[논문]자동차 배출가스 저감을 위한 과급기의 온도변화 해석

이종호; 김성원; 윤한기

doi:10.5574/ksoe.2013.27.1.109

자동차 배출가스 저감을 위한 과급기의 온도변화 해석
Analysis on Temperature Change of Super Changer for the Reduction of Auto Exhausts Gas 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.27 no.1 = no.110, 2013년, pp.109 - 114

이종호 (동의과학대학교 자동차과) , 김성원 (동의과학대학교 기계계열) , 윤한기 (동의대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Regulations on exhaust emissions for vehicles and ships are reinforced. Therefore, researchers are focus on developing an excellent engine that emits less environmental pollutants and leads to high gas milage. The purpose of this study is to investigate the efficiency of intake super charging system. Super charger is the special device for improving performance of intake system. Futhermore, for reducing exhaust emissions, the examine are performed on the effectiveness of device structures that tow materials for performance improvement. To fulfill the purpose, Super charger materials of aluminum alloy(AL6262) and polycarbonate were selected and then their temperature change of super charger and inhalation efficiency were analyzed by ANSYS program. In addition, it is attempted to apply these results to device development by comparing the results with the real value. As a result, there was less temperature change of super charger in aluminum materials than polycarbonate, and HC and NOx were decreased when the super charger was installed.

주제어

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 배기가스 저감을 위한 특별한 장치 중 과급기(Super charger)의 효율과 성능을 향상시키고 효율성을 조사하고자 한다. 일차적으로 과급기의 소재로 알루미늄과 복합재료의 가공성에 관한 연구를 바탕으로(Song et al.
2의 배기가스 실험장치는 설정마력, 측정토크, 측정마력, 자동차 엔진회전수, 배출가스 측정값 등을 표시하여 소요검사 시간, 모드진행 시간, 동력계 롤러의 속도를 실시간으로 표시할수 있다. 이 시험 장치에서는 40Km/h 주행 속도를 유지하는데 적합한 변속기어를 선택하여 차대 동력계 에서 주행하면서 충분히 예열한 후 검사모드를 형성하고자 하였다. 자동차 주행속 도는 40±2.
그리고 엔진 및 배출가스 상태를 점검 하고자 할 때는 반드시 배기가스의 산소 양을 고려하여 접근해야 한다. 이를 분석하여 배기가스의 산소농도와 ECU가 알고 있는 공기량(흡입공기가 시그널을 통해 인식한 양)과 실제 엔진에 흡입되는 공기량의 차이에서 많은 영향을 받기 때문에 공기량 변화에 따른 배출가스 변화를 측정하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 배기가스 저감을 위한 특별한 장치 중 과급기(Super charger)의 효율과 성능을 향상시키고 효율성을 조사하고자 한다. 일차적으로 과급기의 소재로 알루미늄과 복합재료의 가공성에 관한 연구를 바탕으로(Song et al., 2008), 알루미늄 합금(Al 6262)과 폴리카보네이트(Polycarbonate)를 선정하여 소재와 흡기온도에 따른 각 소재의 표면온도 변화와 그 결과를 실험값과 비교하여 소재의 적용 가능성을 알아보고자 한다.

제안 방법

Fig. 2에서 보는바와 같이 과급기를 가솔린 차량에 장착하여 가솔린 차량의 배출가스를 측정하였으며 운행자동차의 배출가스 정밀측정은 차대 동력계를 사용하여 차량이 실제 도로상을 주행할 때의 주행저항과 관성 등을 고려하였다. 실제 도로가 아닌 한정된 공간에서 차대 동력계의 롤러위에서 시험차량이 도로상을 실제 주행할 때와 비슷한 조건으로 운전되도록 재현하여 실시하는 방법으로 2002년 5월 20일부터 시행하고 있는 배출가스 정밀검사 방법 중 ASM2525 모드를 사용하여 HC와 NOx를 분석하였다.
그러므로 과급기를 실차에서는 산소센서를 연결한 상태인 Closed loop와 산소센서를 연결하지 않은 상태인 Open loop로구분하여 배출가스 시험을 하였다.
1은 기관의 흡기계통에 설치가 가능한 과급기로 100℃의 엔진오일을 과급기의 중심부를 통과시켜 프로펠러를 회전시켜 주는 형식이다. 내부의 공기온도는 23℃를 구속조건으로 하고 프로펠러를 장착한 경우와 프로펠러를 장착하지 않은 경우로 나누어 이 실험장치에 대한 표면온도의 변화를 조사 하였다. 그리고 엔진 및 배출가스 상태를 점검 하고자 할 때는 반드시 배기가스의 산소 양을 고려하여 접근해야 한다.
본 논문에서는 알루미늄과 폴리카보네이트의 열전달 효율을 비교하고, 흡기 과급장치인 과급기의 표면온도를 소재별로 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
2에서 보는바와 같이 과급기를 가솔린 차량에 장착하여 가솔린 차량의 배출가스를 측정하였으며 운행자동차의 배출가스 정밀측정은 차대 동력계를 사용하여 차량이 실제 도로상을 주행할 때의 주행저항과 관성 등을 고려하였다. 실제 도로가 아닌 한정된 공간에서 차대 동력계의 롤러위에서 시험차량이 도로상을 실제 주행할 때와 비슷한 조건으로 운전되도록 재현하여 실시하는 방법으로 2002년 5월 20일부터 시행하고 있는 배출가스 정밀검사 방법 중 ASM2525 모드를 사용하여 HC와 NOx를 분석하였다.
1에서 보는바와 같이 몸체, 임펠러, 엔진오일 흡입구 토출구 등으로 구성되어 있으며 Pro-engineer wildfire V4로 모델링한 것이다. 실제 조건에서 실험하기 전에 Ansys V11.를 이용하여 오일의 흐름에 따른 몸체 및 임펠러의 표면 온도변화를 해석하였다.
자동차 주행속 도는 40±2.0Km/h 정도로 10초 동안 유지하여 검사모드를 적용하였다.

