가솔린엔진의 냉각시스템 구성품의 냉각특성에 대한 고찰

Abstract

최근 자동차 소비자들은 고출력, 저연비 차량을 요구하고 있는 반면에 배기가스규제와 CO2 규제와 관련된 연비규제 목표치가 강화되고 있다. 이에 대응한 내연기관의 발전방향은 정밀한 엔진제어를 통한 성능향상과 배기가스 저감에 관한 기술 및 연비 개선에 중점을 두고 개발되고 있다. 그러나 냉각시스템의 경우 엔진의 내구성과 신뢰성을 확보하고 윤활유의 열화와 성능 저하 방지 역할로만 국한되어 왔지만 배기 및 냉각 손실이 엔진에서의 손실 중 58~62%를 차지하고 있으므로 이를 개선하기 위해 엔진 냉각계의 최적화 방안과 냉각수 온도의 효과적인 제어에 관련된 연구가 요구된다. 냉각 시스템의 최적화를 위한 전단계로 본 연구에서는 현 냉각시스템의 작동특성을 파악하는 것이 중요하다고 생각되어 엔진의 냉각시스템을 모사한 리그(Rig)장치를 구축하여 냉각시스템의 주요 부품에서의 유량과 압력 및 온도 등 냉각특성을 측정하고 냉각수 성분에 따른 각 특성비교, 비 가압식인 대기 개방식과 가압식의 특성비교 , 주요 부품의 변경에 따른 특성 변화 등에 대해 고찰하였다. 냉각시스템의 시뮬레이션을 위하여 다방면에 걸쳐서 유용성이 입증된 1-D CFD code인 AMESim을 사용하였으며 시뮬레이션의 검증은 냉각수의 유량 분포와 압력 분포의 실험 결과와 비교하였다. 비교결과 정성적인 경향이 잘 일치하고 있고 정량적으로는 워터펌프와 히터코어에서 실험보다 많은 유량을 보이고는 있으나 각 부품에서의 제 현상을 잘 구현하고 있어 여러 가지 concept design에 대한 평가를 수행하는데 있어서 큰 문제가 없을 것으로 사료되었다. 리그실험결과 냉각시스템의 전체 유량은 워터펌프의 회전수에 의해 결정되며, 각 부품의 유동저항 및 구성위치에 따라 그 특성이 변화한다. 히터코어에서는 냉각수가 고온일 때 라디에이터로의 유로가 확보됨에 따라 저온일 때가 그 유량이 많다. 캐비테이션 현상이 많이 발생할수록 유량이 감소되며 이를 방지하기 위해서는 에틸렌글리콜의 함유량을 증가 시키는 것이 필요하다. 그러나 에틸렌글리콜의 함유량이 증가 할수록 냉각시스템 전체 압력 변동이 상승하고 에틸렌글리콜의 점도의 영향으로 냉각시스템의 각 부품의 차압이 증가한다. 히터코어 등의 부품을 직렬로 추가 구성 할 경우 구성품 부분의 유량이 감소하나 구성품 전단과 후단의 차압은 증가한다. 일부 냉각라인의 부품을 호스로 대체할 경우 통수저항이 감소되어 냉각시스템의 유량분배에 변화가 발생한다. 대기 개방식 냉각시스템의 경우 reservoir 탱크의 위치에 따른 변화는 없었으나 가압식 냉각시스템의 경우 degassing 탱크의 위치에 따라 유량 분배의 차이가 발생하며 degassing 탱크의 용량이 커짐에 따라 시스템 전체 압력이 상승한다. 또한 가압식의 경우 히터코어 측의 유량이 대기 개방식에 비해 소폭 감소한다. 워터펌프 회전수에 따라 선형적으로 압력이 상승하나 대기 개방식의 경우 시스템 압력이 일정하게 유지된다. 또한 시스템의 온도가 증가할수록 선형적으로 전체 시스템 압력이 상승하지만, 대기 개방식의 경우 온도가 상승할수록 급격하게 압력이 증가한다. 히터코어의 유량을 단속한 모델을 시뮬레이션 상에서 구현하기 위해 히터코어를 제거한 모델에 대한 해석을 수행하였고 그 결과 Warm-up에 걸리는 시간이 3% 감소하는 것을 확인하였다. 또한 ‘냉각수 온도‘ 및 ‘라디에이터 유량’을 냉각 시스템 성능 개선의 척도로 두고, 두개의 서모스탯을 사용하는 경우 라디에이터 유량이 기존대비 2.5% 증가하며 냉각수의 온도가 감소하는 것을 확인하였다. 또한 2nd 서모스탯의 위치를 비교적 압력차가 큰 곳으로 변경할 경우 라디에이터 유량은 기존대비 4.5%증가하는 것을 확인하였다.