[논문]자동차 연비향상을 위한 복합재료 적용 타당성에 관한 연구

주연진; 권영철; 최흥섭

doi:10.7234/composres.2019.32.5.284

초록
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본 논문에서는 KIA K3 (1.6) 가솔린 자동차의 연비(km/liter)식을 동력학적 힘-모멘트 평형 방정식, 구동력 및 에너지 방정식을 구성하고 분석하여 유도하였다. 이를 통해 차량의 속도(V), 자동차 총 중량(M), 타이어-노면의 롤링저항계수($C_r$), 도로 경사각(${\theta}$)과 항력계수($C_d$), 차량의 횡단면적(A)과 같은 공기역학적 매개변수가 자동차의 연비에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 경량금속합금, 섬유강화 플라스틱 복합재료와 같은 대체재료가 기존 자동차의 강재, 주철재를 대체하여 차량의 무게를 줄일 수 있는 가능성 등을 Ashby의 재료지수 방법으로 조사하였다. 본 연구를 통해 다음과 같은 결과를 얻었다. 고속(100km/h)에서 연비에 가장 큰 영향을 미친 매개변수는 그 크기순으로 자동차의 속도 V와 공기역학적 매개변수인 $C_d$, A, ${\rho}$ 및 동력학적 매개변수인 $C_r$, M의 순서로 조사되었다. 반면에 저속(60 km/h)에서는 동력학적 매개변수로는 V, M, $C_r$의 순서로, 공기역학적 매개변수로는 $C_d$, A, ${\rho}$ 순으로 영향을 미침을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the present paper, the dynamic force-moment equilibrium equations, driving power and energy equations are analyzed to formulate the equation for fuel economy(km/liter) equivalent to the driving distance (km) divided by the fuel volume (liter) of the vehicle, a selected model of gasoline powered K...

In the present paper, the dynamic force-moment equilibrium equations, driving power and energy equations are analyzed to formulate the equation for fuel economy(km/liter) equivalent to the driving distance (km) divided by the fuel volume (liter) of the vehicle, a selected model of gasoline powered KIA K3 (1.6v). In addition, the effects of the dynamic parameters such as speed of vehicle (V), vehicle total weight(M), rolling resistance ($C_r$) between tires and road surface, inclined angle of road (${\theta}$), as well as the aerodynamic parameters such as drag coefficient ($C_d$) of vehicle, air density(${\rho}$), cross-sectional area (A) of vehicle, wind speed ($V_w$) have been analyzed. And the possibility of alternative materials such as lightweight metal alloys, fiber reinforced plastic composite materials to replace the conventional steel and casting iron materials and to reduce the weight of the vehicle has been investigated by Ashby's material index method. Through studies, the following results were obtained. The most influencing parameters on the fuel economy at high speed zone (100 km/h) were V, the aerodynamic parameters such as $C_d$, A, ${\rho}$, and $C_r$ and M. While at low speed zone (60 km/h), they are, in magnitude order, dynamic parameters such as V, M, $C_r$ and aerodynamic ones such as $C_d$, A, and ${\rho}$, respectively.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Material distribution in typical vehicle [12]
그림 Fig. 2. Dynamic analysis of vehicle
그림 Fig. 3. Velocity of vehicle for FE measurement (EPA[14], USA)
표 Table 1. Numerical data for parameter analysis[15]
그림 Fig. 4. Improvement of fuel efficiency ratio according to mate-rial change (vehicle velocity at standard data : 100 km/h)
그림 Fig. 5. Improvement of fuel efficiency ratio according to mate-rial change (vehicle velocity at standard data : 60 km/h)
표 Table 2. Materials for automotive use and their density and yield strength
표 Table 3. Material index, specific strength (σ_f/ρ) for automotive materials and weight saved %

AI 본문요약
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문제 정의

Shin[8]은 자동차의 연비향상을 위한 탄소섬유 복합재료 구동 추진축(Propeller shaft)에 대한 연구를 박사논문으로 수행한 바 있다. 본 연구에서는 차량의 경량화를 위해 자동차의 2차원 동력학적 접근을 통해 자동차의 연비식을 유도하고 연비식을 구성하는 다양한 인자(Parameter)가 연비에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 자동차의 동력학적 모델링에 대한 연구는 현재 다양하게 출판되어 있으나 동력학적 모델링으로부터 연비까지 식을 유도하기보다는 대부분이 구동중인 자동차에 작용하는 하중을 많이 구하였다[9-11].

