압축기와 팽창기로 구성된 새로운 개념의 로터리엔진이 개발 중에 있다. 초기 프로토타입을 제작하고 작동성 확인을 위한 모터링, 압축기 압력 및 연료 연소시험을 수행하였다. 본 논문은 이 새로운 엔진에 적합하게 개발된 사이클 해석 방법에 대한 것이다. 본 엔진 고유의 작동 메커니즘에 대한 분석과 공기의 열역학적 해석을 공기 흡입, 압축, 연소실 진입, 연소, 팽창 그리고 배기에 이르는 각 과정에서 수행하였다. 본 논문에서 제시된 해석 방법으로 압축기와 팽창기 사이의 압축공기 냉각효과는 물론 엔진의 여러 설계 변수가 엔진 성능에 주는 영향을 파악할 수 있으며 이 논문에 몇 가지 경우에 대한 계산 결과를 기술하였다.
압축기와 팽창기로 구성된 새로운 개념의 로터리엔진이 개발 중에 있다. 초기 프로토타입을 제작하고 작동성 확인을 위한 모터링, 압축기 압력 및 연료 연소시험을 수행하였다. 본 논문은 이 새로운 엔진에 적합하게 개발된 사이클 해석 방법에 대한 것이다. 본 엔진 고유의 작동 메커니즘에 대한 분석과 공기의 열역학적 해석을 공기 흡입, 압축, 연소실 진입, 연소, 팽창 그리고 배기에 이르는 각 과정에서 수행하였다. 본 논문에서 제시된 해석 방법으로 압축기와 팽창기 사이의 압축공기 냉각효과는 물론 엔진의 여러 설계 변수가 엔진 성능에 주는 영향을 파악할 수 있으며 이 논문에 몇 가지 경우에 대한 계산 결과를 기술하였다.
A separate type rotary engine consisting of a compressor and an expander is under development. The engine motoring, compressor pressure, and fuel combustion have been tested with the initial prototype for operability checks of the mechanism. This paper describes an engine cycle analysis method desig...
A separate type rotary engine consisting of a compressor and an expander is under development. The engine motoring, compressor pressure, and fuel combustion have been tested with the initial prototype for operability checks of the mechanism. This paper describes an engine cycle analysis method designed specifically for this new-concept engine. The unique operational mechanism of the engine and the thermodynamic properties of each step of air intake, compression, filling of combustion chamber, combustion, expansion and exhaust were analyzed. The cycle efficiencies of this engine according to various engine design parameters as well as the cooling effect of compressed air between the compressor and expander can be easily calculated with this method; further, some case studies are presented in this paper.
A separate type rotary engine consisting of a compressor and an expander is under development. The engine motoring, compressor pressure, and fuel combustion have been tested with the initial prototype for operability checks of the mechanism. This paper describes an engine cycle analysis method designed specifically for this new-concept engine. The unique operational mechanism of the engine and the thermodynamic properties of each step of air intake, compression, filling of combustion chamber, combustion, expansion and exhaust were analyzed. The cycle efficiencies of this engine according to various engine design parameters as well as the cooling effect of compressed air between the compressor and expander can be easily calculated with this method; further, some case studies are presented in this paper.
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문제 정의
1참조)의 열역학적 성능계산 방법은 저자에 의해 이미 발표된 바 있다{3}. 본 논문은 기존 SRE의 성능 향상을 위해 압축공기를 냉각할 때 그 영향을 분석할 수 있도록 계산방법을 보완한 것이다.
압축기로터와 팽창기로터의상대적인 설치 각도에 따라 로터리 밸브가 열릴 때 압축실의 공기압이 공기 통로와 연소실 혼합공기 압력보다 높으면 압축기 체크밸브가 열릴 것이고 그렇지 않으면 로터회전이 조금 더 진전된 후 열릴 것이다. 본 연구에서는 로터리 밸브가 열릴 때 압축실과 공기 통로를 연결해주는 체크밸브가 동시에 열리도록 두로터사이의 설치 각도가 적절히 설정된 경우에 대한 사이클 해석을 기술한다.
가설 설정
보다 정확한 사이클 해석을 위해서는 사이클의 각 단계마다 작동 유체의 열역학적 상태 분석이 필요하다. 분석에 필요한 열역학적 관계식은 교과서로 널리 사용되는 내연기관 전문서적 {4}을 참고하였고, 동작유체는 이상 기체법칙을 만족하며 비열은 온도에 관계없이 일정하다고 가정하였다.
제안 방법
2인 SREOverExpandedC ycle을 비교한 것이다. 두 엔진의 배기량을 동일하게 하고 SRE 연소실 최고 온도를 3,600℃로 설정하였으며 SRE과 동일양의 연료를 공급받는 OttoCycle을 분석하였다. SRE 압축공기는 OttoCycle과 비교하여 동일한 압축비에서 1-2 “-2 ‘-2-1면적에 해당하는 만큼 압축일을 추가로 더 흡수하여 OttoCycle의 압축공기보다 온도와 압력이 높아진다.
