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서원 아
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 19, No. 2 pp , ISSN / eissn 열전소자를이용한모터사이클용엔진배기폐열회수시스템성능해석 이무연 1, 김기현 2* 1 동아대학교기계공학과, 2 신라대학교융합기계공학부 Performance Simulation of Motorcycle Engine Exhaust Heat Recovery System using Thermoelectric Element Moo-Yeon Lee 1, Kihyun Kim 2* 1 Department of Mechanical Engineering, Dong-A University 2 Division of Mechanical Convergence Engineering, Silla University 요약엔진에서배기폐열을회수하여엔진의열효율을향상시키고자하는연구가활발히이루어지고있다. 본연구에서는모터사이클용엔진의배기폐열회수용열전발전시스템의성능해석을수행하였다. Gamma Tech. 의 GT-SUITE 소프트웨어를사용하여엔진모사모델과열전발전시스템모델을구성하였다. 첫째, 엔진속도 1000~7000 rpm, 엔진부하 0~100% 조건에서엔진의출력, 연비등성능특성과배기가스량, 배기가스온도등배기가스특성을파악하였다. 연료의화학에너지대비배기가스로배출되는에너지의비율은엔진속도및부하에따라 40~60% 수준으로확인되었다. 둘째, 배기폐열회수용열전발전시스템모델을구성하였다. 엔진모델과열전발전시스템모델을통합해석하여, 열전소자에서발생하는전압, 전류, 회수전력특성등을분석하였다. 열전소자의발전특성은시스템을통과하는배기가스의온도분포에지배적인영향을받았다. 현재구성된배기폐열회수용열전발전시스템의열전발전량은배기폐열에너지중최대 2.2% 수준을회수할수있음을확인하였다. 향후연구에서는열전발전시스템의설계에따른열전발전량특성을파악하고, 열전발전시스템설계최적화를수행할예정이다. Abstract Research into exhaust heat recovery has been actively carried out to improve the thermal efficiency of internal combustion engines. In this study, the performance of thermoelectric generation from exhaust heat recovery for motorcycle engines was analyzed by 1-D thermo-fluid simulation. GT-SUITE, which was developed by Gamma Tech., was used for the simulation of the internal combustion engine and thermoelectric generation system. The basic performance of the engine was analyzed in the range of engine speed of 1000~7000 rpm and engine load of 0~100%. The ratio of exhaust heat energy to fuel chemical energy was found to be about 40~60%. A combined simulation of the engine model and thermoelectric generation model was carried out to analyze the voltage, current and power generated by the thermoelectric material. The generation characteristics of the thermoelectric material was dominantly affected by the exhaust gas temperature. The maximum generated power of the current thermoelectric generation system was found to be about 2.2% of the total exhaust heat energy. The design optimization of the thermoelectric generation system will be carried out to maximize its power generation and economic feasibility. Keywords : Engine, Exhaust heat recovery, Simulation, Thermoelectric element, Thermoelectric generation 본연구는 2017년도정부 ( 미래창조과학부 ) 의재원으로한국연구재단의지원 (no. 2017R1C1B ) 을받고, 부산과학기술기획평가원의지역특화기술개발확산개방형연구실운영사업지원을받아수행됨. * Corresponding Author : Kihyun Kim(Silla Univ.) Tel: khkim3@silla.ac.kr Received January 8, 2018 Revised February 1, 2018 Accepted February 2, 2018 Published February 28,

