[논문]흡기 매니폴드 가스켓 블레이드 적용에 따른 배출가스 고찰

이민정; 김태중; 신윤찬; 조홍현

doi:10.5762/kais.2018.19.12.54

흡기 매니폴드 가스켓 블레이드 적용에 따른 배출가스 고찰
Investigation of Emission Gas by using the Intake Manifold Gasket Blade 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.12, 2018년, pp.54 - 61

이민정 (조선대학교 기계공학과 대학원) , 김태중 (한국폴리텍대학 달성캠퍼스 자동차과) , 신윤찬 (조선대학교 기계공학과 대학원) , 조홍현 (조선대학교 기계공학과)

초록
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자동차의 엔진에서 불완전 연소는 유해 배기가스 생성의 주요 원인이다. 따라서 본 연구에서는 자동차 엔진에서 불완전 연소를 방지하고 배출되는 배기가스의 양을 줄이기 위하여 흡기 매니폴드에 가스켓 블레이드를 적용하여 유입되는 공기의 유속 증가에 따른 배기가스의 변화를 해석과 실험을 통하여 고찰하였다. 먼저 3D 유동 해석 프로그램을 사용하여 가스켓 블레이드의 개수와 각도에 따른 유동 해석을 수행하였으며, 해석 결과 가스켓 블레이드를 적용한 흡기 매니폴드 출구에서 공기의 평균 유속은 블레이드 개수가 6개와 $30^{\circ}$각도에서 가장 좋게 나타났다. 해석 결과를 기반으로 무부하 엔진 시뮬레이션 시스템에서 가스켓 블레이드가 배기가스에 미치는 영향을 확인하기 위하여 실험을 진행하였으며 엔진 회전수가 2000 rpm에서 4000 rpm으로 증가함에 따라 배기가스인 HC, CO, NOx는 평균적으로 각각 23.4%, 16.5%, 3.8% 감소하였으며 배기가스의 배출량 감소 효과는 점점 줄어드는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Incomplete combustion in automotive engines is a major cause of harmful exhaust gases. In this study, to prevent incomplete combustion and reduce exhaust gas emissions, a gasket blade for increasing the air velocity was applied to the intake manifold, and the change in exhaust gas was investigated theoretically and experimentally. First, simulation analysis for flow according to the number and angle of the gasket blade was performed using a 3D flow analysis program. As an analysis result, the internal average velocity of the gasket blade was optimum at 6-blade with an angle of $30^{\circ}$. Based on the simulation results, experiments were conducted to verify the effects of the gasket blades on the exhaust gas in a non-load engine simulation system. As the engine speed was increased from 2000 to 4000 rpm, exhaust gases of HC, CO, and NOx decreased by 23.4%, 16.5%, and 3.8%, respectively, and the emission decreasing effect was reduced.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Intake manifold according to the number of various gasket blades
표 Table 1. Emission gas regulations of European passenger car
그림 Fig. 2. Modeling of intake manifold
그림 Fig. 3. Photos of manufactured gasket blade and mounted on intake manifold
그림 Fig. 4. Emission simulation system
표 Table 2. Analysis conditions of intake manifold
표 Table 3. Specifications of gasoline engine
표 Table 4. Emission measure equipments
그림 Fig. 5. Maximum air velocity in the intake manifold with the number of gasket blade
그림 Fig. 6. Turbulence kinetic energy in the intake manifold with the number of gasket blade
그림 Fig. 7. Maximum air velocity in the intake manifold with the angle of gasket blade
그림 Fig. 8. Turbulence kinetic energy in the intake manifold with the angle of gasket blade
그림 Fig. 9. Outlet average air velocity in the intake manifold with the angle of gasket blade
그림 Fig. 10. Variation of HC according to engine speed
그림 Fig. 11. Variation of CO according to engine speed
그림 Fig. 12. Variation of NOx according to engine speed

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 흡기 매니폴드에서 와류의 강도를 강화시키기 위하여 가스켓 블레이드를 적용하여 자동차 배출가스에 미치는 영향에 대한 연구를 해석과 실험을 통하여 동시에 수행하였다.

가설 설정

흡기 매니폴드 내부의 유동은 속도가 매우 빠름으로 난류로 가정하여 k-ε 난류모델을 기반으로 유동해석을 수행하였으며, Fig. 2에 본 연구에서 사용한 흡기 매니폴드의 3D 모델을 나타내었다.

