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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 이기형
- 발행연도
- 2013
- 저작권
- 한양대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수7
이 논문의 연구 히스토리 (2)
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본 연구에서는 차량의 연비 상승 및 온실가스저감을 위한 대표적 기술인 랭킨사이클을 이용한 폐열 회수 시스템의 성능분석을 실시하였다. 1D 해석 프로그램인 AMESim을 이용해 랭킨사이클 해석 모델을 설계했으며, 랭킨사이클의 작동조건인 증발압력과 최고온도를 각각 변화시키며 Parametric study를 수행하였다. 그리고 Parametric study 결과를 기초로 하여, 각 운전조건에 따른 최적의 성능을 나타내는 랭킨사이클 작동조건을 선정하였다.
해석에 앞서, 기본적인 랭킨사이클의 작동조건과 해석에 필요한 기본 정보를 취득하기 위해 3.8L 가솔린 엔진을 이용하여 기초 엔진 실험을 수행하였다. 운전조건을 변화시키면서 엔진 내에서의 연료로부터 발생하는 에너지 흐름을 분석하여 차량에 적합한 랭킨사이클 레이아웃 및 기본 작동조건을 선정하였다.
본 연구에 적용된 폐열 회수 시스템은 가장 구조가 간단한 단일 루프 랭킨사이클을 적용했으며, 작동유체는 높은 비열과 높은 끓는점을 가지는 물로 설정하였다. 또한 랭킨사이클 해석 모델은 실제 열전달 실험 결과를 통해 설계된 열전달 해석모델을 이용하여 설계하였다. 그리고 설계한 해석모델을 이용하여 실험에서 취득한 배기가스와 냉각수의 온도 및 유량을 이용하여 운전조건을 모사하며 랭킨사이클 해석을 수행하였다.
해석 결과, 랭킨사이클의 증발압력과 최고온도가 증가할수록 일반적으로 랭킨사이클의 출력 및 효율은 상승했다. 그러나 낮은 증발압력에서는 최고온도가 높아질 경우 랭킨사이클 성능향상효과가 미미하거나 오히려 성능이 악화되었다.
또한 랭킨사이클의 증발압력 감소할수록 혹은 최고온도가 감소할수록 랭킨사이클에서 회수하는 열량이 증가했다. 한편, 랭킨사이클 방출열량의 경우, 랭킨사이클의 증발압력과 최고온도가 증가할수록 랭킨사이클의 효율은 증가하는데 이에 따라 팽창기에서 발생하는 출력이 증가하여 방출열량은 감소된다.
운전조건에 따른 최적 랭킨사이클 작동조건은 랭킨사이클의 출력 그리고 팽창기 후단에서의 작동유체 상태를 고려하여 선정하였다. 엔진속도와 엔진부하가 증가할수록 랭킨사이클의 출력은 증가했으며, 효율은 감소하는 경향을 나타냈다. 고 부하조건에서는 랭킨사이클에서 회수하는 열량 증가로 인해 랭킨사이클의 출력이 증가한다. 그러나 회수열량이 증가할수록 랭킨사이클의 응축압력이 상승하여 랭킨사이클의 압축비를 감소시킴으로써 랭킨사이클 효율을 악화시킨다.
최종적으로 선정된 최적 작동조건을 이용해 폐열 회수 시스템을 기존 엔진에 적용할 경우, BSFC는 5.8%에서 9.6%까지 상승하며, 평균 약 7%의 연비 향상 효과를 나타낸다. 또한 해석을 통해 선정된 랭킨사이클의 최적 작동조건은 운전조건마다 상이했다. 따라서 실제 폐열 회수 시스템에서는 랭킨사이클의 작동조건을 유기적으로 제어할 제어시스템이 반드시 필요하다고 판단된다.
해석에 앞서, 기본적인 랭킨사이클의 작동조건과 해석에 필요한 기본 정보를 취득하기 위해 3.8L 가솔린 엔진을 이용하여 기초 엔진 실험을 수행하였다. 운전조건을 변화시키면서 엔진 내에서의 연료로부터 발생하는 에너지 흐름을 분석하여 차량에 적합한 랭킨사이클 레이아웃 및 기본 작동조건을 선정하였다.