가설 설정

54)km/liter이다. 자동차의 공차 중량 m = 1,235 kg이고 운전자 1명의 무게는 70 kg으로 가정하였다.

제안 방법

자동차의 동력학적 모델링에 대한 연구는 현재 다양하게 출판되어 있으나 동력학적 모델링으로부터 연비까지 식을 유도하기보다는 대부분이 구동중인 자동차에 작용하는 하중을 많이 구하였다[9-11]. 또한 기존 강재 및 주물재 등의 고중량 소재를 복합재료, 경량합금 등으로의 대체를 통해 자동차 경량화가 자동차의 연비에 미치는 영향을 분석하여 대체 가능한 복합재료의 자동차 소재로의 적용 타당성을 조사하였다. 이는 차량의 경량화를 위한 대체 소재의 선정과정 및 대체 소재개발을 위한 로드맵 작성 등의 기초 자료로 활용이 가능할 것이다.
본 논문에서는 차량의 동력학적 해석접근방법을 통해 자동차의 중량, 속도 및 공기역학 관련 인자(Parameter) 변화가 구동에너지와 연비에 미치는 영향을 분석하고 차량의 경량화를 위해 대체 가능한 자동차 경량화 소재를 비강도 (Specific strength)의 함수관계의 그래프로 분석하여 소재의 대체적용 가능성과 경량화 관계를 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
에 반비례함에 따라 구동에너지를 감소시키면 연비는 향상되게 되므로, 이는 차량의 무게 경량화를 통해 연비의 향상이 가능하다는 것을 이론적으로 보여준다. 이를 검토하기 위해 기아자 동차의 K3 1.6 모델의 온라인 데이터[15] 및 기타 주행환경 조건을 Table 1에 반영하여 이를 기준조건으로 하는 자동차의 경량화와 연비 관계를 분석하고자 한다.

대상 데이터

1은 일반적인 자동차에 사용되는 재질을 분류한 자료이다. 사용된 재질은 강재(Steel, 인장강도; 180 MPa, 밀도;7,800 kg/m³ )로 약 55%를 차지하고, 엔진블록이나 브레이크 및 서스펜션에 주로 적용되는 주철재(Cast iron, 인장강도;275 MPa, 밀도; 7,200 kg/m³ )는 약 9% 정도를 그리고 알루미늄(Aluminum, 인장강도; 186 MPa, 밀도; 2,760 kg/m³ )은 약 8% 정도를 차지하고 있다.
즉, 본 연구에서 자동차의 경량화를 위해 선택한 구성소재는 ①,②,⑦,⑧의 4개의 소재이며 이들의 무게는 Fig. 1에 도시된 전체 자동차 무게의 구성비를 사용하여 각각 679.25, 111.15, 98.8 및 98.8 kg으로 그 합은 988 kg이다. Mild steel인 ①은 각각 ③,④,⑥,⑧,⑪,⑫ 및 ⑬번호 소재로 대체될 수 있다.

