자동차 엔진용 폐열 회수 시스템의 효율 향상 방안에 관한 연구

Abstract

현재 자동차에 사용되는 내연기관의 열효율은 최대 35%를 넘지 못하는데, 이는 연료의 약 1/3만이 동력 에너지로 변환되고 나머지는 엔진의 냉각수와 배기가스 및 기타 손실로 버려지기 때문이다. 그 동안 내연기관 분야의 연구 동향은 연비 향상 및 배출가스 저감을 위한 연료 혼합이나 연소 과정 최적화에 중점을 두고 진행해왔으나, 최근에는 엄격해진 CO2규제에 대응하기 위해서 효율적인 열관리 시스템 적용 방안이 대두되고 있다.1),2) 본 연구에서는 효율적인 열관리 시스템 적용 방법 중 발전소들에서 엔진이나 터빈으로 구동하는 발전기에서 방출된 열을 추가적인 동력생산을 위한 에너지원으로 사용하여 에너지 효율을 최대화하기 위하여 도입한 열병합 시스템을 자동차 내연기관에 적용하여 배기 및 냉각수로부터 열에너지를 회수하는 방법을 적용하였다. 이러한 열에너지 회수 방법으로는 엔진의 폐열을 효과적으로 회수하기 위하여 랭킨 사이클의 원리를 사용하는 것이 일반적이지만, 자동차의 경우 폐열 시스템 장착을 위한 공간이 협소하므로 시스템의 크기를 줄이고 효율은 높일 수 있는 최적 설계 기술이 필요하다.3) 또한 랭킨 사이클의 효율은 작동유체에 영향을 받으므로 적절한 작동유체를 선정하는 기술 또한 중요하다.4),5) 따라서 본 논문에서는 자동차용 폐열 회수 시스템의 최적설계를 위하여 작동유체와 시스템의 조건(압력, 온도)이 랭킨 사이클의 효율에 미치는 영향을 조사하였으며, 엔진 모델링에 의한 시뮬레이션을 통해 엔진 상태에 따른 배기가스의 폐열에 대한 조건을 획득하여 폐열 회수 시스템 최적화에 필요한 정량적인 효율 향상 효과를 제시하였다.