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엔진 배기 폐열회수로 인한 배기 특성 변화
Change in Engine Exhaust Characteristics Due to Automotive Waste Heat Recovery 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.8, 2014년, pp.4723 - 4728  

김기범 (충북대학교 기계공학부)

초록
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본 연구에서는 1-D 해석 프로그램인 AMESim을 활용하여 열전소자와 디젤엔진을 모델링하여 이를 New European Driving Cycle (NEDC) 운전모드에서 구동시킨 자동차에서 나오는 폐열을 이용해 열전소자로 발전을 하고 이에 따른 결과를 분석해보는 연구를 수행하였다. 열전소자 모델링 시 배기폐열 회수율 및 전기 에너지 변환률 뿐만 아니라 재료적 특성을 고려하여 열전달부분에 초점을 맞추었다. 또한, 디젤 산화 촉매(DOC)를 설계하여 열전소자로 인한 폐열회수가 디젤 산화촉매 활성화에 미치는 영향과, 그 결과 배기가스의 성분별 증감을 조사하였다. 열전소자를 이용한 폐열회수는 자동차 연비개선에 도움이 되지만, 배기가스의 온도를 떨어뜨려 촉매 활성화에 영향을 미치게 되면, CO와 HC 배출이 최대 14% 증가하는 것을 관찰하였다. 따라서, 열전소자를 이용한 배기 폐열 회수 시스템 개발 시에 배기에 미치는 영향을 고려해야 한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, a thermoelectric module (TEM) and a diesel engine were modeled using 1-D commercial software AMESim, and the performance of the TEM was evaluated when the engine was operated under the NEDC driving cycle. The goal of TEM modeling was to investigate not only the waste heat recovery (WH...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 또한 열전발전 시스템이 자동차의 연비향상에 미치는 효과를 평가하였다. 또한 열전소자를 이용한 배기 폐열 회수로 인하여 배기가스의 온도저감이 디젤산화 촉매 활성화에 어떠한 영향을 미치는가에 대해 연구하였다.
  • 본 연구에서는 1-D 상용 프로그램인 AMESim을 이용하여 자동차 폐열회수 목적에 사용될 수 있는 열전소자를 모델링하고 자동차 배기가스의 폐열을 회수하여 생산해 낸 발전량과 회수로 인하여 변화된 배기가스 온도의 변화를 New European Driving Cycle (NEDC) 운전모드에서 평가하였다. 또한 열전발전 시스템이 자동차의 연비향상에 미치는 효과를 평가하였다.
  • 본 연구에서는 자동차 엔진 배기 폐열을 회수하기 위한 열전소자 해석 모델을 설계하여 폐열 회수량을 평가하였다. NEDC 운전모드 1사이클(1180초)동안 하나의 열전소자로 회수한 배기폐열은 평균 146W이며, 5.
  • 추가적으로 열전소자의 폐열 회수량을 확인하기 위해 알루미늄싱크로부터 열전소자로 전달된 열량을 파악 할 수 있으며, 배기파이프를 통과 전후를 비교하여 배기가스의 온도변화에 대해 알 수가 있다. 열전소자와 배기파이프가 대류열전달에 의해 외기로 열을 방출하면서 배기가스 온도가 감소하게 되는데, 배기파이프 후단에 가스의 성분을 분석할 수 있는 컴포넌트와 디젤산화촉매장치를 장착하여 온도감소에 따라 CO, HC, NOx의 양이 어떻게 변하는지 분석하였다[5].

가설 설정

  • [Table 2] Geometry of Diesel Oxidation Catalyst (DOC)

    DOC내부에서 배기가스 유체의 이동은 층류로 가정하였고, DOC의 냉각은 473K의 고정온도로 냉각이 된다고 가정하였다. Fig.

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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
열전소자란? 열전소자란 고온부, 저온부라 일컫는 양단에 온도구배를 가해 기전력을 발생시키는 Seebeck 효과를 이용한 발전 소자와, 전압을 인가하면 양단에 온도차를 만들어 한쪽은 흡열, 다른 한쪽은 발열을 하는 Peltier 소자를 모두 일컫는다. 다른 에너지 하베스팅 기술, (예를 들어 태양전지와 비교 하였을 때) 상대적으로 낮은 에너지 변환 효율을 갖고 있어 제한적인 부분이 많았지만, 최근 나노 기술과 접목되어 열전소자에 대한 연구 범위가 크게 확대 되면서 효율 개선이 이루어짐에 따라 다양한 분야에 사용되어지고 있다.
자동차 폐열회수를 위한 열전 발전 시스템은 무엇인가? 즉, 연료로부터 30% 정도만이 자동차의 구동을 위해 사용되어지고 거의 60% 가량의 에너지가 열에너지 형태로 방출된다. 자동차 폐열회수를 위한 열전 발전 시스템은 버려지는 열에너지를 열전소자로 회수를 하고 이를 전기에너지로 변환하여 자동차에 필요한 전기로 사용하게 되고, 이로 인하여 자동차의 연비를 향상시키는 개념이다.
열전소자에 의해 회수된 열량을 볼 때, 열전 소자 1개는 평균 몇 W의 열을 회수하였는가? 열전발전을 위한 폐열 회수량은 알루미늄 싱크로부터 열전소자 고온부에 전달되는 열량으로 계산하였다. 열전소자 1개가 평균 146 W의 열을 회수하였으며, 1180초 동안 회수한 열에너지의 총량은 약 172 kW이었다.
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참고문헌 (5)

  1. D. M. Rowe, Gao Min(1998) "Evaluation of thermoelectric modules for power generation", Journal of Power Source 73, pp. 193-198 DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S0378-7753(97)02801-2 

  2. D. M. Rowe(2006), "Thermoelectrics handbook", Taylor & Francis Group, LLC 

  3. K. B. Kim, "Development of Simulation Model for Waste Heat Recovery from Automotive Engine Exhaust Using Thermoelectric Generator", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol(14), No(3), pp. 1022-1026, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2013.14.3.1022 

  4. J.P. Holman, Heat transfer. p.57-59, McGrawHill, 10th edition, 2010. 

  5. Material Property, Available From: http://www.matweb.com, (accessed Apr., 15, 2014) 

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