2 한국산학기술학회논문지제 19 권제 2 호, 서론엔진은향후수십년간수송기관의주요동력원으로써적용될것으로전망되고있다. 최근자원고갈문제와심화되는환경규제에따라엔진의열효율및수송기관의연비를개선하고자하는연구가활발히진행되고있다. 최근에는엔진에서발생하는배기폐열에너지를회수하여엔진의보조동력원으로적용하거나냉난방용전기로활용하는등전체시스템효율을향상시키고자하는연구가진행되고있다. 일반적으로자동차용가솔린엔진의경우배기가스로배출되는배기폐열에너지가약 40~60% 수준으로보고되고있다.[1,2] 이와같은배기폐열에너지를회수하기위하여, 유기랜킨사이클을이용한발전, 열전소자를이용한열전발전, 터보컴파운드를사용한동력회수, 난방열회수등의방법이고려되고있다 [10]. 이중, 열전소자를이용한열전발전은두가지종류의금속을연결하여끝단에온도차를가하면, 양쪽끝단에전위차가형성되는제벡효과를활용한방법이다. 일반적인가솔린엔진의배기가스온도는최대약 1000도로써고온배기가스를활용한열전발전을통한자동차연비향상사례가보고되고있다.[3-6,11] 열전소자를이용한열전발전은구조와방법이간단하고소음이없어승용자동차에서주로연구및적용되고있다.[7,8] 본연구에서는모터사이클용엔진의후단에열전발전시스템을장착하여배기폐열에너지회수를시도하면서, 우선적으로 1-D 열유동해석소프트웨어를사용하여모터사이클용엔진과열전발전시스템을모사한모델을개발하고, 열전발전성능특성을해석하고자하였다. 2. 본론 2.1 엔진모델구성 Table 1은본연구에사용된모터사이클용엔진의제원을나타낸다. 단기통, 2행정방식이며 246.9cc의체적을가지고있다. 사용연료는휘발유이며엔진속도 7000 rpm에서 1.96 kgfm의토크를발생하여최대 14.4 kw의출력을생산한다. Table 1. Engine specification Parameter Engine type Value double overhead cam shaft, 4 valve Cylinder number 1 Displacement [cc] Bore Stroke [mm mm] Fuel 73 X 59 Gasoline Compression ratio 10.7 : 1 Rated Speed [kgfm@rpm] 1.96@7000 Power [kw] 14.4 Fig. 1. Engine simulation model 엔진모델은 Gamma Tech. 사에서개발한 GT-SUITE 소프트웨어를사용하여구성되었다. GT-SUITE는다양한파워트레인, 차량을 1-D, 0-D 의수학적모델을사용하여모사하고, 성능특성, 에너지흐름특성, 배기특성등을계산할수있는기능을포함하고있으며전세계적으로다수의메이저자동차회사등에서파워트레인개발에적용하고있다. 엔진연소실로연결되는흡기관, 매니폴드, 연소실후단배기관등은실제실험장치구성과최대한유사하게모델을구성하였다. 2.2 열전발전시스템모델구성 열전발전시스템또한 GT-SUITE를이용하여모사하였다. Fig. 2는시험용으로설계된열전발전모듈시스템의분해도이다. 배기관은직육면체모양의배기관과앞뒤를연결하는플랜지및원형관으로구성되어있다. 696

열전소자를이용한모터사이클용엔진배기폐열회수시스템성능해석 전시스템에서정확한배기열회수량을계산하기위해서는배기관으로부터열전소자로의열전달량, 즉배기관표면의면적과열전달계수를정확히모사하는것이중요하다. 본연구에서는본연구와유사하게구성된실험장치에서 Kim 등이수행한선행연구에서이용된 colburn s method를통하여대류열전달계수를계산하였다.

