운행자동차 성능 및 배기 배출물에 미치는 흡기 다기관, 흡기 파이프 및 공기필터의 튜닝효과에 관한 연구 A Study on Tuning Effects of Intake Manifold, Intake Pipe and Air Filter upon Performance and Exhaust Emissions of Driving Car원문보기
The purpose of this study is to identify the possibility of effective tuning works, understand the characteristics of tuning engine, and analyse the basic data of engine tuning inspection corresponding to the safe operation and environment of a driving gasoline car. The effects of tuning on the char...
The purpose of this study is to identify the possibility of effective tuning works, understand the characteristics of tuning engine, and analyse the basic data of engine tuning inspection corresponding to the safe operation and environment of a driving gasoline car. The effects of tuning on the characteristics of performance and exhaust emissions under a wide range of engine speeds are experimentally investigated by the actual driving car with a four-cycle, four-cylinder DOHC, turbo-intercooler, water-cooled gasoline engine operating at four types of non-tuning, tuning 1, 2 and 3. The tuning parts in the gasoline engine are the intake manifold, intake pipe and air filter. In the experiment, the output, torque and air-fuel ratio of the five-speed automatic transmission vehicles were measured at the chassis dynamometer(Dynojet 224xLC) with one person on board. The exhaust emissions of $NO_X$, THC, CO, $O_2$ and $CO_2$, and excess air ratio(${\lambda}$) at the other chassis dynamometer(DASAN-MD-ASM-97-KR-HD) were also measured by the idle/constant-speed mode(ASM2525 mode) test method. It is found that the actual air-fuel ratios of non-tuning and tuning engines were shown to be lower than the stoichiometric air-fuel ratio with increasing engine speed, and the actual air-fuel ratio of non-tuning engine was slightly higher than those of tuning engines when the engine speed is more than 4000 rpm. The output was significantly increased by the tuning whereby the maximum output of tuning engine was more increased to approximately 117.64% than that of non-tuning engine. In addition, CO, THC and $NO_X$ emissions of non-tuning and tuning engines measured by the constant-speed test mode were all satisfied with the inspection standards. CO emission was increased, while THC and $NO_X$ emissions were reduced by tuning.
The purpose of this study is to identify the possibility of effective tuning works, understand the characteristics of tuning engine, and analyse the basic data of engine tuning inspection corresponding to the safe operation and environment of a driving gasoline car. The effects of tuning on the characteristics of performance and exhaust emissions under a wide range of engine speeds are experimentally investigated by the actual driving car with a four-cycle, four-cylinder DOHC, turbo-intercooler, water-cooled gasoline engine operating at four types of non-tuning, tuning 1, 2 and 3. The tuning parts in the gasoline engine are the intake manifold, intake pipe and air filter. In the experiment, the output, torque and air-fuel ratio of the five-speed automatic transmission vehicles were measured at the chassis dynamometer(Dynojet 224xLC) with one person on board. The exhaust emissions of $NO_X$, THC, CO, $O_2$ and $CO_2$, and excess air ratio(${\lambda}$) at the other chassis dynamometer(DASAN-MD-ASM-97-KR-HD) were also measured by the idle/constant-speed mode(ASM2525 mode) test method. It is found that the actual air-fuel ratios of non-tuning and tuning engines were shown to be lower than the stoichiometric air-fuel ratio with increasing engine speed, and the actual air-fuel ratio of non-tuning engine was slightly higher than those of tuning engines when the engine speed is more than 4000 rpm. The output was significantly increased by the tuning whereby the maximum output of tuning engine was more increased to approximately 117.64% than that of non-tuning engine. In addition, CO, THC and $NO_X$ emissions of non-tuning and tuning engines measured by the constant-speed test mode were all satisfied with the inspection standards. CO emission was increased, while THC and $NO_X$ emissions were reduced by tuning.
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문제 정의
그래서 첫 번째로 자동차 안전운행 및 환경에 문제가 없이 소유자의 선호도 폭을 넓힌 운전형태에 가장 효과적인 튜닝작업이 가능하다는 것을 증명하고, 두 번째로 성능향상을 조사하기 위해 튜닝엔진의 성능 및 공연비를 엔진회전수에 따라 측정하고, 배기 배출물의 저감효과를 조사하기 위해 배기 배출물(NOX · THC · CO · O2 · CO2)을 공회전과 정속모드에서 측정하여 튜닝엔진의 특징을 파악한다. 그 결과, 엔진튜닝의 성능 및 배출가스 검사용의 기초자료로 활용하기 위한 분석 자료를 검토하는 것이 본 논문의 목적이다.
