랭킨 사이클을 이용한 승용 자동차용 폐열 회수 시스템에 관한 실험적 연구

Abstract

본 논문에서는 차량의 연비 향상을 위한 기술 중 하나인 폐열 회수 시스템 중 랭킨 사이클을 이용하여 엔진에 추가적인 동력을 전달함으로써 효율을 향상시키는 연구를 진행하였다. 폐열 회수 시스템의 적용에 앞서 연구에 사용할 대상 차량의 기본적인 성능 특성 및 연비 해석을 위해서 실제 차량으로 차대 동력계에서 실험을 진행하였다. FTP-75와 HWFET driving cycle 조건으로 운전하면서 실제 차량 운행 시 에너지 흐름과 연비에 영향을 미치는 부분을 조사하였다. 또한 다양한 운전 조건에서 대상 차량 엔진의 특성을 파악하기 위해 엔진 동력계를 이용하여 실험을 진행하였으며 실험 결과로 열원에 대한 열역학적 분석과 수치해석 모델을 위한 기초 데이터 베이스를 구축하였다. 열원에 대한 열역학적 분석을 토대로 대상 차량에 적합한 폐열 회수 시스템을 설계하였으며 수치해석 모델을 이용하여 검증하였다. 설계와 검증을 토대로 폐열 회수 시스템의 시제품을 제작하였으며 이를 엔진 시험 장치에 장착하였다. 보일러와 과열기를 엔진의 배기 시스템에 장착함에 있어서 서로 다른 두 종류의 과열기를 비교 평가하였다. 또한 과열기의 장착 위치에 따른 특성을 파악하기 위한 비교 평가 실험을 수행하였다. 폐열 회수 시스템을 구동함에 있어 작동유체가 팽창기로 일정 상태로 공급되게 하기 위해서 모델 기반의 PID 제어 알고리즘을 이용한 제어장치를 구성하였다. 엔진의 운전 조건을 변경하면서 각각의 변수를 교정하여 최적화를 진행하였다. 최종적으로 완성된 차량용 폐열 회수 시스템의 성능 평가를 4가지 다른 엔진 운전 조건에서 진행하였으며 그 결과를 토대로 시스템 효율을 계산하였으며 운전 조건에 따른 엔진의 효율 상승을 확인 할 수 있었다. 이러한 연구를 수행함으로써 폐열 회수 시스템을 차량에 적용하기 위한 설계점과 설계과정을 제시할 수 있었으며 실제 엔진 운전 조건에서 폐열 회수 시스템을 운영하고 성능 최적화를 하기 위한 방법을 제시할 수 있었다. 향후 과도 구간에서의 제어 최적화와 장착성 및 시스템의 원가 절감에 대한 부분의 연구가 더욱 심화되어야 할 것으로 사료된다.