[논문]엔진 블록과 냉각 팬의 간극에 따른 자동차 냉각 팬의 성능 특성 연구

유병민; 유기완; 이강덕; 이명한; 홍성규

엔진 블록과 냉각 팬의 간극에 따른 자동차 냉각 팬의 성능 특성 연구
Performance Characteristics of Automobile Cooling Fan according to Gap between Engine Block and Cooling Fan 원문보기

유병민 (전북대학교 항공우주공학과) , 유기완 (전북대학교 항공우주공학과) , 이강덕 (현대자동차(주) 남양연구소) , 이명한 (현대자동차(주) 남양연구소) , 홍성규 ((주)엔지비)

The performance of cooling fan is affected by many peripheral parts, such as radiator, condenser, engine block and etc. Higher power has been requested in more confined automobile engine room. Thus, cooling performance becomes very important to remove the heat generated from the automobile engine more efficiently. In this paper, the performance of cooling fan including effects of engine block is investigated by using a fan tester based on the ASHRAE and the AMCA standards. A flow rate - gap distance curves and a flow rate - engine block constant curves are obtained from this study.

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문제 정의

본 실험에서는 현재 양산되어 실제로 차량에 장착되는 냉각 팬에 대한 엔진 블럭 효과가 고려된 성능실험을 통해 엔진 블럭이 냉각 팬의 성능에 미치는 영향을 파악하였으며, 차후 냉각 팬 설계에 필요한 성능예측에 관한 기초 데이터를 얻고자 한다.
본 실험은 냉각 팬과 엔진 블럭 사이의 거리를 변화시켜 그에 따른 냉각 팬의 성능 변화를 파악하는 것과 냉각팬을 작동시키는 인가 전압의 변화로 유량을 변화시켜 각각의 유량에 대한 엔진 블럭 효과를 파악하는 것에 목적을 두고 있다. Fig.
본 연구의 목적은 냉각 팬 주변부품인 라디에이터, 콘덴서, 엔진 블럭 등의 저항체들이 냉각 팬의 냉각 성능에 미치는 영향을 파악하는 것으로, 특히 엔진룸 내의 엔진 블럭이 냉각 팬의 냉각 성능에 미치는 영향을 중점적으로 고려하는 것이다. 이를 통해 냉각 팬의 성능예측에 엔진 블럭 효과를 고려할 수 있는 기초를 마련하도록 한다.
본 연구의 목적은 냉각 팬 주변부품인 라디에이터, 콘덴서, 엔진 블럭 등의 저항체들이 냉각 팬의 냉각 성능에 미치는 영향을 파악하는 것으로, 특히 엔진룸 내의 엔진 블럭이 냉각 팬의 냉각 성능에 미치는 영향을 중점적으로 고려하는 것이다. 이를 통해 냉각 팬의 성능예측에 엔진 블럭 효과를 고려할 수 있는 기초를 마련하도록 한다.