성능/효과

1) 차량의 동력학적 해석으로부터 구동에너지와 연비에 큰 영향을 미치는 주요 변수들의 영향을 분석하여 저속과 고속주행시 연비에 미치는 영향이 동력학적 인자(주행속도, 자동차 총 중량, 구름저항계수 등)와 공기역학적 인자 (공기밀도, 차량 단면적, 바람속도 등)로 미세하게 구분되어 영향을 미치고 있음을 확인하였다.
2) 자동차 무게의 50% 이상을 차지하는 강재의 10%를 경량화 하는 경우 CFRP, 티타늄, 기가 스틸(Giga steel, POSCO), 단조용 마그네슘합금, AHSS강, HSS강의 순서로 경량화특 성이 우수하였다.
Fig. 4는 그 결과 값으로 이들 변수 인자들 중에 연비에 가장 큰 영향력이 있는 것은 속도(100 km/h에서 90 km/h로 10%감속시 연비 24.98% 증가), 바람속도(역방향 -1 m/sec에서 -0.9 m/sec로 감속 시 연비 8.34% 향상), 공기의 밀도(1.1839 kg/m3 서 1.06551 kg/m3 로 10% 감소 시 6.43% 향상), 자동차의 투영 단면적(2.19 m2 에서 10% 감소한 1.971 m2 로 감소 시 6.43% 향상), 공차중량(1,235 kg에서 1111.5 kg으로 10% 경량화시 연비 3.89% 향상, 운전사 70 kg), 구름저항계수(0.01625에서 0.01463으로 10% 감소시 연비 4.12% 향상)로 나타났다.
한편 연료를 가솔린에서 디젤로 교체하는 경우 엔진 및 동력전달 장치의 차이가 있어 자동차의 무게가 달라져서 자동차 연비증가율이 달라지게 되는데 본 연구에서는 기존 자동차의 무게는 변경이 없다고 가정하고 단지 연료의 에너지 밀도(ρed , MJ/liter)의 차이만 식 (3)에 반영하면 V = 10 km/h와 V = 60 km/h 주행하는 경우 얻어지는 절대 기준연비 값은 각각 24.54 km/liter와 42.29 km/liter으로 연비가 가솔린보다 높게 얻어졌다.

후속연구

3) 본 연구에서는 등속도 자동차 주행을 가정하여 연비 식을 단순화하여 유도하였으나 향후 고속도로 주행 및 시내주행의 복잡한 속도를 부여하여 측정하는 복합연비와는 차이가 크므로 실제에 가까운 속도 프로필을 적용할 필요가 있다.
또한 기존 강재 및 주물재 등의 고중량 소재를 복합재료, 경량합금 등으로의 대체를 통해 자동차 경량화가 자동차의 연비에 미치는 영향을 분석하여 대체 가능한 복합재료의 자동차 소재로의 적용 타당성을 조사하였다. 이는 차량의 경량화를 위한 대체 소재의 선정과정 및 대체 소재개발을 위한 로드맵 작성 등의 기초 자료로 활용이 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄소섬유 강화복합재료 사용으로 인한 차량 경량화의 효과로 기대할 수 있는 것은?	환경 문제와 연비 규제가 강화되고 있는 시점에 자동차메이커들의 관심사 또한 경량화 소재의 개발에 많은 노력을 기울이고 있는 실정이다. Kim 등[6]은 차량 경량화를 위한 탄소섬유 강화복합재료의 동향을 조사하여 이들 소재가 차체와 부품의 경량화를 위해 다양하게 적용이 증가하고 있고, 자동차에 적용 시 차체 중량감소에 따른 제동, 조향, 내구 및 연비향상과 이에 따른 이산화탄소 배출을 최소화하는 장점을 갖고 있음을 제시하였다. Ahmad 등[7]은 자동차 산업에서의 천연섬유 복합재료의 특성 및 적용에 대한 조사를 통해 자동차 구조용 보(Beam)와 패널 구조물에 대한 재료 지수를 비교하여 기존재료 대신 천연섬유 복합재료의 적용 타당성을 제시하였다.
	자동차의 경량화를 위한 노력은 어떻게 나눌 수 있는가?	전기및 수소 자동차와 같은 미래형 자동차는 에너지 차량의 편의성을 도모하면서 에너지 소비효율을 향상시키고자 하면 소형화보다는 경량화 전략이 적절하다. 자동차의 경량화를 위한 노력은 구조(설계)의 경량화, 공정의 경량화, 소재의 경량화 등 크게 세 가지로 나눌 수 있다. 경량화의 3가지 방안 중에 현재 시점에서 가장 효율적인 기술은 경량화 소재를 적용하는 것이다[4,5].
	경량화의 3가지 방안 중에 현재 시점에서 가장 효율적인 기술은 경량화 소재인 이유는 무엇인가?	경량화의 3가지 방안 중에 현재 시점에서 가장 효율적인 기술은 경량화 소재를 적용하는 것이다[4,5]. 공정 및 구조의 경량화 기술을 통한 경량화 수준은 많은 투자 비용에 비해 약 몇 %정도의 수준이지만, 경량화 소재를 이용한 기술은 기존 차량 하중 대비 최대 약 40~60% 정도까지도 가능한 것으로 추정하고 있다. 환경 문제와 연비 규제가 강화되고 있는 시점에 자동차메이커들의 관심사 또한 경량화 소재의 개발에 많은 노력을 기울이고 있는 실정이다.

