자동차 배기가스 폐열을 이용하는 열관리 부품의 성능 평가에 관한 연구

Abstract

전 세계적으로 자동차 연비 및 배출가스 규제가 강화되고 있으며, 각국의 자동차 제조사 및 부품 업체는 규제 대응을 위해 많은 연구 개발을 진행하고 있다. 최근 연비 및 배출가스 평가 방법에 실도로 주행 배출가스 평가 와 저온 연비 평가 모드가 추가되면서 저온 상태에서의 연비 및 배출가스가 중요하게 대두되고 있다. 차량의 냉간 시동 시 유체의 낮은 온도는 점도에 의해 마찰 손실이 발생하며, 이로 인해 자동차의 연비손실이 발생하게 된다. 이러한 초기 냉간 시동 시 낮은 온도의 유체를 보다 빠르게 웜업하여 유체의 적정 온도 도달시간을 단축시켜 부품의 효율 및 연비를 향상시키기 위한 기술 중에 폐열 활용 기술이 있다. 폐열 활용 기술이란 자동차에서 버려지는 열에너지를 재활용하는 기술이며, 대표적인 방법으로 배기열 회수장치가 있다. 배기열 회수장치는 시스템이 비교적 단순하여 기존 엔진의 설계 변경이나 제어로직 등에 큰 변화를 주지 않고도 적용이 가능하다는 장점이 있어 많은 연구가 진행 중에 있다. 본 연구에서는 자동차에서 버려지는 폐열을 재활용하는 열관리 부품인 배기열 회수장치에 대하여 연구를 진행하였다. 환형 구조의 배기열 회수장치를 설계 제작하여 벤치 성능 평가를 통해 배기열 회수장치의 사양을 확인하고 성능 지표를 도출하였으며, 실제 엔진에 적용하여 엔진 조건에 따른 회수 열량과 각 유체의 웜업 특성을 파악하였다. 또한 실제 차량의 필드 평가를 통해 냉간 시동 시 각 유체의 온도 변화 특성을 분석하여 배기열 회수장치의 효율 증대를 위한 시스템 레이아웃을 파악하였고, 최종적으로 국내 공인 연비 및 배출가스 평가 모드를 통해 배기열 회수장치 적용에 따른 연비 개선 효과를 실험적으로 확인하였다.; The chemical energy from the fuels in the internal combustion engine using fossil fuels is converted to mechanical energy. The energy portion used as the power is about 30%. The others are 30% of the cooling loss, 10% of the friction loss, and 30% of the heat energy released to the outside through the exhaust gas. Recently, technological development for efficiently utilizing and managing the heat energy of automobiles waste heat in this way has been promoted. The exhaust heat recovery unit uses heat energy of the exhaust gas. The heat from the exhaust gas transfers to the coolant for the fast warm-up during cold start. This reduces the initial friction loss, and thus improves of fuel economy in the vehicle. In this study, bench performance evaluation, engine application performance evaluation, vehicle field evaluation and vehicle fuel efficiency evaluation were carried out for exhaust heat recovery system, which is a thermal management component that recycles waste heat from automobiles. As a result, the following conclusions were obtained. 1) Performance characteristics such as differential pressure characteristics and recovered heat quantity according to exhaust gas flow rate and temperature change were confirmed through bench performance evaluation of exhaust heat recovery system. 2) As a result of evaluating engine performance and engine warm-up characteristics through the evaluation of engine application, the heat recovery rate was increased with increasing engine speed and load. However, the heat exchange time of exhaust heat recovery apparatus decreased greatly Respectively. 3) Exhaust heat recovery system Prior to the application of the vehicle, the temperature characteristics of each fluid at cold start were identified through the field evaluation of the actual vehicle, and the vehicle layout for increasing the efficiency of the exhaust heat recovery system was constructed. 4) The exhaust heat recovery device and the transmission warmer were applied to the vehicle in consideration of the fluid warm-up characteristic during cold start of the vehicle. As a result of the fuel efficiency evaluation, we could reduce the friction loss through the fast warm-up of the transmission oil and experimentally confirmed the fuel efficiency improvement of 2.57% in FTP-75 mode and 2.84% in Cold FTP-75 mode.