제안 방법

52m를 가지는 원형 스티로폼 판을 사용하였다. 냉각 팬과의 거리 변화는 0.1m에서 0.025m 간격으로 0.2m까지 실험을 수행하였다. 정압의 측정은 2mmAq 단위의 간격으로 변화되도록 하였다.
정압의 측정은 2mmAq 단위의 간격으로 변화되도록 하였다. 또한, 각각의 유량에 대한 엔진 블럭 효과를 파악하기 위해서 냉각 팬의 인가전압을 바꾸어 냉각 팬의 유량을 변화시켜 가며 실험을 수행하였다.
또한, 냉각 팬의 인가 전압을 변화시켜가며 그에 따른 성능곡선과 각 인가 전압에서 엔진 블럭과 냉각 팬의 거리를 고정한 상태로 엔진 블럭 효과 실험을 수행하여 그에 따른 엔진 블럭 효과를 비교하였다. 인가 전압이 낮을수록 냉각팬의 유량이 적어지며, 엔진 블럭 상수도 작아짐을 확인할 수 있었다.
그들 사이의 관계를 나타내는 선도를 성능 곡선(Performance curve)이라 한다. 본 실험에서는 Fan fester를 이용하여 냉각 팬의 성능 곡선을 얻었다.
본 실험은 엔진 블럭 효과가 냉각 팬의 성능에 미치는 영향을 파악하기 위해 냉각 팬과 엔진 블럭 사이의 거리를 Fig. 3과 같이 변화시켜 가면서 실험을 수행하였다. 엔진 블럭 효과를 주기 위한 저항체는 직경 0.
본 연구에서는 Fan tester를 이용하여 엔진 블럭 효과가 고려된 냉각 팬의 성능 변화 실험을 수행하였다. 이를 위해, 냉각 팬의 유량 변화와 냉각 팬과 엔진 블럭 사이의 거리 변화에 따른 냉각 팬의 성능 변화를 파악하고, 이를 통해 엔진 블럭 효과가 냉각 팬에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 냉각 팬 제조회사에서 엔진 블럭 효과를 실험하는 거리인 0.15m를 고려하여 엔진 블럭과 냉각팬의 거리를 0.1m에서 0.2m사이로 제한하여 실험을 수행하였다. 그러나 자동차의 고성능화와 차량의 슬림화는 앞으로 계속될 것이고, 그에 따른 엔진룸의 밀집화에 의해 냉각팬과 엔진 블럭과의 거리는 점점 더 짧아질 것이다.
실험에서 유량은 대상 시료를 Fig. 1 ①의 위치에 장착하여 가동한 후 보조 송풍기(②)를 이용하여 정압실(③)내의 정압을 대기압과 같게 하여, 계기 압력이 0이 되도록 조정한 후 댐퍼의 개도를 조절하며 노즐 양단의 압력차를 이용하여 다음과 같이 측정하였다.
압력의 측정은 Yokogawa EJX110A 압력계를 이용하였고, 정압실(③)의 정압측정과 노즐 전후단(⑤)의 차압을 측정하는데 이용하였다. 정압과 차압은 상하좌우 4곳의 압력측정용 구멍으로 측정한다.
엔진 블럭 효과가 반영된 냉각 팬의 성능변화에 대한 유량 계산 실험식을 도출하였다. 엔진 블럭 상수를 도입하였으며, 냉각 팬의 유량은 엔진블럭 상수에 비례하고 엔진 블럭과 냉각 팬의 거리에 반비례한다.
엔진 블럭 효과가 반영된 냉각 팬의 성능변화에 대한 유량 계산 실험식을 도출하였다. 엔진 블럭 상수를 도입하였으며, 냉각 팬의 유량은 엔진블럭 상수에 비례하고 엔진 블럭과 냉각 팬의 거리에 반비례한다.
엔진 블럭 효과에 따른 자동차 냉각 팬의 성능 특성에 관한 연구를 위해 냉각 팬과 엔진 블럭의 거리 변화에 따른 유량변화를 확인하였다. 냉각 팬과 엔진 블럭의 거리가 가까울수록 저항이 커져 유량이 감소하며, 거리가 가까울수록 그 감소폭은 더 커짐을 확인하였다.
8의 값을 갖는다. 엔진 블럭 효과에 의한 유량변화에 대해서 보다 명확한 판단을 위해 실험을 통해 얻은 데이터들을 무차원화 하였으며, 실험식을 재정립하였다.
본 연구에서는 Fan tester를 이용하여 엔진 블럭 효과가 고려된 냉각 팬의 성능 변화 실험을 수행하였다. 이를 위해, 냉각 팬의 유량 변화와 냉각 팬과 엔진 블럭 사이의 거리 변화에 따른 냉각 팬의 성능 변화를 파악하고, 이를 통해 엔진 블럭 효과가 냉각 팬에 미치는 영향을 분석하였다.
6은 Model A와 Model B 냉각 팬의 인가 전압을 변화시켜가며 그에 따른 성능곡선과 각 인가 전압에서 엔진 블럭 효과를 비교한 것이다. 인가 전압의 변화에 의한 유량 변화를 통해 각 유량에서 엔진 블럭 효과를 파악하기 위해 냉각 팬과 엔진 블럭과의 거리를 냉각 팬 제조회사에서 엔진 블럭 효과를 실험하는 거리인 0.15m로 고정하여 그에 따른 성능곡선을 얻어냈다. 인가 전압이 낮을수록 냉각 팬의 유량이 적어지는 것을 확인할 수 있으며, 인가 전압의 변화에 의한 유량 변화에도 불구하고, 엔진 블록효과에 의한 성능 변화에 대한 양상은 유사함을 확인할 수 있다.

