초록 ▼

□ 연구개요
본 연구는 기존 로타리 엔진의 단점들을 극복할 수 있는 신형 (Gerotor-pump type with three lobes, 이하 GP3 로타리) 로타리 엔진을 개발하여, 이를 한국형 가정용 보일러(출력 10,000~40,000 kcal/h)와 결합하여 열과 전기를 동시에 생산하는 Mini-CHP 장치에 활용하는 것을 목적으로 시작한 연구이다. 본 과제는 우선, Mini-CHP에 적합한 소형(1kW~10kW) 로타리 엔진으로 단가도 경쟁력을 가지며, 효율도 기존 왕복동 엔진에 버금가는 원동기를 개발하고, 이를 적

□ 연구개요
본 연구는 기존 로타리 엔진의 단점들을 극복할 수 있는 신형 (Gerotor-pump type with three lobes, 이하 GP3 로타리) 로타리 엔진을 개발하여, 이를 한국형 가정용 보일러(출력 10,000~40,000 kcal/h)와 결합하여 열과 전기를 동시에 생산하는 Mini-CHP 장치에 활용하는 것을 목적으로 시작한 연구이다. 본 과제는 우선, Mini-CHP에 적합한 소형(1kW~10kW) 로타리 엔진으로 단가도 경쟁력을 가지며, 효율도 기존 왕복동 엔진에 버금가는 원동기를 개발하고, 이를 적용한 Mini-CHP 시스템의 운전특성을 검토하는 것이다.

□ 연구 목표대비 연구결과
< 1단계 연구목표 대비 결과 (2년) >
- 엔진 set 설계 및 제작 (5 kWe급 GP3 및 GP4)
: Gerotor pump 설계원리를 이용하여 형상 설계 프로그램을 개발하여 GP3 엔진의 주요부품의 최적 형상 제원을 도출하고, 설계 제작을 완료하였다.
- 흡·배기계 최적화 설계, 윤활 및 cooling 시스템 설계 제작
: 흡·배기계 최적설계는 3D 유동해석을 진행하여 흡배기 타이밍 및 흡배기실의 형상을 최적화 하였다. 윤활 및 냉각 시스템은 상용 wankel 엔진을 분석하여 GP3 엔진에 적합하도록 설계하여 제작을 완료하였다.
- NG Mixer 방식 연료 공급 시스템 및 EMS(Engine management system) 구성
: GP 엔진 전용 EMS를 설계하여 점화시기 및 연료분사량 등을 쉽게 제어할 수 있도록 제작하였다.
- 엔진 성능 및 운전 특성 비교 평가
: 10차 개선 엔진까지 성능시험을 수행하면서 성능개선을 시도하여 대부분의 제작 기술은 습득하였으나, 실링 불량으로 인해 목표성능에는 도달 못 함.
- NG연료용 Mini-CHP용 엔진 사양 선정. (GP3 혹은 GP4)
: GP3 엔진의 문제점 개선에 집중하느라 GP4의 경우는 설계 및 주물의 소재까지는 개발하였지만 제작 및 시험평가는 이루어지지 못했다. GP4 RTE(원천특허 보유)에 대해서는 추후에 3D 해석을 통해 원래 목표를 검증하고자 한다.
< 2단계 연구목표 대비 결과 (1년) >
- Mini-CHP 시스템 구성(엔진, 후연소기 및 폐열회수기)
- CHP system 운전 특성 검토 및 최적 운전 조건 도출
: 신형 로타리 엔진의 결점인 미연가스 발생을 극복할 수 있는 방안으로 엔진에서는 과농 상태에서 연소하면서 전기를 발생시키고, 미연연료는 보일러에서 연소하고, 또 냉각수를 폐열회수에 이용하는 Mini-CHP 시스템을 이용하여 효율 상승 및 NOx 저감을 동시에 달성할 예정이었으나, GP3 엔진 개발 미비로, 물분사 폐열 회수 보일러에 국한하여 연구를 수행하였음.

□ 연구개발결과의 중요성
본 연구에서는 애로사항(1-3-2절)에 언급한 바와 같이 목표한 엔진 개발에 최선을 다하였으나, 설계 공차에 따른 고RPM 운전에서의 엔진 소착-실링 성능의 trade-off 관계를 극복하지 못하여 만족할 만한 엔진성능은 얻지는 못하였다. 현재, 엔진 최적화 설계가 거의 완료된 상태이며, 3D CFD 해석 결과로는 도시 IMEP 및 효율이 각각 8.4 bar, 30.3%로 상용 왕복동 엔진(혼다 GXV120: 8.5bar, 23.1%)과 동등 수준으로 충분히 상용화 가치가 있다고 판단된다(2-7참조). 추후, 미진한 최적화 설계를 완성하여 실링 개선에 노하우가 있는 기업체와 함께 엔진 개발을 다시 시도할 예정이다. 또 본 연구를 계기로 개발한 물분사 폐열회수 보일러는 효율은 기존의 응축형 보일러 보다 약 5%정도 상승하며, NOx 발생량도 10ppm 이하로 저감할 수 있음을 확인하였다. 이 성능개선 가능성을 인정받아 현재 국책과제로 보일러 메이커와 함께 상용화 연구를 진행하고 있다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1-1. 본 연구의 개요 ... 4
• 1-2 본 개발 엔진 구조적 개요 및 작동 특징 ... 4
• 1-3. 연구목표 및 연구내용 ... 6
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 9
• 2-1. Wankel 엔진의 구조 및 운전특성 검토 ... 9
• 2-2. Gerotor pump의 설계원리를 통한 GP3 엔진의 최적 형상 설계 ... 10
• 2-3. GP3 엔진의 주요 부품 설계 및 제작 ... 11
• 2-4. 엔진구동을 위한 보조 시스템 (윤활, 실링, 쿨링 시스템) ... 12
• 2-5. EMS(Engine management system) 설계 및 제작 ... 13
• 2-6. 1D GT-POWER를 통한 GP3 엔진 각종 인자 최적화 설계 ... 14
• 2-7. 3D CFD(Converge)를 통한 GP3 엔진의 최적화 설계(현재 진행중) ... 15
• 2-8. 엔진 성능시험 분석 및 개선사항 도출 ... 16
• 2-9. 물분사 폐열회수 보일러 기초원리 정립 및 설계자료 도출 ... 17
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 18
• 4. 참고자료 및 참고문헌 ... 19
• 5. 연구성과 ... 20
• 대표적 연구실적 ... 23
• 끝페이지 ... 35