참고문헌 (20)

Cheah, L.W., "Cars on a Diet: The Material and Energy Impacts of Passenger Vehicle Weight Reduction in the U.S.," Ph.D Thesis, MIT, 2010.
de Pablo, J.M.S., Lopez, M.M., and Bret, A., How Green are Electric or Hydrogen-Powered Cars?: Assessing GHG Emissions of Traffic in Spain, Springer 2016.
Faruk, O., Tjong, J., and Sain, M., Lightweight and Sustainable Materials for Automotive Applications, CRC Press, 2017.
Mallick, P.K., Materials, Design and Manufacturing for Lightweight Vehicles, Woodhead Pub., 2010.
Elmarakbi, A., Advanced Composite Materials for Automotive Applications: Structural Integrity and Crashworthiness, Wiley, 2013.
Kim, K.S., Bae, K.M., Oh, S.Y., Seo, M.K., Kang, C.G., and Park, S.J., "Trend of Carbon Fiber-reinforced Composites for Lightweight Vehicles", Elastomers and Composites, Vol. 47, No. 1, 2012, pp. 65-74.

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Ahmad, F., Choi, H.S., and Park, M.K., "A Review: Natural Fiber Composites Selection in View of Mechanical, Light Weight, and Economic Properties," Macromolecular Materials and Engineering, Vol. 300, Iss. 1, 2014, pp. 10-24.
Shin, D.C., "A Study on the Weight Reduction of Propeller Shaft of Carbon Fiber Composite Material to Improve Fuel Efficiency Ratio of Vehicles", Ph.D. Thesis, Chungwon University, 2018.
Taghavifar, H., adn Mardani, A., Off-road Vehicle Dynamics: Analysis, Modelling and Optimization, Springer, 2017.
Hayes, J.G., and Goodarzi, G.A., Electric Powertrain: Energy Systems, Power Electronics and Drives for Hybrid, Electric and Fuel Cell Vehicles, Wiley, 2018.
Lugner, P., Vehicle Dynamics of Modern Passenger Cars, Springer 2019.
Davies, G., Materials for Automobile Bodies, 2nd ed., Butterworth-Heinemann Pub., 2012.
Bosch, Automotive Handbook, Karlsruhe, Germany, 2000.
https://www.epa.gov/vehicle-and-fuel-emissions-testing/dynamometer-drive-schedules
https://www.kia.com/kr/vehicles/k3.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Gasoline
https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?idgrey_cast_iron_astm_40
Bettles, C., and Barnett, M., Advances in Wrought Magnesium Alloys: Fundamentals of Processing, Properties and Applications, Wood Head Pub., 2012.
Ashby, M.F., Materials Selection un Mechanical Design, Butterworth-Heinemann Pub., 5th ed., 2017.
https://newsroom.posco.com/en/posco-giga-steel-increases-strength-improves-safety-autos/

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