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- 저자 : 김성근(Seongkeun Kim) (검색결과 4 건)
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저온 환경에서 LP EGR 사용 시 인터쿨러 내부의 응축수 발생량 예측
김성근(Seongkeun Kim),윤원준(Wonjun Yoon),나일신(Ilsin Na),박정수(Jungsoo Park),정성용(Sungyong Jung) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.6
전 세계적으로 환경 문제가 대두됨에 따라 디젤 엔진의 청정 연소에 대한 관심도 증가하고 있다. 디젤 엔진의 배기가스를 감소시키기 위하여 2014년부터 Euro 6가 적용되고 있으며, 우리나라도 2015년부터 디젤 엔진에 Euro 6 기준이 적용되고 있다. 배기가스 규제 기준치를 만족하기 위해서 매연 저감 필터(DEF), 선택적 촉매 환원, 질소 산화물 저감 트랩 등의 후처리 장치와 기술들이 개발되어 차량에 적용되고 있다. 배기가스 재순환(Exhaust gas recirculation, EGR) 은 작동유체의 화염 온도와 산소 농도를 낮추어 질소 산화물(NOx)의 배출량을 크게 줄일 수 있는 기술이며 다른 후처리 장치에 비해서 크기가 작고 소형화가 가능하므로 NOx 저감 이외에도 차량 경량화를 통한 연비를 높일 수 있는 장점을 가지고 있다. 저압 EGR(LP EGR)은 DEF 후단에서 추출하므로 EGR율을 높이고 더 낮은 신기 온도를 유지할 수 있어 NOx 저감에 효과적이다. 하지만, LP EGR에 포함된 배기 가스는 많은 수분을 함유하고 있어 인터쿨러 내부에 응축수가 발생하게 되며, 발생된 응축수는 엔진의 부식과 성능저하 뿐만 아니라 저온 환경에서 결빙으로 이어져 압축기의 직접적인 손상을 일으킨다. 따라서, 저온 환경에서 LP EGR을 사용하기 위해서는 응축수 발생을 예측하고 엔진의 성능 저하화 물리적 손상을 최소화할 필요가 있다. 본 연구에서는 비용과 시간을 절감시킬 수 있는 인터쿨러 fin 한 개의 형상에 대한 해석을 기반으로 인터쿨러 내부 전체에 발생하는 응축수 발생량을 예측하였으며, 응축수 발생에 있어 혼합 가스의 온도와 LP EGR 사용률에 대한 변수들의 영향성을 확인하였다. 혼합 가스의 온도가 감소 및 LP EGR 사용률이 증가함에 따라 응축수 발생량이 감소함을 확인하였다. 본 연구의 결과는 저온 환경에서 LP EGR을 사용할 때 발생할 수 있는 엔진 성능 저하를 방제하는데 활용될 수 있을 것으로 예상된다. [그림 본문 참조]
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저온환경에서 발생하는 인터쿨러 내부 결빙현상 예측에 관한 수치해석적 연구
윤원준(Wonjun Yoon),김성근(Seongkeun Kim),나일신(Ilsin Na),정성용(Sungyong Jung),박정수(Jungsoo Park) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6
내연기관 자동차는 출력을 높이면서 배기가스를 감소시키는 방향으로 많은 연구와 기술개발이 발전해왔다. 출력을 높이기 위한 방법으로 연소 후 배출되는 고압가스를 이용하여 Turbo charge(TC)의 터빈을 회전시켜 얻는 회전력을 압축기에 사용하여 흡입 공기를 대기압보다 높은 압력으로 형성하여 엔진 출력을 증가시키는 방법이 있다. 하지만 흡입공기를 압축하는 과정에서 온도가 상승하고 팽창하기 때문에 공기 밀도가 감소하여 오히려 엔진 출력 효율을 감소시킬 우려가 있다. 따라서 압축된 공기를 냉각시키기 위해 Intercooler(IC)가 필요하다. IC는 압축된 공기 온도를 낮춤으로써 공기 밀도를 증가시켜 더 많은 공기 유입으로 인해 엔진 출력을 높이는데 도움을 준다. 게다가 내연기관 트렌드는 연비 향상을 위해 엔진을 다운사이징화하고 있는 추세이며 이를 보완하기위해 TC를 장작하고 있다. 배기가스를 감소시키는 방법으로는 후처리장치 및 EGR 사용이 있다. 다양한 후처리장치 추가는 차량 비용과 무게증가로 인한 연비감소로 이어져 사용자의 부담이 증가함으로 EGR 기술을 적용하여 배기가스를 감소시킬 수 있다. EGR은 HP, LP EGR로 나뉘며 HP EGR은 TC 전단에서 추출하여 intake manifold에서 압축공기와 혼합되어 응답성이 빠른 장점이 있지만 TC의 터빈을 회전시켜야 할 배기가스 일부를 사용함으로써 압축 효율이 감소되는 특징이 있다. LP EGR은 TC와 후처리장치를 거쳐 외부로 배출되는 가스를 활용하는 기술로 HP EGR에 비해 응답성은 늦고 온도차이로 인하여 응축수가 생성될 수 있지만 신기와 혼합이 잘되며, 터빈 회전력을 유지할 수 있어 압축효율이 증가한다. 