대상 데이터

본 실험은 냉각 팬과 엔진 블럭 사이의 거리를 변화시켜 그에 따른 냉각 팬의 성능 변화를 파악하는 것과 냉각팬을 작동시키는 인가 전압의 변화로 유량을 변화시켜 각각의 유량에 대한 엔진 블럭 효과를 파악하는 것에 목적을 두고 있다. Fig. 1은 본 실험에서 사용된 실험장치인 Fan tester로 ANSI/ASHRAE 51-1985, AMCA210-95의 규격⁷⁾에 근거하여 제작하였으며, 측정 범위는 최소 5CMH에서 최대 5,000CMH까지 가능하다. 8개의 노즐이 사용되는 멀티 노즐형식으로 노즐의 모습과 직경에 따른 유효 측정범위는 Fig.
정압과 차압은 상하좌우 4곳의 압력측정용 구멍으로 측정한다. 댐퍼(⑦)는 원판형 댐퍼를 이용하였고, 유량 조절을 위한 보조 송풍기(⑧)는 10 Hp 모터를 사용하여 회전수 조절로 시험 조건에 적합한 유량을 조절 한다.
본 실험에서 사용된 냉각 팬은 양산차량에서 사용되는 모델이다. Table 1은 2종류의 냉각 팬으로 각각 Model A와 Model B의 냉각 팬 사양을 보여준다.
3과 같이 변화시켜 가면서 실험을 수행하였다. 엔진 블럭 효과를 주기 위한 저항체는 직경 0.52m를 가지는 원형 스티로폼 판을 사용하였다. 냉각 팬과의 거리 변화는 0.

성능/효과

엔진 블럭 효과에 따른 자동차 냉각 팬의 성능 특성에 관한 연구를 위해 냉각 팬과 엔진 블럭의 거리 변화에 따른 유량변화를 확인하였다. 냉각 팬과 엔진 블럭의 거리가 가까울수록 저항이 커져 유량이 감소하며, 거리가 가까울수록 그 감소폭은 더 커짐을 확인하였다.
정압이 낮아지면서 유량이 커지는 것을 확인할 수 있으며, 엔진 블럭이 고려된 경우는 고려되지 않은 경우보다 동일 정압대비 유량이 낮아짐을 확인할 수 있다. 또한, 동일 정압대비 유량 감소의 경향은 냉각 팬과 엔진 블럭의 거리가 가까울수록 커지고 멀어질수록 작아짐을 확인할 수 있다. 이는 Model A와 Model B 냉각 팬 모두에서 나타난다.
15m로 고정하여 그에 따른 성능곡선을 얻어냈다. 인가 전압이 낮을수록 냉각 팬의 유량이 적어지는 것을 확인할 수 있으며, 인가 전압의 변화에 의한 유량 변화에도 불구하고, 엔진 블록효과에 의한 성능 변화에 대한 양상은 유사함을 확인할 수 있다. 이는 식 (6)이 실험에 사용된 냉각 팬과 다른 유량을 가지는 냉각 팬에서도 적용된다는 것을 의미한다.
또한, 냉각 팬의 인가 전압을 변화시켜가며 그에 따른 성능곡선과 각 인가 전압에서 엔진 블럭과 냉각 팬의 거리를 고정한 상태로 엔진 블럭 효과 실험을 수행하여 그에 따른 엔진 블럭 효과를 비교하였다. 인가 전압이 낮을수록 냉각팬의 유량이 적어지며, 엔진 블럭 상수도 작아짐을 확인할 수 있었다. 즉, 냉각 팬과 엔진 블럭과의 거리가 고정된 상태에서 엔진 블럭 상수는 냉각 팬의 유량에 의해 결정되어지며, 그 양상은 냉각 팬의 최대 유량에 비례하여 증가한다.
4는 자동차 냉각 팬의 구동 전압인 12V에서 정압과 유량과의 관계를 나타낸 성능곡선으로, 엔진 블럭의 거리 변화에 따른 성능곡선을 비교한 것이다. 정압이 낮아지면서 유량이 커지는 것을 확인할 수 있으며, 엔진 블럭이 고려된 경우는 고려되지 않은 경우보다 동일 정압대비 유량이 낮아짐을 확인할 수 있다. 또한, 동일 정압대비 유량 감소의 경향은 냉각 팬과 엔진 블럭의 거리가 가까울수록 커지고 멀어질수록 작아짐을 확인할 수 있다.