3 열전소자를이용한모터사이클용엔진배기폐열회수시스템성능해석 전시스템에서정확한배기열회수량을계산하기위해서는배기관으로부터열전소자로의열전달량, 즉배기관표면의면적과열전달계수를정확히모사하는것이중요하다. 본연구에서는본연구와유사하게구성된실험장치에서 Kim 등이수행한선행연구에서이용된 colburn s method를통하여대류열전달계수를계산하였다.[9]smooth pipe에서대류열전달계수는아래의식을이용하여계산되었다. Fig. 2. Exploded view of Thermoelectric generation module 배기관내에배기가스가흐르는부위는열전도성이높은알류미늄재질의 heat sink형태로구성되어배기가스의배기열을최대한전달이용이하도록설계되어있다. heat sink 위아래에는열전소자가각각두장씩붙어있어위와아래에서열을전달받아열전발전이가능하도록설계되었다. 열전소자는 TEC 사의 TEG1-PB12690 모듈을사용하였으며, PbSnTe계소재로써주로 500~600 C 영역에서많이사용되고있다. 열전소자의반대쪽면에는열전소자의냉각이용이하도록 30 C 의냉각수가흐르는유로가부착되어있다. Fig. 3. Simulation model for Thermoelectric generation module Fig. 3은열전모듈의모델개략도를나타낸다. 시험에이용된제원을모사하여모델을개발하였다. 배기열전발 열전소자에서발생되는전압, 전류, 전력은열전소자의고온부와저온부의온도에따라결정되는데, 제조사에서공급받은열전소자의성능규격서를참조하여특성을모델에입력하였다. 2.3 배기폐열특성 Figure 4는엔진속도와엔진부하에따른배기폐열특성에대해나타낸다. 배기가스의유량과온도는배기가스의총엔탈피를결정하는주요요소이며, 열전발전의가능성을판단케하는주요지표이다. 연료의화학에너지중, 배기폐열로버려지는에너지의비율은 Fig. 4(a) 에따르면엔진속도와부하에따라약 40~60% 수준으로파악되었다. 사용된연료의화학에너지대비배기관을통해토출되는배기가스의총엔탈피비율로계산되었다. 엔진속도와부하가증가함에따라거의선형적으로배기손실이커지는것을확인할수있다. 엔진에서의다른에너지손실 ( 마찰손실, 연소실주위로의열손실등 ) 에비하여배기폐열로의손실이더급격히증가하는것은다른손실량에비해배기유량과배기온도가급격하게증가하기때문이다. 저속저부하영역에서는약 40% 수준이며, 배기온도는 500~600 C 수준으로나타났다. 고속고부하영역에서는최대 60% 수준의배기에너지비율과배기온도는최대 800~900 C 수준으로나타났다. 열전발전시스템 Heat sink의열저항, 열전달성능특성과, 시험용으로장착된열전발전소자의최적작 697

한국산학기술학회논문지제 19 권제 2 호, 2018 동온도가 500~600 C 임을고려하면본열전발전시스템은저 ~ 중부하조건에서의운전이적합한것으로판단되었다. (a) (b) 2.4 열전발전특성 Figure 5는엔진과열전발전시스템의통합해석을통하여열전발전시스템의발전특성에대해서나타낸다. 엔진에서배출되는배기가스의정보를열전발전시스템에입력값으로주었다.

4에서나타난바와같이엔진속도와부하가증가할수록배기가스온도가증가하면서발생전압이증가하는특성이나타났다. TEM2의경우 TEM1 대비발생전압이 1~2V 정도더낮게나타나는것을볼수있다. 이것은 TEM1이엔진연소실쪽에더가까이설치되어있으므로접하는배기가스의온도가더높기때문이다.

이와같은현상이발생한이유는 heat sink의높은열전도도때문에 heat sink 내에서고온부에서저온부로열이빠르게확산됨에따라 heat sink 내의온도기울기가낮아지기때문이다.