팽창비가 압축비보다 큰 OverExpandedSRE 사이클 해석을 위해 작동 유체의 흐름을 따라 Cycle의 주요 부위에서 열역학적 분석을 수행한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
2절에 기술된 각 단계에서 작동 유체의 열역학적 특성을 모두 알아내야 하는데 이를 위해 미지수 16개의 연립다차방정식을 풀어야 한다. 해석적인 방법으로 실제 해(ex actsolution)을 구하는 것이 가능하다 하더라도 매우 번거로울 것이어서 본 논문에서는 컴퓨터를 이용한 근사해를 계산하였으며 적용한 알고리즘은 Fig.4와 같다. 공기 통로에서 압축공기의 냉각이 이루어진다면 Eq.
성능/효과
1) SRE는 일반 내연기관과 달리 공기압축 과정이 두 단계로 구성되어 P_ V선도에서 압축 선도가두개의 곡선으로 나타나며, 그 결과 압축에 소요되는 일량이 늘어나 엔진의 효율을 떨어뜨리지만 압축기와 팽창기가 분리된 구조상 손쉽게 구현이 가능한 OverExpandedC ycle을 적용함으로써 확보되는 효율 증가분이 있어 결과적으로 Ottocycle 과거의 동일한 수준의 엔진 효율을 얻을 수 있다.
2) 공기 통로의 압축공기를 냉각함으로써 연소실 최대 온도를 유지하면서 더 많은 연료를 분사시킬 수 있어 추가적인 열 손실 대비 큰 출력 향상을 얻을 수 있다.
18로 계산한 것보다 다소 낮아진다. 본 논문에서 더 상세한 계산방법은 기술하지 않겠지만 SRE 열역학적 효율을 계산한 것과 유사한 방법으로 연소실에 남아있는 이전 사이클의 연소가스의 영향을 고려하여 OttoCycle의 열역학적 효율을 계산하면 Eq.18로 계산한 값보다 약 1% 정도 낮게 나오는 것을 알 수 있다(Table1Res idualgaseffectreflected 참조).
후속연구
본 논문에서 확인된 바와 같이 SRE는 OttoCycle 왕복동 피스톤 엔진에 비해 열역학적 효율의 저하가 크게 없으면서 (최대 2%) 동일출력에서 크기와 무게를 대폭 줄일 수 있는 장점이 있어 드론이 나 무인기와 같은 소형 항공기로부터 이륜차, 하이브리드 자동차, 발전기 등 다양한 분야에서 기존 피스톤 엔진을 대체할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
SRE의 엔진 성능 분석시 공기의 열역학적 거동이 함꼐 해석되어야 하는 이유는 무엇인가
피스톤 엔진의 경우 흡입된 공기는 피스톤 이상사점으로 이동함에 따라 밀폐된 공간에서 점진적으로 압축되는데 반해 SRE에서는 로터가 회전하면서 먼저 압축기 내에서 공기가 압축되다가 압축기 공기압이 공기 통로 공기압보다 커질 때 팽창기 힌지베인이 연소실을 밀폐함과 동시에 압축기 체크밸브와 로터리 밸브가 열려 압축기 공기와 공기 통로 공기 그리고 연소실 잔여가스가 혼합되고 이후로터의 회전이 계속되면서 혼합된 공기가 합쳐진 체적 내에서 압축된다. 이렇게 연소실로 공급되는 압축공기는 피스톤 엔진에서와 달리 2단계의 과정을 거쳐 압축되므로 엔진 성능 분석을 위해서는 각 단계에서 공기의 열역학적 거동이 함께 해석되어야 한다.
SRE의 팽창비와 압축비는 어떻게 설계되었는가?
팽창비가 압축비보다 크도록 설계된 SRE는 Over-expandedC ycle로 작동되지만 압축기와 팽창기 사이에 공기 통로가 있고 압축실과 공기 통로 사이에 체크밸브, 공기 통로와 연소실 사이에 로터리 밸브와 체크밸브가 설치되어 이들 밸브의 개폐에 따라 P-V 선도에서 피스톤 엔진과 다르게 거동하며 0-1-2 “-2 ‘-3-4’-5-0 경로를 따른다.
SRE에서 공기가 압축되는 과정은 무엇인가
압축기에서 압축된 공기는 체크밸브를 통해 공기공기 통로에 잠시 머물다 연소실로 통하는 로터리 밸브가 열리면서 연소실로 유입된다. 피스톤 엔진의 경우 흡입된 공기는 피스톤 이상사점으로 이동함에 따라 밀폐된 공간에서 점진적으로 압축되는데 반해 SRE에서는 로터가 회전하면서 먼저 압축기 내에서 공기가 압축되다가 압축기 공기압이 공기 통로 공기압보다 커질 때 팽창기 힌지베인이 연소실을 밀폐함과 동시에 압축기 체크밸브와 로터리 밸브가 열려 압축기 공기와 공기 통로 공기 그리고 연소실 잔여가스가 혼합되고 이후로터의 회전이 계속되면서 혼합된 공기가 합쳐진 체적 내에서 압축된다. 이렇게 연소실로 공급되는 압축공기는 피스톤 엔진에서와 달리 2단계의 과정을 거쳐 압축되므로 엔진 성능 분석을 위해서는 각 단계에서 공기의 열역학적 거동이 함께 해석되어야 한다.
참고문헌 (4)
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers Ki 21 4 71 2017 10.6108/KSPE.2017.21.4.071 'New Rotary Engine with separate Compressor and Expander'
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