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문제 정의
- 이번 연구에서는 상변환 물질이 들어 있는 HA를 엔진 냉각 시스템에 적용하여 냉각 성능을 향상시키기 위한 연구를 수행하였다. 서로 다른 3가지 냉각 시스템의 냉각 성능을 평가하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
- 또한, 실 엔진 시스템에서 냉각수의 최고 온도는 본 연구를 수행하기 위한 적정온도와 차이가 있으며, 엔진의 연소 조건에 따른 연소실의 열 발생량을 정밀하게 조절할 수 없으므로 Photo. 2과 같이 엔진 연소실 안에 Piston 대신 전기히터를 이용한 Heat piston을 장착하여, 엔진 연소 시열발생과 유사한 특성을 구현하였다. Heat piston은 열전달율이 높은 알루미늄으로 제작 되었으며, 각각의 Heat piston에는 600 W용량의 Heater가 6개식 장착되어있다.
- 이러한 냉각 개념을 실차에 적용하기 위하여 그 가능성 여부를 먼저 해석적 방법으로 조사하였다.4,5) 본 연구에서는 실험적인 방법을 이용하여 해석 결과를 검증하였고, 상변환 물질을 자동차 냉각에 이용하는 방법을 조사하였다.
- Heat piston의 온도를 측정하기 위하여 Heat piston 중앙에 K-type 온도센서를 설치하였으며, 냉각수온도를 측정하기 위하여 radiator 전후와 HA 전·후, 그리고 냉각수가 엔진을 통과하기 전·후의 온도를 K-type온도 센서를 이용하여 측정하였다.
- 1에서 화살표는 냉각수가 흐르는 방향을 나타낸다. 개략도와 실험장치 사진에서 보여지는 것처럼 기존의 엔진 냉각 시스템에 HA를 추가로 장착하여 시스템의 냉각 성능을 조사하였다. 또한, 실 엔진 시스템에서 냉각수의 최고 온도는 본 연구를 수행하기 위한 적정온도와 차이가 있으며, 엔진의 연소 조건에 따른 연소실의 열 발생량을 정밀하게 조절할 수 없으므로 Photo.
- 하지만 HA를 부착함으로써 10 kg의 무게가 증가하여 전체적으로 시스템중량은 약 35%가 저감되었다. 기존 시스템의 radiator와 small size radiator의 냉각을 위하여 물을 분무하는 시스템을 이용하였다.
- 상변환물질을 각각 Heat core의 냉각 핀 사이와 Heat core 사이에 일정하게 분포하게 하기 위하여, 모두 가열하여 녹인 후 HA에 주입하였다. 액상에서 기상으로 상변환 시의 부피 증가에 비해 본 연구에 사용된 Erythritol의 고상에서 액상으로의 상변환 시 부피의 증가는 약 10% 정도이므로 HA에 상변환 물질을 주입할 때, 10%의 여유 공간을 남겨두어 부피 증가로 HA가 파손되지 않도록 제작하였다. 각각의 Heat core로는 냉각수 분배기를 이용하여 모두 같은 양의 냉각수가 흐르도록 하였고, Heat core를 지난 냉각수는 다시 합쳐진 후 엔진water pump로 흐르게 된다.
- 열 부하 조건은 냉각수 온도가 90°C, 108°C까지 도달하게 한 후, 두 번의 강한 열부하를480 sec동안 가하고, 열 부하 사이에 480 sec동안 냉각하는 과정을 두 번 반복하여 실험하였다.
- HA를 이용한 엔진 냉각 시스템은 엔진 냉각수의 용량과 부피를 줄여 엔진의 빠른 warm-up과 냉간시동 시 발생하는 배기 배출물 저감에 많은 기여를 할 것이다. 이러한 냉각 개념을 실차에 적용하기 위하여 그 가능성 여부를 먼저 해석적 방법으로 조사하였다.4,5) 본 연구에서는 실험적인 방법을 이용하여 해석 결과를 검증하였고, 상변환 물질을 자동차 냉각에 이용하는 방법을 조사하였다.
- 이번 논문에서는 상변환물질을 이용하여, 고부하시나 극한 운전 조건에서 엔진이 방출하는 열을 저장함으로써, 엔진 냉각시스템의 무게와 부피를 저감 하였다. Heat Accumulator (HA) 내에 저장 된 열은 상 변환물질의 융해 잠열을 이용하여 엔진의 열 부하가 극에 달할 경우 물질의 물리적 성질만을 이용하여 많은 양의 열에너지를 저장할 수 있다.
대상 데이터
- 1과 Photo. 1은 본 연구에 사용되어진 냉각시스템의 개략도와 실험장치 사진이다. Fig.