제안 방법

1과 같이 설계하였다. 또한, 블레이드 각도 변화에 대한 흡기 매니폴드의 내부 유동에 미치는 영향에 대하여 성능해석을 수행하였다. 본 해석에 사용된 흡기 매니폴드는 2000 cc의 가솔린 차량을 기반으로 한 것이며, 해석 조건은 Table 2에 나타내었다.
본 연구에서는 간단한 구조변경을 통한 배출가스 변화에 대한 영향을 알아보기 위하여 흡기 매니폴드에 가스켓 블레이드를 적용하였다. 먼저 3D 유동해석 프로그램을 사용하여 가스켓 블레이드의 개수와 각도에 대한 유동해석을 수행하였으며, 해석 결과를 기반으로 우수한 성능의 블레이드 개수와 각도를 적용하여 무부하 엔진 시뮬레이션 시스템으로 차량 배출가스에 대한 영향을 실험적으로 확인하였다. 해석 결과 흡기 가스켓 블레이드 각도가 30° 일 때, 블레이드 개수에 따른 유동해석 결과는 모든 엔진 회전수에서 6-blade일 때 평균적으로 62.
본 연구에서는 23만 km를 주행한 노후된 2000 cc 가솔린 차량의 엔진을 사용하였으며, 해석 결과에서 최고 유속을 나타낸 가스켓 블레이드의 개수와 각도를 흡기 매니폴드에 적용하여 배출가스를 측정하였다. 실험은 무부하 조건에서 엔진 시뮬레이션 시스템을 이용하여 가스켓 블레이드 적용의 유무가 차량의 배출가스(HC, CO, NOx)에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 간단한 구조변경을 통한 배출가스 변화에 대한 영향을 알아보기 위하여 흡기 매니폴드에 가스켓 블레이드를 적용하였다. 먼저 3D 유동해석 프로그램을 사용하여 가스켓 블레이드의 개수와 각도에 대한 유동해석을 수행하였으며, 해석 결과를 기반으로 우수한 성능의 블레이드 개수와 각도를 적용하여 무부하 엔진 시뮬레이션 시스템으로 차량 배출가스에 대한 영향을 실험적으로 확인하였다.
본 연구에서는 23만 km를 주행한 노후된 2000 cc 가솔린 차량의 엔진을 사용하였으며, 해석 결과에서 최고 유속을 나타낸 가스켓 블레이드의 개수와 각도를 흡기 매니폴드에 적용하여 배출가스를 측정하였다. 실험은 무부하 조건에서 엔진 시뮬레이션 시스템을 이용하여 가스켓 블레이드 적용의 유무가 차량의 배출가스(HC, CO, NOx)에 미치는 영향을 분석하였다. Fig.
해석 결과를 기반으로 본 실험에서는 6-blade와 30°의 각도인 가스켓 블레이드를 무부하 엔진 시뮬레이션 시스템에 적용하여 배기가스에 대한 영향을 확인하였다.
흡기 매니폴드의 유동 성능을 향상시키기 위하여 가스켓 블레이드를 추가하였으며, 이를 위해 3D 모델링 프로그림인 CATIA를 이용하여 3, 4, 5, 6개의 가스켓 블레이드를 Fig. 1과 같이 설계하였다. 또한, 블레이드 각도 변화에 대한 흡기 매니폴드의 내부 유동에 미치는 영향에 대하여 성능해석을 수행하였다.

대상 데이터

또한, 블레이드 각도 변화에 대한 흡기 매니폴드의 내부 유동에 미치는 영향에 대하여 성능해석을 수행하였다. 본 해석에 사용된 흡기 매니폴드는 2000 cc의 가솔린 차량을 기반으로 한 것이며, 해석 조건은 Table 2에 나타내었다. 흡기 매니폴드 내부의 유동은 속도가 매우 빠름으로 난류로 가정하여 k-ε 난류모델을 기반으로 유동해석을 수행하였으며, Fig.