본 연구에 적용된 폐열 회수 시스템은 가장 구조가 간단한 단일 루프 랭킨사이클을 적용했으며, 작동유체는 높은 비열과 높은 끓는점을 가지는 물로 설정하였다. 또한 랭킨사이클 해석 모델은 실제 열전달 실험 결과를 통해 설계된 열전달 해석모델을 이용하여 설계하였다. 그리고 설계한 해석모델을 이용하여 실험에서 취득한 배기가스와 냉각수의 온도 및 유량을 이용하여 운전조건을 모사하며 랭킨사이클 해석을 수행하였다.
해석 결과, 랭킨사이클의 증발압력과 최고온도가 증가할수록 일반적으로 랭킨사이클의 출력 및 효율은 상승했다. 그러나 낮은 증발압력에서는 최고온도가 높아질 경우 랭킨사이클 성능향상효과가 미미하거나 오히려 성능이 악화되었다.
또한 랭킨사이클의 증발압력 감소할수록 혹은 최고온도가 감소할수록 랭킨사이클에서 회수하는 열량이 증가했다. 한편, 랭킨사이클 방출열량의 경우, 랭킨사이클의 증발압력과 최고온도가 증가할수록 랭킨사이클의 효율은 증가하는데 이에 따라 팽창기에서 발생하는 출력이 증가하여 방출열량은 감소된다.
운전조건에 따른 최적 랭킨사이클 작동조건은 랭킨사이클의 출력 그리고 팽창기 후단에서의 작동유체 상태를 고려하여 선정하였다. 엔진속도와 엔진부하가 증가할수록 랭킨사이클의 출력은 증가했으며, 효율은 감소하는 경향을 나타냈다. 고 부하조건에서는 랭킨사이클에서 회수하는 열량 증가로 인해 랭킨사이클의 출력이 증가한다. 그러나 회수열량이 증가할수록 랭킨사이클의 응축압력이 상승하여 랭킨사이클의 압축비를 감소시킴으로써 랭킨사이클 효율을 악화시킨다.
최종적으로 선정된 최적 작동조건을 이용해 폐열 회수 시스템을 기존 엔진에 적용할 경우, BSFC는 5.8%에서 9.6%까지 상승하며, 평균 약 7%의 연비 향상 효과를 나타낸다. 또한 해석을 통해 선정된 랭킨사이클의 최적 작동조건은 운전조건마다 상이했다. 따라서 실제 폐열 회수 시스템에서는 랭킨사이클의 작동조건을 유기적으로 제어할 제어시스템이 반드시 필요하다고 판단된다.
목차
요 지 ⅲList of figures ⅤList of tables ⅦNomenclature Ⅷ1. 서론1.1 연구배경 11.2 폐열 회수 시스템1.2.1 페열 회수 시스템의 종류 21.2.2 랭킨사이클 41.2.3 작동유체의 종류 51.2.4 페열 회수 시스템 개발동향 51.3 AMESim 71.4 연구 목적 및 내용 82. 폐열 회수 시스템 해석 조건 및 방법2.1 기초 엔진 실험 92.2 랭킨사이클 내 열 교환기 Validation 172.3 폐열 회수 시스템 작동조건 및 해석방법2.3.1 차량용 랭킨사이클 구성 222.3.2 차량용 랭킨사이클 작동조건 232.3.3 AMESim 모델링 242.3.4 랭킨사이클 해석방법 242.3.5 랭킨사이클의 효율 및 출력 253. 해석 결과 및 고찰3.1 작동조건에 따른 랭킨사이클 성능해석3.1.1 랭킨사이클의 흡입열량 및 방출열량 263.1.2 랭킨사이클의 출력 및 효율 293.1.3 작동조건에 따른 팽창기 후단에서의 작동유체 상태 343.2 운전조건에 따른 랭킨사이클 최적 작동조건 선정3.2.1 랭킨사이클 최적 작동조건 선정 기준 363.2.2 랭킨사이클 최적 작동조건 374. 결론 43References 46Abstract 49감사의 글 56
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