제안 방법
가솔린 자동차 엔진의 흡기 다기관, 흡기 파이프 및 공기필터를 튜닝하여 실제 운행자동차에 적용하였을 경우, 안전운행 및 환경문제에 미치는 영향을 파악하기 위해 튜닝엔진의 성능 및 배기 배출물 특성을 실험에 의해 측정하여 고찰한 주요결과는 다음과 같다.
공연비를 측정하기 위해 부착한 산소센서는 배기 중에 함유된 산소량을 측정하여 토크에 따른 실제공연비를 엔진회전수에 따라 계산했다.
그래서 첫 번째로 자동차 안전운행 및 환경에 문제가 없이 소유자의 선호도 폭을 넓힌 운전형태에 가장 효과적인 튜닝작업이 가능하다는 것을 증명하고, 두 번째로 성능향상을 조사하기 위해 튜닝엔진의 성능 및 공연비를 엔진회전수에 따라 측정하고, 배기 배출물의 저감효과를 조사하기 위해 배기 배출물(NOX · THC · CO · O2 · CO2)을 공회전과 정속모드에서 측정하여 튜닝엔진의 특징을 파악한다.
본 실험에 적용할 튜닝차량을 선정하기 위하여 실험에 들어가기 전에 튜닝을 하지 않은 운행자동차의 성능을 파악한다. 동일한 엔진형식과 자동변속기를 장착한 5대의 자동차에 대해 동일조건으로 최대 출력 및 토크 특성을 Dynojet 224xLC 차대동력계에서 측정하였다. 그 결과, 아래와 같이 자동차 연식, 주행거리 등에 따라 제작자동차의 최대 출력 154 kW/6,000 rpm 및 최대 토크 299 N·m에 비하여 5대 차량에 대한 최대 출력 및 토크 값이 모두 다름을 알 수 있었다.
저속 공회전모드에서는 10초 동안 배출되는 CO 배출물, THC 배출물 및 공기과잉률(λ)을 측정하여 각각 산술평균한 최종값에 대해 적합여부를 판정했다. 또한, 정속모드에서는 10초 동안 배출되는 CO 배출물, THC 배출물 및 NOX 배출물을 측정하여 각각 산술평균한 최종값에 대해 적합여부를 판정하였고, 허용기준 이내인 경우에 합격처리하였다. Fig.
또한, 튜닝단계별 실험에서 성능 및 배기 배출물은 5 ∼ 10회 측정하여 평균값을 적용하였고, 단계별 실험 적용기간은 7 ∼ 10일 운행 후 실험에 적용하였다.
본 실험에 적용할 튜닝차량을 선정하기 위하여 실험에 들어가기 전에 튜닝을 하지 않은 운행자동차의 성능을 파악한다. 동일한 엔진형식과 자동변속기를 장착한 5대의 자동차에 대해 동일조건으로 최대 출력 및 토크 특성을 Dynojet 224xLC 차대동력계에서 측정하였다.
본 실험에서는 실제 도로에서 운행되었던 선정 A차량을 사용해 기존엔진에 흡기 다기관, 흡기 파이프 및 공기필터를 3단계로 분류하여 튜닝하고 장착하였다. 비튜닝엔진의 성능 및 배기 배출물은 엔진상태가 양호한 상태에서 실험하여 측정한 평균값을 사용하였다.
본 연구에서는 자동차 관리법 제34조에 규정된 자동차 튜닝대상을 기준으로 상세하게 나누어진 튜닝항목 중, 가솔린엔진의 흡기 다기관, 흡기 파이프 및 공기필터를 튜닝하여 실제 운행자동차에 적용하였다.
본 연구에서는 튜닝엔진의 공연비, 성능 및 배기 배출물 특성을 조사하기 위하여 Table 2와 같이 흡기 다기관, 흡기 파이프 및 공기필터를 3 종류로 설정하여 튜닝하고, 튜닝엔진 1, 2 및 3으로 명칭을 붙였다. 표에서 비튜닝엔진은 40 mm × 30 mm의 알루미늄 흡기 다기관을, 튜닝엔진 1, 2 및 3에는 동일하게 내경 47 mm의 두랄루민 흡기 다기관을 적용하였다.