4 한국산학기술학회논문지제 19 권제 2 호, 2018 동온도가 500~600 C 임을고려하면본열전발전시스템은저 ~ 중부하조건에서의운전이적합한것으로판단되었다. (a) (b) 2.4 열전발전특성 Figure 5는엔진과열전발전시스템의통합해석을통하여열전발전시스템의발전특성에대해서나타낸다. 엔진에서배출되는배기가스의정보를열전발전시스템에입력값으로주었다. 앞서 2.2절에서설명한바와같이, 열전발전소자는총 4장장착되며엔진연소실쪽에가까운 2장을 TEM1, 연소실에서먼쪽의 2장을 TEM2로정의하고각각의열전소자에서의발전특성에대해분석하였다. 고온의배기가스에의해발생하는열전소자의전압특성측면에서 TEM1의경우 2.4~14 V의전압이형성되는것을확인할수있다. Fig.4에서나타난바와같이엔진속도와부하가증가할수록배기가스온도가증가하면서발생전압이증가하는특성이나타났다. TEM2의경우 TEM1 대비발생전압이 1~2V 정도더낮게나타나는것을볼수있다. 이것은 TEM1이엔진연소실쪽에더가까이설치되어있으므로접하는배기가스의온도가더높기때문이다. 1~2V 전압차이는열전소자의성능특성을고려했을때, 작동온도 50~100 C 차이를의미한다. 그러나 TEM1과 TEM2 주변배기가스온도차이를살펴보면약 100~200 C 가발생함을알수있었다. 이와같은현상이발생한이유는 heat sink의높은열전도도때문에 heat sink 내에서고온부에서저온부로열이빠르게확산됨에따라 heat sink 내의온도기울기가낮아지기때문이다. 만약 heat sink의열전도도가더높고, 열전소자가직렬이아니라병렬로설치된다면 heat sink에부착되어있는열전소자에전체적으로거의유사한온도가형성될것이므로, 동일한발생전압을얻을수있을것으로판단되었다. 엔진의주운전영역에서의배기가스온도에맞추어, 열전소자를선정하고열전도도가높은 heat sink에서병렬구조로열전소자를설치하면최대로전력을회수할수있음을예상할수있다. Fig. 5(b) 와 Fig.5(c) 는 TEM1과 TEM2에서의전력발전량을나타낸다. TEM1의경우엔진속도와부하에따라 12W~100W에이르는발전량을나타내었다. TEM2 의경우 10~90W 수준의발전량을보였으며, 이는 TEM1에비해상대적으로낮은발생전압때문인것으로판단된다. (c) Fig. 4. (a) Exhaust energy percentage (b) Exhaust gas temperature (c) Exhaust mass flow rate 698

5 열전소자를이용한모터사이클용엔진배기폐열회수시스템성능해석 (a) (d) Fig. 5. (a) TEM1 Voltage (b) TEM2 Voltage (c) TEM1 Power (d) TEM2 Power (b) (a) (c) (b) Fig. 6. (a) Total power generation (b) Power generation ratio 699

6 한국산학기술학회논문지제 19 권제 2 호, 2018 Figure 6은엔진속도와부하에따라전체전력회수량과배기에너지중전력발전량의비율을나타낸다. 아래의식으로계산되었다. 발전된전력량전력발전량비율 배기가스의총엔탈피 전체전력발전량은 TEM1, TEM2에대해위아래로설치된열전소자까지총 4장의열전소자에서얻은전력으로, 엔진속도와부하에따라 30W에서최대 ~400W 까지전력을발전할수있음을확인하였다. 본전력은배기로배출되는에너지중비율을확인결과, 저속저부하영역에서는약 1%, 중속영역에서는약 2%, 고속영역에서는약 1.5% 수준으로나타났다. 3. 결론 본연구에서는, 모터사이클용엔진의후단에설치된열전발전시스템의성능특성을분석할수있는 1-D 열유동해석모델을구성하고, 엔진의속도와부하조건에따른발전전력특성을해석하였다. 본연구를통하여다음의결론을도출하였다. 첫째, 오토바이용단기통엔진모델을구성하였으며, 엔진속도와부하에따른배기특성의해석결과, 배기손실이전체연료에너지대비약 40~60% 수준임을확인하였다. 배기가스의온도는 500~900 C 수준으로확인되었다. 둘째, 열전발전시스템모사모델을구성하고, 엔진모델과통합해석한결과열전발전모듈의발생전압은배기가스온도에영향을받으며, 열전도도가높은 heat sink를사용할경우열전소자간발생전압차이가줄어듬을확인하였다. 열전발전소자의발생전력은발생전압에따라비례하였다. 셋째, 열전발전시스템으로부터최종발생전력은엔진속도와부하에따라 50~400W 수준이며, 이는총배기폐열에너지중약 1~2% 수준을회수할수있음을확인하였다. 넷째, 향후연구로써, 실제시험결과와검증절차를거쳐모델을검증및보완하고열전발전시스템 의설계방법 ( 열전소자의종류, 개수, 장착구조, Heat sink 재질및구조 ) 에따른발생전력특성을해석하고열전발전시스템의경제성과발생전력을고려한최적설계를진행할계획이다. References [1] M. Hamid Elsheikh, D.A. Shnawah, M.F.M. Sabri, S.B.M. Said, M. Haji Hassan, M. B. Ali Bashir, M. Mohamad, A review on thermoelectric renewable energy: Principle parameters that affect their performance, Renew. Sustain. Energy Rev. 30, pp , DOI: [2] R. He, S. Gahlawat, C. Guo, S. Chen, T. Dahal, H. Zhang, W. Liu, Q. Zhang, E. Chere, K. White, Z. Ren, Studies on mechanical properties of thermoelectric materials by nanoindentation, Physica Status Solidi (a), 212, pp , DOI: [3] Y.-H. Cheng, W.-K. Lin, Geometric optimization of thermoelectric coolers in a confined volume using genetic algorithms, Appl. Therm. Eng. 25, pp , DOI: [4] H.-C. Chien, E.-T. Chu, H.-L. Hsieh, J.-Y. Huang, S.-T. Wu, M.-J. Dai, C.-K. Liu, D.-J. Yao, Evaluation of temperature-dependent effective material properties and performance of a thermoelectric module, J. Electron. Mater. 42, pp , DOI: [5] J.-H. Meng, X.-D. Wang, W.-H. Chen, Performance investigation and design optimization of a thermoelectric generator applied in automobile exhaust waste heat recovery, Energy Convers. Manage. 120, pp , DOI: [6] Y.Y. Hsiao, W.C. Chang, S.L. Chen, A mathematic model of thermoelectric module with applications on waste heat recovery from automobile engine, Energy 35, pp , DOI: [7] S.B. Riffat, X. Ma, Thermoelectrics: a review of present and potential applications, Appl. Therm. Eng. 23, pp , DOI: [8] L.E. Bell, Cooling, heating, generating power, and recovering waste heat with thermoelectric systems, Science 321, pp , DOI: [9] T.Y Kim, J.H. Kim, Assessment of the energy recovery potential of a thermoelectric generator system for passenger vehicles under various drive cycles, Energy, vol. 143, pp , DOI: 700

