가하기 위해 배기가스 제어밸브는 막지 않고 실험을 진행 하였다.
- 2는 시제품-1과 시제품-2와 A사 제품의 개략도를 나타낸 것으로, 시제품-1은 배기열 회수 장치의 냉각수 유로 형상과 배기가스와 냉각수의 접촉 면적에 따라 배기열 회수 장치 성능에 영향을 미치는지 파악하기 위해 설계, 제작 하였으며, 시제품-2는 시제품-1보다 배기가스와 냉각수 열교환 효율을 높이기 위해 배기가스 유로와 냉각수 유로를 독립적으로 설계, 제작한 시제품이다. 또한, 배기가스를 사용하여 배압이 높아지면 배기가스 제어밸브가 열려 배압을 조절할 수 있게 장치를 구성하였다.
- 배기열 회수 장치를 촉매 컨버터 후단에 설치하였고, 냉각수의 온도 및 유량을 제어하기 위해 냉각수 공급 장치를 사용 하였다. 배기열 회수 장치로 공급되는 배기가스 입구와 출구에 각각 온도센서와 압력센서를 장착하였으며, 배기열 회수 장치로 공급되는 냉각수 입구와 출구에도 온도센서와 압력센서를 장착하여 실험을 하였다.
- 배기열 회수 장치를 촉매 컨버터 후단에 설치하였고, 냉각수의 온도 및 유량을 제어하기 위해 냉각수 공급 장치를 사용 하였다. 배기열 회수 장치로 공급되는 배기가스 입구와 출구에 각각 온도센서와 압력센서를 장착하였으며, 배기열 회수 장치로 공급되는 냉각수 입구와 출구에도 온도센서와 압력센서를 장착하여 실험을 하였다.
- 세 번째 실험은 배압을 측정하기 위하여 수행하였으며, 기존의 배기 시스템(Base), 시제품-1, 시제품-2 및 A사 제품에 대하여 기관 회전수를 1,000rpm에서 500rpm씩 증가시켜 6,000rpm까지 배압을 측정하였다.
- 실험 조건은 부하 0% 조건, 부하 10% 조건에서 각각 1,000rpm 및 1,500 rpm, 2,000rpm, 2,500rpm에서 엔진 작동 후 배기열 회수 장치에서 유입된 냉각수가 20°C에서 80°C까지 도달하는데 걸리는 시간을 측정하여 Base, 시제품-1, 시제품-2의 성능 특성을 비교 분석하였다.
- 실험 조건은 첫 번째 실험에서와 같이 부하 0% 조건, 부하 10% 조건에서 각각 1,000rpm및 1,500rpm, 2,000rpm, 2,500rpm에서 엔진 작동 후 배기열 회수 장치에서 유입된 냉각수가 20°C에서 80°C까지 도달하는데 걸리는 시간을 측정하여 시제품-2와 A사 제품의 성능 특성을 비교 분석하였다.
- 실험에서 배기가스 제어밸브는 배기가스 메인 유로를 차단하여 배기가스와 냉각수 사이에 열교환이 이루어지게 하며, 일정한 온도로 열교환이 일어난 후 배기가스 메인 유로를 열어 열교환이 없이 배기가스가 외부로 방출하게 하였다.
- 일본 A사 제품과 비교하여 특허권 침해가 되지 않고 성능이 우수한 배기열 회수 장치를 제작하기 위한 목적으로 시제품을 설계, 제작하여 다양한 실험 조건으로 성능을 비교 분석해 본 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 실험의 첫 번째는 기존의 배기 시스템(Base)과 본 연구를 위하여 설계, 제작한 시제품(배기열 회수장치)를 부착한 경우에 성능을 비교하기 위해 수행하였다. 첫 번째 실험에서는 배기가스 압력에 의해 작동하는 배기가스 제어밸브는 배기열 회수 장치의 성능을 비교하는 변수로 작용할 수 있으므로 밸브를 막고 실험을 진행 하였다. 실험 조건은 부하 0% 조건, 부하 10% 조건에서 각각 1,000rpm 및 1,500 rpm, 2,000rpm, 2,500rpm에서 엔진 작동 후 배기열 회수 장치에서 유입된 냉각수가 20°C에서 80°C까지 도달하는데 걸리는 시간을 측정하여 Base, 시제품-1, 시제품-2의 성능 특성을 비교 분석하였다.
대상 데이터
- 배기열 회수 장치의 성능 특성 실험에 사용된 기관은 G사 1,600cc 가솔린 기관으로서 주요제원은 Table 1과 같다. 또한 사용된 엔진 동력계는 AVL사에서 제작한 것이며, Photo 1은 배기열 회수 장치 성능 평가를 위하여 시제품을 엔진 동력계에 부착한 사진을 나타낸 것이다.