후속연구

그러나 자동차의 고성능화와 차량의 슬림화는 앞으로 계속될 것이고, 그에 따른 엔진룸의 밀집화에 의해 냉각팬과 엔진 블럭과의 거리는 점점 더 짧아질 것이다. 이러한 관점에서 보면, 냉각 팬과 엔진 블럭과의 거리가 0.1m 이하인 구간에서의 엔진 블럭 효과는 앞으로 연구할 가치가 있다고 판단된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

최근 개발된 차량에서 냉각 팬으로 인한 소음이 증가하는 까닭은 무엇인가?

이는 차량의 엔진룸이 밀집화와 더불어 엔진룸내의 주변 부품들에 의해 팬 단독 운전상태인 경우와는 성능 및 소음 측면에서 전혀 다른 현상을 일으키는 요인으로 작용한다. 즉, 협소한 공간에서 큰 시스템 저항으로 인해 냉각 팬의 성능과 불균일 유입류로 인한 소음 증가 현상이 동반된다. 이로 인해 자동차용 엔진냉각 팬의 설계 및 성능평가는 시스템의 특성상 실차 테스트를 통해 개발하는 것이 가장 확실한 방법이다.

자동차용 엔진냉각 팬의 설계 및 성능 평가는 무엇을 통해 확인 하는 것이 가장 확실한가?

즉, 협소한 공간에서 큰 시스템 저항으로 인해 냉각 팬의 성능과 불균일 유입류로 인한 소음 증가 현상이 동반된다. 이로 인해 자동차용 엔진냉각 팬의 설계 및 성능평가는 시스템의 특성상 실차 테스트를 통해 개발하는 것이 가장 확실한 방법이다. 그러나 전적으로 실제 시험에만 의존할 경우, 시행착오에 의한 개발 일정, 소요경비 증가 등의 문제가 적지 않다.

최근 냉각팬에 영향을 주고 있는 자동차 개발의 경향은 무엇이 있는가?

과거 단순한 수송수단의 용도로 사용되어지던 자동차는 급속한 산업의 발달과 그로 인한 인간의 생활이 윤택해짐에 따라 단순한 수송수단 이상의 의미를 가지게 되었다. 특히 최근 세계적인 유가상승과 소비자들의 요구에 의해 차량성능의 고효율, 고성능화 되어 가고 있는 추세이다. 이로 인한 자동차의 부품 또한 고효율화, 경량화 및 저소음화가 요구되고 있다. 이러한 현상은 자동차 냉각시스템의 냉각팬에도 영향을 주고 있으며, 현재 자동차용 라디에이터, 콘덴서, 냉각 팬에 대한 연구1~5)가 활발하게 이루어지고 있다.

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