Photo 6에는 실험에 적용한 비튜닝엔진의 순정 부품, 튜닝엔진 A, B, 및 C형에 대한 공기필터를 나타내고 있다. 비튜닝엔진의 직사각형 공기필터는 순정부품을 그대로 적용하였고, 튜닝엔진 1, 2 및 3에는 Photo 6의 A, B 및 C형을 적용했다. A형은 스펀지형 습식 필터로 온로드 및 비포장도로에 강하며 세척이 가능하다.
실험에 들어가기 전의 차량상태를 파악하기 위해 자기진단기(Self‑diagnostic)를 사용해 ECU 서비스 데이터를 통한 공회전 상태에서 센서 고장 여부 등 정밀진단을 실시하였다.
실험은 Photo 1의 Dynojet 224xLC 차대 동력계에 1인(65 kg)이 탑승하여 5단 자동변속기차량의 출력, 토크 및 공연비를 측정하였고, Photo 2의 차대 동력계(DASAN-MD-ASM-97-KR-HD) 에서 저속 공회전(Idle)모드/정속모드(ASM2525모드) 검사방법으로 NOX · THC · CO · O2 · CO2의 배기 배출물과 공기과잉률(λ)을 측정하였다.
자동차 검사의 저속 공회전 모드에서는 가속페달을 밟지 않고 엔진을 가동하여 엔진 공회전상태(750±250 rpm)에서 배기 배출물을 측정하였다.
저속 공회전모드에서는 10초 동안 배출되는 CO 배출물, THC 배출물 및 공기과잉률(λ)을 측정하여 각각 산술평균한 최종값에 대해 적합여부를 판정했다.
정속모드에서는 휘발유·가스·알코올 사용 자동차를 차대동력계에서 측정대상 자동차의 도로 부하마력 25 %에 해당하는 값을 설정하고 시속 40 km의 속도로 주행하면서 배기 배출물을 측정하였다.
흡기 파이프는 비튜닝엔진에 대해 내경 50 mm의 고무를 적용했고, 튜닝엔진 1, 2 및 3에 대해서 는 내경 60, 65 및 70 mm의 스테인리스강을 각각 적용하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 국내 H사 G모델의 수냉, 4기통, DOHC, 4행정, 터보 인터쿨러 가솔린 자동차를 사용하여 실험을 하였다. Fig.
실험에 적용되는 튜닝대상 자동차는 상기 5대 차량 중에서 주행거리가 가장 짧고, 최대 출력 및 토크의 값이 평균값에 가장 가까운 A차량(최대 출력 126.63 kW, 최대 토크 263.82 N·m, 제작자동차 등록증의 최대 출력 및 토크보다 17.77 %, 11.77 %만큼 낮게 측정되었다. )을 선정하여 적용하였다.
표에서 비튜닝엔진은 40 mm × 30 mm의 알루미늄 흡기 다기관을, 튜닝엔진 1, 2 및 3에는 동일하게 내경 47 mm의 두랄루민 흡기 다기관을 적용하였다.
데이터처리
본 실험에서는 실제 도로에서 운행되었던 선정 A차량을 사용해 기존엔진에 흡기 다기관, 흡기 파이프 및 공기필터를 3단계로 분류하여 튜닝하고 장착하였다. 비튜닝엔진의 성능 및 배기 배출물은 엔진상태가 양호한 상태에서 실험하여 측정한 평균값을 사용하였다. 또한, 튜닝단계별 실험에서 성능 및 배기 배출물은 5 ∼ 10회 측정하여 평균값을 적용하였고, 단계별 실험 적용기간은 7 ∼ 10일 운행 후 실험에 적용하였다.
이론/모형
배기 중 NOX 배출물은 전기 화학식 NDIR 방식, CO, CO2 및 THC 배출물은 비분산 적외선 분석법(Non‑dispersive infrared), O2 배출물은 전기 화학식(Electro‑chemical), λ는 브레트슈나이더 공식(Bretschneider's formula)을 적용하였다.
성능/효과
1) 비튜닝엔진의 실제공연비는 엔진회전수 4000 rpm을 초과하는 경우에 튜닝엔진의 값보다 약간 높게 나타났고, 튜닝엔진 1은 엔진회전수 4000 rpm보다 작은 경우에 가장 높았지만, 4000 rpm을 초과하면 튜닝엔진 1, 2 및 3에 대한 실제 공연비의 차이는 거의 나타나지 않았다.
2) 비튜닝엔진의 토크는 엔진회전수 4000 rpm에서, 튜닝엔진의 경우는 엔진회전수 4500 rpm에서 최대값을 나타내었고, 튜닝을 하는 경우에는 튜닝하지 않았을 경우보다도 최대 토크가 평균 100.68 %로 약간 증가되었다.
