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문제 정의
- 공기 엔진은 그 구조가 간단하고 유지 보수가 저렴하며, 안정성이 요구되는 분야에서 적용될 수 있는데, 이를 상용화하기 위해 우선적으로 공기 엔진의 성능 분석에 대한 연구가 요구된다. 따라서 이 논문에서는 공기 엔진과 내연 기관의 성능을 이론적으로 비교하였다. 또한 공기 엔진을 적용한 차량의 주행 테스트(Driving Test) 결과를 이용하여 공기 엔진의 실제 효율을 측정하였고, 내연기관의 값과 비교하였다.
- 본 연구에서는 하이브리드 형태가 아닌 고압의 압축 공기를 사용하는 순수 공기 엔진의 효율을 내연 기관과 비교 평가하였다. 공기 엔진은 충전, 팽창, 그리고 배기의 세 과정을 수행하여 외부에 일을 하며, 2행정으로 동작한다.
가설 설정
- 항속 효율 뿐만 아니라 공기 엔진과 내연 기관의 가속 성능을 비교하기 위해 식 (6)과 같이 단위 배기량당 출력을 계산할 수 있다. 공기엔진의 경우 Fig. 5에서 테스트된 최고속도인 54.7[km/h]에서 최대 출력이 기록된다 가정하였으며, 최소한 이 때의 구름 저항과 공기저항의 합산 값 이상의 출력을 내고 있다고 판단하였다. 식 (2)와 식 (3)의 저항력과 주행속도를 이용하여, 주행 테스트로 예측된 공기 엔진의 단위 배기량당 출력과 단위 출력당 질량을 계산한 결과는 Table 7과 같다.
- 1[km/h]에서 주행한 결과를 토대로 연비를 산출하므로, 공인 연비 조건에서 1회 충전 연료를 전량 소모하는 거리를 구할 수 있다. 그리고 가솔린의 에너지 밀도를 열가(Heating Value)와 동일한 44[MJ/kg] 으로, 공기저항계수를 약 0.35로 가정하여 항속효율을 구할 수있다.
- 그리고 상용화를 앞둔 공기 엔진 모두 다단 팽창을 사용하고 있다는 점에서 압축공기 팽창의 다단화를 통해 주행에 사용되는 공기량을 줄여 최대 주행 거리를 늘일 수 있다. 둘째, 공기자동차를 구동시키기 위해 필요한 압축 공기 소모량을 줄이기 위해 저장 탱크와 엔진 사이에 감압되는 압력을 이용하여 최대주행거리를 늘일 수 있을 것이다. 감압밸브에서는 탱크의 저장압으로부터 작동 압력까지 압력이 내려가는데, 이 때 강하되는 압력으로 터빈 및 압축기 그리고 열교환기 등을 작동시켜 손실되는 에너지를 최소화 할 수 있다.
- 테스트 공기 엔진 차량은 경형 자동차와 비슷한 크기를 가지고 있으며, 사용된 엔진은 실린더내경(Bore)보다 행정 거리(Stroke)가 짧은 형상을 가지는 2기통 왕복동(Reciprocating) 형식의 엔진과 전진 3단의 변속기가 적용되었다. 이 때, 공기 저항의 계산을 위한 차량의 전면적(Frontal Area)을 정확히 측정하기 어렵기 때문에 본 연구에서는 차폭과 전고의 곱으로 가정하였다.
- 효율 분석을 위해 주행 조건을 평지, 정속 주행으로 가정하였고 베어링 등 기타 마찰력을 제외한 주행에 영향을 미치는 저항력으로 구름저항(Rr , rollingresistance)과공기저항(Ra, aerodynamic resistance)을고려하였다. 이 때 구름저항과 공기 저항은 식 (2)와 식 (3)을 통해 얻을 수 있으며, 에너지변환 효율계산결과는 Table 5와 같다.
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