초록 ▼

연구개요
본 연구에서는 압전작동기 구동기술과 고주파 간섭 기술을 이용하여 엔진 연소실에서 월웨팅되는 연료막을 저감시키는 기술을 개발하였다. 즉 자동차 엔진에서 인젝터에 의해 연소실 내부로 분사되고 있는 연료입자에 압전진동자를 이용한 고주파 음향 에너지를 조사함으로써 월웨팅 현상을 억제하고, 나아가 이미 월웨팅된 유막을 다시 미립화하여 기화를 촉진함으로써 배출가스를 저감하는 시스템을 최초로 제안하였다. 따라서 본 연구의 최종연구목표는 엔진 연소실에서 월웨팅되는 연료의 압전 미립화 제어, 즉 압전 월웨팅 제어에 의한 배출가스 저감

연구개요
본 연구에서는 압전작동기 구동기술과 고주파 간섭 기술을 이용하여 엔진 연소실에서 월웨팅되는 연료막을 저감시키는 기술을 개발하였다. 즉 자동차 엔진에서 인젝터에 의해 연소실 내부로 분사되고 있는 연료입자에 압전진동자를 이용한 고주파 음향 에너지를 조사함으로써 월웨팅 현상을 억제하고, 나아가 이미 월웨팅된 유막을 다시 미립화하여 기화를 촉진함으로써 배출가스를 저감하는 시스템을 최초로 제안하였다. 따라서 본 연구의 최종연구목표는 엔진 연소실에서 월웨팅되는 연료의 압전 미립화 제어, 즉 압전 월웨팅 제어에 의한 배출가스 저감기술을 개발하는 것이다.

연구 목표대비 연구결과
본 연구는 압전 월웨팅 제어에 의한 배출가스 저감기술을 개발하기 위해 총 2단계의 연구로 구성되었다. 먼저 1차년도에는 압전 고주파 음향 진동자 설계 및 제작을 수행하였으며, 2차년도에는 월웨팅 제어 시스템 구축 및 성능평가의 단계로 진행되었다. 본 연구의 최종목표인 월웨팅 연료입자막 저감 및 분산 시스템을 개발하기 위해 1차년도 연구에서는 압전작동기를 이용하여 고주파 음향을 발생시키는 진동자 구동메커니즘을 고안하고, 진동자의 초음파 구동을 종방향 진동으로, 초음파 가진에 따른 액체의 무화과정을 유막패턴 이론으로 모델링하였다. 그리고 유한요소해석 기법을 이용하여 진동자의 모달 및 하모닉 해석을 수행하여 초음파 구동 특성을 분석하고 형상을 최적화하였다. 나아가 압전진동자의 시작품을 제작하고 고주파 음압 특성시험을 통해 진동자의 성능을 실험적으로 평가함으로써 1차년도의 연구목표를 달성하였다. 본 연구의 2차년도에는 초음파 환경에서 연소실 분사입자의 거동특성을 ANSYS FLUENT를 이용하여 유체동력학적으로 분석하였으며, 이를 통해 분사 입자의 속도와 위치를 해석함으로써 초음파하에서 분사입자의 미세분산을 평가하였다. 그리고압전작동기의 히스테리시스 거동에 따른 Preisach 모델을 구성하고 이에 기반한 역모델 제어알고리즘을 구축하였다. 나아가 1차년도 연구결과를 바탕으로 2차년도에는 진동자에 별도의 혼이 결합된 형태의 새로운 압전진동자를 제작하였고 모의실린더에 적용하여 월웨팅 연료 미립화 시스템을 제작하였다. 월웨팅저감 및 균일분산 성능 시험을 통해 초음파 음압이 연소실 분사입자의 거동에 영향을 미칠 수 있으며, 나아가 벽면에 부착된 입세입자의 기화를 촉진하고, 과다 부착에 의한 월웨팅 액적을 다시 비산시키는 것을 실험적으로 고찰함으로써 압전 초음파 진동자에 의한 연소실 분사입자의 균일무화 및 월웨팅 저감 특성을 입증하였다. 이러한 기초연구 결과는 실제 엔진의 연소에서 완전연소와 배출가스 저감으로 나타날 것이다. 아직 배출가스 분석을 통한 실증이 남아있지만 본 연구의 최종목표를 달성하였다고 판단된다.

연구개발결과의 중요성
압전 고주파 음향 간섭에 의한 연소실 분사연료의 월웨팅제어라는 독창적인 아이디어를 기반으로 한 본 연구는 자동차 엔진의 연소특성이 가장 나쁜 구간인 시동초기와 가속시의 고배출가스를 한계를 극복하는 새로운 해결책을 제시하는 것이다. 이로 부터 제시된 새로운 연료입자 분산 및 월웨팅저감 기술은 현재 관련 기술의 주도권을 갖고 있는 유럽, 미국, 일본 등이 보유하고 있는 기술과 차별화 되는 새로운 배출가스 저감 기술을 국내에서 확보할 수 있게 할 것이며, 나아가 국제적 기술 우위를 선점할 것으로 확신한다. 또한 자동차, 선박, 중장비에 이르기 까지 다양한 분야에서 적용되고 있는 가솔린 및 디젤 엔진에 활용 가능한 기술을 확보함으로써 막대한 경제 및 산업적 파급 효과를 꾀할 수 있다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 가. 연구의 필요성 ... 4
• 나. 연구가설 및 연구가설의 도출근거 ... 4
• 다. 연구 목표 ... 6
• 라. 연구 범위 ... 6
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 7
• 가. 서론 ... 7
• 나. 압전 고주파 진동자 설계 ... 7
• 나. 진동자 모델링 ... 9
• 다. 유한요소해석 기법을 적용한 진동자 최적화 ... 10
• 라. 압전진동자의 제작 및 성능 시험 ... 13
• 마. 압전진동자 제어알고리즘 구축 ... 15
• 바. 압전 월웨팅제어 시험 ... 16
• 사. 결론 ... 18
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 19
• 4. 참고문헌 ... 19
• 5. 연구성과 ... 20
• 대표적 연구실적 ... 20
• 끝페이지 ... 23