29,500 km를 주행한 2009년산 A차량은 최대 출력 126.63 kW, 최대 토크 263.82 N·m로 제작자동차 등록증의 최대 출력 및 토크보다 17.77 %, 11.77 % 만큼 낮게 측정되었고, 34,100 km를 주행한 2009년산 B차량은 최대 출력 127.28 kW, 최대 토크 262.65 N·m로 17.35 %, 12.16 % 만큼 낮게 측정되었다.
3) 엔진회전수 4000 rpm 정도보다 작으면 비튜닝엔진의 출력이 튜닝엔진의 출력보다 더 컸고, 4000 rpm을 초과하면 튜닝엔진의 출력이 더 컸는데, 튜닝엔진의 경우에는 비튜닝엔진보다 최대 출력이 평균 117.64 %로 증가되어 튜닝에 의해 출력이 상당히 증가되었다.
4) 절대압력의 상승은 성능향상과 밀접한 관계를 나타내었는데, 튜닝엔진은 엔진회전수 약 4000 rpm 이상에서, 비튜닝엔진은 엔진회전수 약 2600 rpm 이상에서 과급기가 작동되어 절대압력이 대기압 이상으로 상승되었다.
5) 공회전 검사에서 비튜닝 및 튜닝 엔진의 CO 및 THC 배출물과 공기과잉률은 모두 검사기준에 만족하였는데, 튜닝에 의해 이러한 값들은 비튜닝 엔진의 값보다 증가되었다.
6) 정속모드 검사에서 비튜닝 및 튜닝 엔진의 CO, THC 및 NOX 배출물은 모두 검사기준에 만족하였는데, 튜닝에 의해 CO 배출물은 증가되었고, 튜닝엔진 2의 NOX 배출물을 제외하면 THC 및 NOX 배출물은 감소되었다.
그 결과, 아래와 같이 자동차 연식, 주행거리 등에 따라 제작자동차의 최대 출력 154 kW/6,000 rpm 및 최대 토크 299 N·m에 비하여 5대 차량에 대한 최대 출력 및 토크 값이 모두 다름을 알 수 있었다.
또한, 39,300 km를 주행한 2009년산 C차량은 최대 출력 128.87 kW, 최대 토크 258.33 N·m로 16.32 %, 13.60 %만큼 낮게 측정되었고, 42,800 km를 주행한 2008년산 D차량은 최대 출력 123.44 kW, 최대 토크 256.23 N·m로 19.84 %, 14.27 %만큼 낮게 측정되었으며, 46,500 km를 주행한 2008년산 E차량은 최대 출력 129.40 kW, 최대 토크 245.58 N·m로 15.97 %, 17.87 % 만큼 낮게 측정되었다.
튜닝엔진의 원형필터 단면적은 비튜닝엔진의 직사각형 공기필터 단면적보다 크기 때문에 공기량을 더 많이 흡입할 수 있다. 또한, 동일한 원형필터일지라도 형상에 따라 단면적이 달라지기 때문에, 흡입 공기량이 달라지는데, 본 연구에서는 A, B, C형의 순으로 많아짐을 확인하였다. 한편, 흡기 파이프 내경이 커지면 흡입 공기량은 많아지지만, 흡입 공기량의 속도는 작아진다.
68 % 정도로 약간 증가되었다. 또한, 비튜닝엔진의 최대 토크값은 제작자동차 등록증에 나오는 값의 88.23 %임에 비하여 튜닝을 한 경우에는 평균적으로 88.84 %로 0.61 %가 증가되었음을 알 수 있다.
09로 이 모든 값들도 운행자동차 배기 배출물 검사기준에 적합하였다. 배기 배출물 중의 O2 농도는 0.25 %로서 비튜닝엔진의 경우보다도 높고, CO2 농도는 13.96 %로서 비튜닝엔진의 경우보다도 낮게 나타났다.
일반적으로 엔진튜닝은 최대 토크 및 출력을 향상시키는데 목적이 있다. 본 연구에서는 비튜닝시보다 큰 구경의 흡기 파이프를 적용했기 때문에, 저․중속 영역에서 토크 및 출력이 낮아졌다.
그러나 고속에서는 엔진회전수가 빠르기 때문에, 들어오는 흡입 공기량의 속도가 빨라진다. 본 연구에서는 엔진회전 수에 따른 실제공연비가 상기의 복합적인 파라미터가 형성되어 변화되고 있음을 알 수 있다.
