엔진에서 배기폐열을 회수하여 엔진의 열효율을 향상시키고자 하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 연구에서는 모터사이클용 엔진의 배기 폐열 회수용 열전발전 시스템의 성능 해석을 수행하였다. Gamma Tech.의 GT-SUITE 소프트웨어를 사용하여 엔진모사 모델과 열전발전 시스템 모델을 구성하였다. 첫째, 엔진 속도 1000~7000 rpm, 엔진 부하 0~100% 조건에서 엔진의 출력, 연비 등 성능 특성과 배기가스량, 배기가스 온도 등 배기가스 특성을 파악하였다. 연료의 화학에너지 대비 배기가스로 배출되는 에너지의 비율은 엔진 속도 및 부하에 따라 40~60% 수준으로 확인되었다. 둘째, 배기폐열회수용 열전발전 시스템 모델을 구성하였다. 엔진 모델과 열전발전 시스템 모델을 통합 해석하여, 열전소자에서 발생하는 전압, 전류, 회수 전력 특성 등을 분석하였다. 열전소자의 발전 특성은 시스템을 통과하는 배기가스의 온도 분포에 지배적인 영향을 받았다. 현재 구성된 배기폐열회수용 열전발전 시스템의 열전발전량은 배기폐열 에너지 중 최대 2.2% 수준을 회수할 수 있음을 확인하였다. 향후 연구에서는 열전발전 시스템의 설계에 따른 열전발전량 특성을 파악하고, 열전발전 시스템 설계 최적화를 수행할 예정이다.
엔진에서 배기폐열을 회수하여 엔진의 열효율을 향상시키고자 하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 연구에서는 모터사이클용 엔진의 배기 폐열 회수용 열전발전 시스템의 성능 해석을 수행하였다. Gamma Tech.의 GT-SUITE 소프트웨어를 사용하여 엔진모사 모델과 열전발전 시스템 모델을 구성하였다. 첫째, 엔진 속도 1000~7000 rpm, 엔진 부하 0~100% 조건에서 엔진의 출력, 연비 등 성능 특성과 배기가스량, 배기가스 온도 등 배기가스 특성을 파악하였다. 연료의 화학에너지 대비 배기가스로 배출되는 에너지의 비율은 엔진 속도 및 부하에 따라 40~60% 수준으로 확인되었다. 둘째, 배기폐열회수용 열전발전 시스템 모델을 구성하였다. 엔진 모델과 열전발전 시스템 모델을 통합 해석하여, 열전소자에서 발생하는 전압, 전류, 회수 전력 특성 등을 분석하였다. 열전소자의 발전 특성은 시스템을 통과하는 배기가스의 온도 분포에 지배적인 영향을 받았다. 현재 구성된 배기폐열회수용 열전발전 시스템의 열전발전량은 배기폐열 에너지 중 최대 2.2% 수준을 회수할 수 있음을 확인하였다. 향후 연구에서는 열전발전 시스템의 설계에 따른 열전발전량 특성을 파악하고, 열전발전 시스템 설계 최적화를 수행할 예정이다.
Research into exhaust heat recovery has been actively carried out to improve the thermal efficiency of internal combustion engines. In this study, the performance of thermoelectric generation from exhaust heat recovery for motorcycle engines was analyzed by 1-D thermo-fluid simulation. GT-SUITE, whi...
Research into exhaust heat recovery has been actively carried out to improve the thermal efficiency of internal combustion engines. In this study, the performance of thermoelectric generation from exhaust heat recovery for motorcycle engines was analyzed by 1-D thermo-fluid simulation. GT-SUITE, which was developed by Gamma Tech., was used for the simulation of the internal combustion engine and thermoelectric generation system. The basic performance of the engine was analyzed in the range of engine speed of 1000~7000 rpm and engine load of 0~100%. The ratio of exhaust heat energy to fuel chemical energy was found to be about 40~60%. A combined simulation of the engine model and thermoelectric generation model was carried out to analyze the voltage, current and power generated by the thermoelectric material. The generation characteristics of the thermoelectric material was dominantly affected by the exhaust gas temperature. The maximum generated power of the current thermoelectric generation system was found to be about 2.2% of the total exhaust heat energy. The design optimization of the thermoelectric generation system will be carried out to maximize its power generation and economic feasibility.
Research into exhaust heat recovery has been actively carried out to improve the thermal efficiency of internal combustion engines. In this study, the performance of thermoelectric generation from exhaust heat recovery for motorcycle engines was analyzed by 1-D thermo-fluid simulation. GT-SUITE, which was developed by Gamma Tech., was used for the simulation of the internal combustion engine and thermoelectric generation system. The basic performance of the engine was analyzed in the range of engine speed of 1000~7000 rpm and engine load of 0~100%. The ratio of exhaust heat energy to fuel chemical energy was found to be about 40~60%. A combined simulation of the engine model and thermoelectric generation model was carried out to analyze the voltage, current and power generated by the thermoelectric material. The generation characteristics of the thermoelectric material was dominantly affected by the exhaust gas temperature. The maximum generated power of the current thermoelectric generation system was found to be about 2.2% of the total exhaust heat energy. The design optimization of the thermoelectric generation system will be carried out to maximize its power generation and economic feasibility.