성능/효과

6-blade의 흡기가스켓을 기반으로 블레이드 각도에 따른 유동해석 결과는 모든 엔진 회전수에서 최고 유속은 10° 블레이드 각도에서 나타났지만, 흡기 매니폴드 출구의 평균 유속은 30°에서 가장 빠르게 나타났다.
따라서 해석에서는 흡기매니폴드 출구에서의 평균유속이 가장 빠르게 형성된 6-blade와 30° 각도의 가스켓이 가장 효과적임을 확인하였다.
9% 감소하였다. 또한 엔진 회전수가 4000 rpm에서는 30.5 ppm에서 27.5 ppm으로 약 9.8% 감소하는 것을 확인하였다.
6에 나타내었다. 모든 엔진 회전수에서 난류 운동에너지는 6-blade의 가스켓에서 가장 크게 나타났으며, 2000 rpm, 3000 rpm, 4000 rpm에서 난류 운동에너지는 각각 34.06 m²/s², 151.58 m²/s², 323.09 m²/s²를 나타내었다. 블레이드의 적용은 공기의 유동면 적의 감소와 동시에 강한 와류를 발생시키기 때문에 유속 및 난류 강도를 강화시킨다.
8 m/s로 증가하였다. 모든 엔진 회전수에서 블레이드가 6개일 때, 블레이드를 사용하지 않는 경우에 비하여 최고 속도는 평균적으로 62.2% 향상되었다.
모든 엔진 회전수에서 흡기 매니폴드 출구에서 공기의 속도는 각도가 30°인 블레이드에서 각각 11.1 m/s, 23.7m/s, 35.3 m/s으로 나타났다.
블레이드 각도가 가장 작은 10°일 때, 2000 rpm,3000 rpm, 4000 rpm에서 블레이드를 사용하지 않은 경우보다 최고 속도는 약 90.7%, 94.5%, 97.5% 증가하였다.
7은 6-blade에서 블레이드 각도에 따른 흡기매니폴드 내부의 최고 유속을 나타내었다. 시스템에서 최고속도는 블레이드 부분에서 나타났으며, 모든 엔진 회전수에서 블레이드의 각도가 작을수록 최고 속도는 증가하였다. 블레이드 각도가 가장 작은 10°일 때, 2000 rpm,3000 rpm, 4000 rpm에서 블레이드를 사용하지 않은 경우보다 최고 속도는 약 90.
19%로 약 5% 감소하는 것을 확인하였다. 실험결과 흡기 매니폴드에 가스켓 블레이드의 적용은 공기의 유속을 증가시켜 엔진에서 불완전 연소를 감소시켜 불완전 연소에 의해 발생되는 HC와 CO를 평균 23.4%와 16.5% 저감시키는 것으로 확인되었다. 또한 배출가스의 저감효과는 엔진의 회전수가 증가함에 따라 감소함을 확인할 수 있다.
11은 가스켓 블레이드를 적용하였을 때, 엔진 회전수에 따른 CO 배기가스의 변화를 나타낸 것이다. 엔진의 회전수가 2000 rpm에서 가스켓 블레이드를 적용하였을 때 CO의 값은 0.215%에서 0.175%로 약 18.6% 감소하였으며, 3000 rpm에서는 0.29%에서 0.215%로 약 25.9% 감소하였다. 또한 엔진 회전수가 4000 rpm에서는 0.
8% 감소함을 확인하였다. 자동차 흡기 매니폴드에 각도 30°의 6-blade가스켓 블레이드의 적용은 흡기 매니폴드 내부에 난류유동을 발생시켜 공기 유속을 증가시키므로 엔진에서 완전연소에 효과적이며 결과적으로 배출가스를 저감시킴을 확인하였다.
해석 결과 흡기 가스켓 블레이드 각도가 30° 일 때, 블레이드 개수에 따른 유동해석 결과는 모든 엔진 회전수에서 6-blade일 때 평균적으로 62.2% 공기의 최고 유속이 향상되었다.
해석 결과를 기반으로 30° 각도의 6-blade를 적용하여 배출가스 성능 실험을 수행하였으며, 모든 엔진 회전수에서 HC, CO, NOx 배출가스는 평균적으로 23.4%, 16.5%, 3.8% 감소함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대표적 자동차 배기가스는 무엇이 있는가?	전세계적으로 환경오염 문제에 대한 관심이 집중되면서 대기오염의 원인이 되는 자동차 배기가스에 대한 규제가 점차 강화되는 추세이다. 대표적인 자동차 배기가스에는 HC, CO, CO2, NOx 등이 있다. HC는 불완전 연소로 생기는 미연소물질이며, 발암물질이고 매우 자극적이고 냄새가 심하다.
	배기가스 중 NOx의 특징은 무엇인가?	CO는 주로 연소시 공기가 부족하므로 연료가 불완전 연소하여 생성되며, 무색무취의 유독한 기체이다. NOx는 완전 연소에 가까울수록 증가하며 연소실에서 고온, 고압에서 공기와의 산화로 생기며,독성이 있으며 지구온난화를 유발시킨다[1-3].
	EGR의 장점은 무엇인가?	다음은 EGR(Exhaust Gas Recirculation)이 있으며, 이는 연소 이후 흡기 행정에서 연소실 재유입을 통해 이산화탄소 등의 불활성 가스가 흡입되는 공기와 혼합되어 연소되는 특징을 갖는다. 연료와 공기의 혼합가스의 양을 줄이고, 연소시의 연소 온도를 낮춤으로써 질소산화물 생성을 억제시키는 장점이 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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