대상 데이터

본 실험에서는 알루미늄 합금인 Al 6262와 합성수지 소재인 폴리카보네이트를 사용 하였으며 이 소재의 밀도와 인장강도는 Table 1에 나타낸바와 과 같다.

성능/효과

1) 폴리카보네이트 과급기의 표면 온도는 100℃의 오일이 지나가는 통로가 아닌 내부온도는 동일하였다.
2) 알루미늄 과급기의 표면온도는 1,200sec가 지나도 42.7℃로 최초 온도 보다 약 20 ℃ 높게 나타났다.
3) 과급기에 프로펠러를 장착한 경우와 그렇지 않은 경우에 폴리카보네이트와 알루미늄 과급기에서의 표면온도와 내부온도는 비슷하게 나타나 프로펠러가 온도에 미치는 영향은 거의 없었다.
4) 과급기의 프로펠러 장착 여부가 두 재료의 온도변화에는 큰 영향을 미치지 않았으나, 소재는 열전도가 우수한 알루미늄이 적합하다고 판단된다.
5) 알루미늄 과급기를 차량에 장착하고 배출가스를 분석한 결과 Loop 조건에 관계없이 과급기를 장착한 경우가 HC와 NOx가 감소하였다.
0℃에서 변화가 없었다. 따라서 열전달이 잘 되지 않는 복합소재인 폴리카보네이트보다 열전달이 쉬운 알루미늄 과급기의 온도변화가 크게 나타났음을 알 수 있다.
그러나 과급기가 있고 Close loop일 때 가 가장 낮게 나타났다. 따라서 전체적으로 보면 과급기가 있는 경우 배출가스의 오염도가 낮게 나타나므로 과급기의 설치가 배출가스의 오염도 저하에 효과가 있는 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유해가스는 주로 무엇을 말하는가?	최근 자동차 및 선박의 배출가스 규제에 대응하기 위하여 환경 오염물질의 배출이 적고 연비가 우수한 엔진의 개발과 적용에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 유해가스는 주로 CO, HC, NOx이며 그 양은 엔진의 제원이나 운전상태에 따라 변화되는데 그것에 영향을 미치는 인자의 수가 많고 상호관계도 복잡하다.
	디젤엔진에서 흡기온도에 따른 화염발화특징은 무엇인가?	가솔린 기관 이론 공연비에서 비교해 보면 CO와 HC는 흡기 온도가 높을수록 감소되며 NOx는 흡기온도가 높을수록 증가 하는 특성을 보이며(Cho, 2001) 디젤엔진에서는 흡기온도가 20 ℃일 때 보다 50℃일 때 화염발화 핵 형성시점과 화염의 확산이 좋다고 되어있다.(Kim, 2001) 그러나 흡기계통의 성능 개선에 대한 연구는 부족한 실정이다.
	알루미늄과 폴리카보네이트의 열전달 효율을 비교하고, 흡기 과급장치인 과급기의 표면온도를 소재별로 조사하여 얻은 결론은 무엇인가?	1) 폴리카보네이트 과급기의 표면 온도는 100℃의 오일이 지나가는 통로가 아닌 내부온도는 동일하였다. 2) 알루미늄 과급기의 표면온도는 1,200sec가 지나도 42.7℃로최초 온도 보다 약 20 ℃ 높게 나타났다. 3) 과급기에 프로펠러를 장착한 경우와 그렇지 않은 경우에 폴리카보네이트와 알루미늄 과급기에서의 표면온도와 내부온도는 비슷하게 나타나 프로펠러가 온도에 미치는 영향은 거의 없었다. 4) 과급기의 프로펠러 장착 여부가 두 재료의 온도변화에는 큰영향을 미치지 않았으나, 소재는 열전도가 우수한 알루미늄이 적합하다고 판단된다. 5) 알루미늄 과급기를 차량에 장착하고 배출가스를 분석한 결과 Loop 조건에 관계없이 과급기를 장착한 경우가 HC와 NOx 가 감소하였다.

참고문헌 (6)

Beard, R.A., Smith, G.J., 1971. A Method of Calculating the Heat Dis sipation from Radiator s to Cool Vehicle Engines. SAE, 710208.
Cho, G.Y., 2001. The Effect of Sction Air Temperature Change on the Performance and Exhaust Gas Characteristics of Gasoline Engine. Master Thesis, Chinju National University, 2, 21-25
Hong, Y.J., Choi, D.S., Jung ,Y.C., Kim, J.I., 2011. Heat Flow Analysis of Automobile Exhaust Heat Recovery System. Transactions of Korea Society of Automotive Engineers, 5, 73- 77.
Kim, S.H., 2001. Analysis of Combustion Characteristics by Die sel Engine. Master Thesis, Kumoh National University, pp 29-38.
Lee. W.S., Kim. K.S., Kim. T.H., Lee, D.H., 1999. A Study on the Nox Emission of the Turbulent Diffusion Flame Formed behind the After Burner. Journal of Ocean Engineering and Techanology, 13(3), 22-28.
Song, T.H., Lee, H.J., Choi, Y.B., Kim, S.J., Park, W.J., 2008. Fabrication and Wear Property Evaluation for FeCrSi/AC8A Composite by Low-pressure Infiltration. Journal of Ocean Engineering and Techanology, 22(5), 106-111.

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