상기 5대 차량의 평균 최대 출력은 127.12 kW이고, 평균 최대 토크는 257.32 N·m이며 실제 제원보다 평균적으로 최대 출력은 17.45 %만큼, 최대 토크는 13.94 %만큼 낮게 측정되었다.
엔진 내에서 연소하는데 필요한 공기량 공급과 공기흐름 속도를 고효율화시키기 위해 본 연구에서 튜닝을 한 흡기계통의 흡기 파이프, 흡기 다기관 및 공기필터는 공기필터의 종류와 흡기 파이프 구경에 따른 흡입 공기량의 변화에 의해 토크 및 출력 특성이 변화됨을 알 수 있었다.
튜닝엔진의 경우에는 엔진회전수 4000 rpm까지 절대압력, 최대 토크 및 출력이 튜닝 3, 2, 1 순으로 증가하였다. 엔진회전수 4000 rpm을 초과하면서 맵센서값은 2430 hPa 정도까지, 최대 토크는 260 N․m 정도까지, 최대 출력은 150 kW 정도까지 급격하게 증가하였고, 4600 rpm 이후부터는 튜닝1, 2, 3 순으로 최대 토크는 완만하게 감소하였고, 절대압력 및 최대 출력은 완만하게 증가되었다.
절대압력이 높으면 맵센서 전압이 상승하는데, 이것은 흡입 공기량이 증가되고, 이에 따라 연료분사량도 증가되어 출력이 향상됨을 알 수 있었다. 이것은 스로틀 개도량, 흡기온도 등에 따라 다소 차이가 나타나겠지만, 맵센서값으로 간접적인 출력특성을 파악할 수 있다.
4에는 엔진회전수에 따른 비튜닝엔진과 튜닝엔진 1, 2 및 3의 평균 토크 측정값을 나타내고 있다. 토크특성에 의해 비튜닝엔진은 엔진회전수 4000 rpm 부근에서, 튜닝엔진은 4500 rpm 부근에서 최대값을 나타내었고, 각각 최대값 전후에서 엔진회전수 감소 및 증가에 따라 토크가 낮아지고 있음을 알 수 있다.
Table 3 에는 비튜닝엔진과 튜닝엔진 1, 2 및 3의 최대 토크 측정값을 나타내고 있다. 튜닝엔진은 비튜닝엔진보다도 최대 토크가 평균 100.68 % 정도로 약간 증가되었다. 또한, 비튜닝엔진의 최대 토크값은 제작자동차 등록증에 나오는 값의 88.
비튜닝엔진과 튜닝엔진 1, 2 및 3의 최대 출력 측정값을 Table 4에 보여주고 있다. 튜닝을 하는 경우에는 튜닝하지 않았을 경우보다 최대 출력이 평균 117.64 %로 증가되어 제작자동차 등록증에 나오는 출력과 3.26 % 정도 밖에 차이가 나지 않아 튜닝에 의해 엔진출력이 상당히 증가될 수 있음을 보여주고 있다.
표에서 NOX 17 ppm, THC 11.8/1.6 ppm, CO 0.15/0.90 % 및 λ 1.06을 보여주고 있는데, 이 값들도 모두 운행자동차 배기 배출물 검사기준에 적합함을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
세계의 자동차 튜닝시장 규모는 어떠한가?
그런데 세계의 자동차 튜닝시장 규모는 2012년도 기준으로 100조원에 달하고, 이 중에서 미국이 35조원, 독일이 23조원, 일본이 14조원의 규모인데 비해 우리나라는 5,000억원 수준으로 아주 낮은 수준이다. 자동차 판매시장 규모와 비교한 국내 튜닝시장 비중은 미국의 10.
독일의 튜닝 제한 범위에는 무엇이 있는가?
독일은 튜닝부품 인증기준에 대한 공통규정이 없어 ETO(European Tuning Organization : 유럽튜닝협회)에 의존하고 있지만, 튜닝 제한 범위는 조향장치(핸들직경), 차체와 차대(쇽업소버 고정), 타이어 돌출(타이어 및 휠의 차체 외부 돌출), 등화장치 위반(등화 착색) 및 기타(페달 액세서리, 공기필터 외부 돌출)가 있다. 한편, 자동차의 부품은 등록 또는 허가된 검사필증을 부착하고, 검사필증이 부착되지 않은 부품을 고의 또는 과실에 의하여 판매한 자는 5,005유로까지 벌금이 부과되며 부품을 몰수할 수 있도록 되어 있다.
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