따라서 각 운전영역에 따라 HP, LP EGR을 함께 사용하는 Duel loop EGR을 적용하고 있다. 최근 들어 과거에 비해 기후 변동의 폭이 커짐에 따라 전세계적으로 이상기후가 관측되고 있고 자동차의 주행조건 역시 가혹한 환경에서 운전된다. 따라서 자동차는 시중에 판매되기 전 극한의 상황을 고려하여 많은 테스트를 진행하며 특히, 영하 조건에서 초기시동부터 운전 테스트를 진행한다. 영하의 공기가 LP EGR과 압축기를 지나 혼합되면서 응축수가 생성되고 IC를 지나면서 IC 내부에 결빙이 성장하게 된다. IC 내부에서 결빙 성장의 경우 유동 흐름을 방해함과 동시에 엔진 성능에 영향을 미친다. 본 연구는 영하 온도에서 흡입되는 공기와 LP EGR이 만나 혼합되어 압축기를 통과하면서 혼합기체 온도가 상승한 상태로 IC 열교환의 영향으로 결빙이 생성된다는 것에 착안하여 연구를 진행하였다. 해석 형상은 현대자동차에서 개발한 모델로 IC전단 by pass valve를 이용하여 저온일 때는 100% by pass하고 고온일 때는 IC로 유동을 분배하는 시스템이다. 해석은 100% by pass 조건에서 수행하여 ansys fluent로 유동해석을 진행하였으며 이후 FENSAP-ICE tool을 사용하여 droplet과 icing 해석을 순차적으로 진행하였다. 해석 모델 신뢰도는 실차 실험 데이터 값과 해석모델 데이터 값을 비교하였으며 외기온도에 따른 결빙량을 예측하였다. Fluent 유동해석 결과 rpm-load가 증가할수록 압축된 혼합기체 속도가 증가하였고 형상적인 요인에 의해 swirl이 발생하는 것을 확인하였다. Swirl과 by pass pipe 형상으로 인하여 IC 하단 chamber부분으로 유입되어 체류시간이 증가하면서 결빙이 발생하였고, 결빙량에 영향을 미치는 인자로는 체류시간과 외기온도가 있다. 저속 영역보다 중속 영역에서 결빙량이 감소하는 경향성을 보였으며 이는 흡입속도가 증가하여 IC 하단 chamber부분에서 체류하는 시간이 감소하여 결빙량이 줄어든 것으로 판단된다.
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가스 분사 시스템에서 연료 레일의 압력 변동에 대한 실험적 연구
장열성(Yeolsung Jang),우성동(Sungdong Woo),엄인용(Inyong Ohm),김성근(Seongkeun Kim),박정남(Jeongnam Park) 한국자동차공학회 2005 한국자동차공학회 춘 추계 학술대회 논문집 Vol.2005 No.11_1
The basic phenomena in fuel rail of LPG gaseous injection system is studied through measuring the flow rate of injector and the rail pressure fluctuation. Four injection systems, three are commercial ones and another is newly manufactured one which has reverse "L" type section for preventing undesirable liquid phase injection, were compared with varying number of working injector and engine speed. The results show that flow rate of injector is linearly proportional to injection duration and rail pressure and the pressure fluctuation of rail is up to O.25bar when supply pressure is 1.5bar. Also the results show that the fluctuation decreases as the engine speed increases and crank angle based frequency of the fluctuation is dominated not by number of injector but by engine speed i e injection frequency. Lastly, an increase of the rail volume is very effective for reducing the fluctuation.
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