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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.
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