열전소자를 이용한 열전발전은 구조와 방법이 간단하고 소음이 없어 승용 자동차에서 주로 연구 및 적용되고 있다.[7,8]본 연구에서는 모터사이클용 엔진의 후단에 열전발전 시스템을 장착하여 배기폐열에너지 회수를 시도하면서, 우선적으로 1-D 열유동 해석 소프트웨어를 사용하여 모터사이클용 엔진과 열전발전 시스템을 모사한 모델을 개발하고, 열전발전 성능특성을 해석하고자 하였다. ;
제안 방법
엔진에서 배출되는 배기가스의 정보를 열전발전 시스템에 입력 값으로 주었다. 앞서 2.2절에서 설명한 바와 같이, 열전발전 소자는 총 4장 장착되며 엔진 연소실쪽에 가까운 2장을 TEM1, 연소실에서 먼쪽의 2장을 TEM2로 정의하고 각각의 열전소자에서의 발전 특성에 대해 분석하였다.
대상 데이터
엔진 모델은 Gamma Tech. 사에서 개발한 GT-SUITE 소프트웨어를 사용하여 구성되었다. GT-SUITE는 다양한 파워트레인, 차량을 1-D, 0-D 의 수학적 모델을 사용하여 모사하고, 성능 특성, 에너지 흐름 특성, 배기 특성 등을 계산할 수 있는 기능을 포함하고 있으며 전 세계적으로 다수의 메이저 자동차 회사 등에서 파워트레인 개발에 적용하고 있다.
이론/모형
배기열전발전 시스템에서 정확한 배기열 회수량을 계산하기 위해서는 배기관으로부터 열전소자로의 열전달량, 즉 배기관 표면의 면적과 열전달계수를 정확히 모사하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 본 연구와 유사하게 구성된 실험장치에서 Kim 등이 수행한 선행연구에서 이용된 colburn’s method를 통하여 대류 열전달 계수를 계산하였다.[9]smooth pipe에서 대류 열전달 계수는 아래의 식을 이용하여 계산되었다.
성능/효과
둘째, 열전발전 시스템 모사 모델을 구성하고, 엔진 모델과 통합 해석한 결과 열전발전모듈의 발생 전압은 배기가스 온도에 영향을 받으며, 열전도도가 높은 heat sink를 사용할 경우 열전소자간 발생 전압 차이가 줄어듬을 확인하였다. 열전발전소자의 발생전력은 발생전압에 따라 비례하였다.
셋째, 열전발전 시스템으로부터 최종 발생 전력은 엔진 속도와 부하에 따라 50~400W 수준이며, 이는 총 배기폐열 에너지 중 약 1~2% 수준을 회수할 수 있음을 확인하였다.
첫째, 오토바이용 단기통 엔진 모델을 구성하였으며, 엔진 속도와 부하에 따른 배기 특성의 해석 결과, 배기 손실이 전체 연료 에너지 대비 약 40~60% 수준임을 확인하였다. 배기가스의 온도는 500~900℃ 수준으로 확인되었다.
후속연구
넷째, 향후연구로써, 실제 시험 결과와 검증 절차를 거쳐 모델을 검증 및 보완하고 열전발전시스템의 설계 방법 (열전소자의 종류, 개수, 장착 구조, Heat sink 재질 및 구조)에 따른 발생전력특성을 해석하고 열전발전 시스템의 경제성과 발생전력을 고려한 최적설계를 진행할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
배기 폐열 에너지를 회수하는 방법은 어떤 것이 고려되고 있는가?
일반적으로 자동차용 가솔린엔진의 경우 배기가스로 배출되는 배기 폐열에너지가 약 40~60% 수준으로 보고되고 있다.[1,2]이와 같은 배기 폐열 에너지를 회수하기 위하여, 유기랜킨사이클을 이용한 발전, 열전소자를 이용한 열전발전, 터보컴파운드를 사용한 동력 회수, 난방열회수 등의 방법이 고려되고 있다[10].
모터사이클용 엔진의 배기 폐열 회수용 열전발전 시스템 성능 해석을 위한 열전발전 시스템 모델은 배기폐열 에너지 중 어느 정도를 회수하였는가?
열전소자의 발전 특성은 시스템을 통과하는 배기가스의 온도 분포에 지배적인 영향을 받았다. 현재 구성된 배기폐열회수용 열전발전 시스템의 열전발전량은 배기폐열 에너지 중 최대 2.2% 수준을 회수할 수 있음을 확인하였다. 향후 연구에서는 열전발전 시스템의 설계에 따른 열전발전량 특성을 파악하고, 열전발전 시스템 설계 최적화를 수행할 예정이다.
열전소자를 이용한 열전발전은 어떤 방법인가?
이 중, 열전소자를 이용한 열전발전은 두가지 종류의 금속을 연결하여 끝단에 온도차를 가하면, 양쪽 끝단에 전위차가 형성되는 제벡효과를 활용한 방법이다. 일반적인 가솔린 엔진의 배기가스 온도는 최대 약 1000도로써 고온 배기가스를 활용한 열전발전을 통한 자동차 연비향 상사례가 보고되고 있다.
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