- 4) Photo. 3은 본 연구에 사용된 HA의사진이다. HA는 5개의 상용 Heat core를 사용하여 제작하였고, HA주변은 단열시켜 상변환 물질의 융해열이 HA밖으로 손실되는 것을 방지하였다.
- 4의 그래프에서 나타내듯이 온도가 상승함에 냉각수의 비체적이 증가하여 엔진 냉각수의 유량도 증가한다. 본 연구에서 냉각수의 유량을 측정하기 위해 사용된 FLOMAG mp400 flowmeter의 제원을 Table 1에 나타내었다.
- 실험조건은 기존의 냉각시스템, Small size radiator 만을 이용한 시스템, 그리고 Small size radiator에 HA를 적용한 시스템이다. Small size radiator의 경우 기존 냉각 시스템의 radiator size에 비하여 크기와 방열 면적이 약 35%작다.
- 위에서 언급한 상변환 물질 선정 조건을 고려했을 때, 339kJ/kg의 높은 잠열 능력과 118°C의 녹는점을 가진 Erythritol을 본 연구의 적합한 상변환 물질로 선정하였다.
- Heat piston은 열전달율이 높은 알루미늄으로 제작 되었으며, 각각의 Heat piston에는 600 W용량의 Heater가 6개식 장착되어있다. 총 24개의 Heater가 장착되었으며, Heater의 총 용량은 14.4 kW이다. 각각의 Heat piston은 실린더에 0.
성능/효과
- 1) HA를 사용하는 새로운 냉각 시스템은 냉각수의 용량과 라디에이터의 부피 및 무게를 줄임으로써 엔진 냉각시스템을 소형화하고 경량화 할 수 있는 장점이 있다.
- 2) 상변환 물질의 융해 잠열을 이용하여 기존의 Radiator보다 방열면적이 35% 저감된 Radiator를 이용하더라도 냉각수의 온도를 기존 시스템보다 낮게 유지할 수 있다.
- 3) 새로운 엔진 냉각 시스템을 통해 냉간 시동 시 빠른 엔진 warm-up이 가능하다.
- 급가속이나 언덕길 운행 조건과 같은 극한 운전 상태를 모사하기위하여, 두 번의 강한 열부하를 연속하여 가하였을 때에, 기존의 냉각 시스템을 그대로 사용한 시스템에서는 냉각수의 온도가 129°C까지 상승하는 반면, 소형의 radiator를 가진 냉각시스템에서의 냉각수 온도는 최고 133°C까지 상승하는 것을 확인할 수 있다.
- 기존의 시스템에 비해 radiator의 크기가 줄어들어 냉각수의 온도가 90°C 근방까지 빠르게 상승하는 것을 알 수 있다.
- Small size radiator의 경우 기존 냉각 시스템의 radiator size에 비하여 크기와 방열 면적이 약 35%작다. 다운사이징 한 냉각시스템은 기존 시스템에 비해 냉각수의 용량도 약 13.5 kg 줄고, 그에 따른 시스템 부피도 저감이 되었다. 하지만 HA를 부착함으로써 10 kg의 무게가 증가하여 전체적으로 시스템중량은 약 35%가 저감되었다.
- 5 kg 줄고, 그에 따른 시스템 부피도 저감이 되었다. 하지만 HA를 부착함으로써 10 kg의 무게가 증가하여 전체적으로 시스템중량은 약 35%가 저감되었다. 기존 시스템의 radiator와 small size radiator의 냉각을 위하여 물을 분무하는 시스템을 이용하였다.
후속연구
- 4) 본 실험에서는 상변환 물질로 Erythritol을 사용하였으나, 녹는점이 90-110°C 사이이며 융해 잠열이 더욱 높은 상변환 물질을 사용한다면, 엔진 냉각 시스템의 추가적인 소형 및 경량화가 가능할 것이다.
- 4-6)또한, 엔진 냉각수가 과냉각 되는 경우에는 HA 내에 저장된 열을 이용하여 엔진이 과냉각되는 것을 막아 준다. HA를 이용한 엔진 냉각 시스템은 엔진 냉각수의 용량과 부피를 줄여 엔진의 빠른 warm-up과 냉간시동 시 발생하는 배기 배출물 저감에 많은 기여를 할 것이다. 이러한 냉각 개념을 실차에 적용하기 위하여 그 가능성 여부를 먼저 해석적 방법으로 조사하였다.
- 따라서, 엔진의 연비 및 배기 특성은 시스템의 경량화로 인한 1차적인 향상과 냉간 시동시의 빠른 warm-up 및 과도한 운전조건 변화에도 연소실의 온도를 일정하게 유지할 수 있는 장점으로 인하여 향상 시킬수 있으며, 정확한 정량적인 평가는 추후 연구에서 수행될 예정이다.
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