성능/효과
- 1) 엔진의 회전수가 증가하고, 부하를 증가 시킬수록 배기열 회수 장치의 냉각수 출구 온도가 점진적으로 증가하는 일반적인 경향을 확인할 수 있었다.
- base는 408초가 소요 되었으며, 시제품-1은 295초, 시제품 -2는 278초가 소요 되었다. 1,500rpm 조건에서도 시제품-2의 도달 시간이 가장 짧은 것을 확인 하였다.
- 2) 시제품-1은 배기열 회수 장치 내부에 냉각수가 정체 되어 있었으나 시제품-2는 배기가스 유로와 냉각수 유로를 각각 구성하여 열교환 효율을 높였으므로 시제품-2를 장착한 배기열 회수 장치의 성능이 우수함을 알 수 있었다.
- base는 429초, 시제품-1은 318초, 시제품-2는 315초가 소요 되었다. 2,500rpm 조건에서도 시제품-2의 도달 시간이 가장 짧은 것을 확인 하였다.
- base는 429초, 시제품-1은 318초, 시제품-2는 315초가 소요 되었다. 2,500rpm 조건에서도 시제품-2의 도달 시간이 가장 짧은 것을 확인 하였다.
- 3) A-사 제품이 시제품-2보다 성능이 약간 우수하다는 것을 확인하였고, 시제품-2는 향후 배기가스제어밸브를 보완할 필요가 있다는 것을 알 수 있었다.
- 4) 배기열 회수 장치를 기관에 부착시 가능하면 배기매니폴드에 근접하여 부착할수록 성능이 우수함을 알 수 있었다.
- 14는 기존 배기 시스템(Base), 시제품-1, 시제품-2 및 A사 제품에 대하여 기관 회전수에 대한 배압 결과를 나타낸 것이다. Base와 시제품-1과 A사 제품은 기존의 배기 시스템과 동등 수준이며, 시제품-2는 기존의 배기 시스템보다 배압이 조금 상승하는 경향을 확인하였다. 그러므로 차년도 연구에서는 배압을 조절할 수 있는 배기가스 제어밸브에 대한 연구의 진행이 필요하다고 판단한다.
- 그러므로 엔진 부하 조건 0%에서는 엔진 회전수가 상승할수록 냉각수 온도 상승시간이 단축 되는 것을 확인할 수 있었다.
- 즉 A사 제품이 시제품-2보다 좀 더 빠른 시간에 냉각수를 상승 시키는 것을 확인할 수 있었다. 밸브 주위에 배기가스 누설이 요인으로 거론 되었으며 밸브의 리턴 스프링과 탄성계수의 검토가 요구됨을 확인하였다.
- 부하 0% 경우보다 부하 10% 조건에서 냉각수 온도가 빠른 시간에 80°C까지 도달하는 것을 확인할 수 있었다.
- 부하 0%- 1,000rpm의 경우 엔진에서 배출되는 배기가스 온도가 400초 구간에서 150°C로 확인 되었고, 엔진 회전수가 상승함에 따라 배기가스 온도가 증가하여 부하 0%-2,500rpm에서는 450°C까지 상승하는 것을 확인할 수 있었다.
- 엔진의 부하를 상승시켜 부하 10% 조건으로 실험하였을 경우 부하 0% 보다 배기가스 온도가 짧은 시간에 높이 상승하는 것을 확인할 수 있었다.4)
- 즉 1,000rpm 구간을 제외하고 전 구간에서 A사 제품이 시제품-2보다 빠른 시간에 냉각수를 상승 시키는 것을 확인할 수 있었다. 이는 시제품-2인 경우 부하 0%-1,000rpm 구간에서는 배압으로 작동하는 배기 플랩이 닫혀 있어 배기열 회수 장치에서 열교환이 원활하게 일어나지만, 기관 회전수가 증가하면 배기 플랩이 열려 A사의 제품보다 80°C까지 도달시간이 더 많이 소요되었다.
- 즉 A사 제품이 시제품-2보다 좀 더 빠른 시간에 냉각수를 상승 시키는 것을 확인할 수 있었다. 밸브 주위에 배기가스 누설이 요인으로 거론 되었으며 밸브의 리턴 스프링과 탄성계수의 검토가 요구됨을 확인하였다.
후속연구
- 이는 시제품-2인 경우 부하 0%-1,000rpm 구간에서는 배압으로 작동하는 배기 플랩이 닫혀 있어 배기열 회수 장치에서 열교환이 원활하게 일어나지만, 기관 회전수가 증가하면 배기 플랩이 열려 A사의 제품보다 80°C까지 도달시간이 더 많이 소요되었다. 따라서 시제품-2에 배기가스 압력을 제어하는 밸브를 보완하면 성능이 좀 더 향상될 수 있을 것으로 사료된다.5)
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