연료전지, 나노유체, 자성유체 김기현 (Ki-hyun Kim) [ 정회원 ] 2004 년 2 월 : 한국과학기술원기계공학과 ( 기계공학학사 ) 2014 년 8 월 : 한국과학기술원기계공학과 ( 기계공학박사 ) 2014 년 7

7 열전소자를이용한모터사이클용엔진배기폐열회수시스템성능해석 이무연 (Moo-Yeon Lee) [ 정회원 ] 2010 년 2 월 : 고려대학교기계공학과 ( 공학박사 ) 2011 년 1 월 : 고려대학교기계공학과 ( 연구교수 ) 2011 년 2 월 ~ 2012 년 8 월 : 자동차부품연구원선임연구원 2012 년 9 월 ~ 현재 : 동아대학교기계공학과교수 < 관심분야 > 친환경자동차열관리, 전동식히트펌프, 신재생에너지변환시스템, 열 / 물질전달, 연료전지, 나노유체, 자성유체 김기현 (Ki-hyun Kim) [ 정회원 ] 2004 년 2 월 : 한국과학기술원기계공학과 ( 기계공학학사 ) 2014 년 8 월 : 한국과학기술원기계공학과 ( 기계공학박사 ) 2014 년 7 월 ~ 2016 년 1 월 : 현대중공업선임연구원 2016 년 1 월 ~ 2016 년 8 월 : 자동차부품연구원선임연구원 2016 년 9 월 ~ 현재 : 신라대학교융합기계공학부교수 < 관심분야 > 열유체공학, 열전달, 연소공학, 내연기관 701

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ePapyrus PDF Document Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society(2013. 4), Vol. 24, No. 2, pp. 136~141 DOI: http://dx.doi.org/10.7316/khnes.2013.24.2.136 흡기관 분사식 수소 SI기관의 희박과급 적용에 관한 연구 이광주 1 ㆍ이종구 1 ㆍ이종태 2 1 성균관대학교