Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 19, No. 12 pp. 54-61, 218 https://doi.org/1.5762/kais.218.19.12.54 ISSN 1975-471 / eissn 2288-4688 흡기매니폴드가스켓블레이드적용에따른배출가스고찰 이민정 1, 김태중 2, 신윤찬 1, 조홍현 3* 1 조선대학교기계공학과대학원, 2 한국폴리텍대학달성캠퍼스자동차과, 3 조선대학교기계공학과 Investigation of Emission Gas by using the Intake Manifold Gasket Blade Minjung Lee 1, Taejung Kim 2, Yunchan Shin 1, Honghuyn Cho 3* 1 Graduate school of Mechanical engineering, Chosun University 2 Department of Automobile, Dalseong Campus of Korea Polytechnics 3 Department of Mechanical engineering, Chosun University 요약자동차의엔진에서불완전연소는유해배기가스생성의주요원인이다. 따라서본연구에서는자동차엔진에서불완전연소를방지하고배출되는배기가스의양을줄이기위하여흡기매니폴드에가스켓블레이드를적용하여유입되는공기의유속증가에따른배기가스의변화를해석과실험을통하여고찰하였다. 먼저 3D 유동해석프로그램을사용하여가스켓블레이드의개수와각도에따른유동해석을수행하였으며, 해석결과가스켓블레이드를적용한흡기매니폴드출구에서공기의평균유속은블레이드개수가 6개와 3 각도에서가장좋게나타났다. 해석결과를기반으로무부하엔진시뮬레이션시스템에서가스켓블레이드가배기가스에미치는영향을확인하기위하여실험을진행하였으며엔진회전수가 2 rpm에서 4 rpm으로증가함에따라배기가스인 HC, CO, NOx 는평균적으로각각 23.4%, 16.5%, 3.8% 감소하였으며배기가스의배출량감소효과는점점줄어드는것으로나타났다. Abstract Incomplete combustion in automotive engines is a major cause of harmful exhaust gases. In this study, to prevent incomplete combustion and reduce exhaust gas emissions, a gasket blade for increasing the air velocity was applied to the intake manifold, and the change in exhaust gas was investigated theoretically and experimentally. First, simulation analysis for flow according to the number and angle of the gasket blade was performed using a 3D flow analysis program. As an analysis result, the internal average velocity of the gasket blade was optimum at 6-blade with an angle of 3. Based on the simulation results, experiments were conducted to verify the effects of the gasket blades on the exhaust gas in a non-load engine simulation system. As the engine speed was increased from 2 to 4 rpm, exhaust gases of HC, CO, and NOx decreased by 23.4%, 16.5%, and 3.8%, respectively, and the emission decreasing effect was reduced. Keywords : Emission gas, Gasket blade, Intake manifold, Maximum velocity, Turbulent kinetic energy 1. 서론 전세계적으로환경오염문제에대한관심이집중되면서대기오염의원인이되는자동차배기가스에대한규 제가점차강화되는추세이다. 대표적인자동차배기가스에는 HC, CO, CO 2, NOx 등이있다. HC는불완전연소로생기는미연소물질이며, 발암물질이고매우자극적이고냄새가심하다. CO는주로연소시공기가부족하 본결과물은 217년도산업통상자원부의재원으로한국에너지기술평가원 (KETEP) 의에너지인력양성사업 (No. 217432162) 과교육부와한국연구재단의재원으로지원을받아수행된맞춤형산학협력선도대학 (LINC+) 육성사업의연구결과입니다. * Corresponding Author : Honghyun Cho(Chosun Univ.) Tel: +82-62-23-7769 email: hhcho@chosun.ac.kr Received September 1, 218 Revised (1st October 16, 218, 2nd November 5, 218) Accepted December 7, 218 Published December 31, 218 54
흡기매니폴드가스켓블레이드적용에따른배출가스고찰 Table 1. Emission gas regulations of European passenger car European standard(g/km) Regulation contents Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ HC+N Ox.97.6 - - - - Gasoline HC - -.2.1.1.1 NOx - -.15.8.6.6 CO 2.72 2.2 2.3 1. 1. 1. <3-blade gasket> <4-blade gasket> HC+N Ox.97.7.56.3.23.17 Diesel NOx - -.5.25.18.8 CO 2.72 1..64.5.5.5 PM.14.8.5.25.5.5 Application time '92.7. '96.1. '.1. '5.1. '9.1. '14.9. <5-blade gasket> <6-blade gasket> 므로연료가불완전연소하여생성되며, 무색무취의유독한기체이다. NOx는완전연소에가까울수록증가하며연소실에서고온, 고압에서공기와의산화로생기며, 독성이있으며지구온난화를유발시킨다 [1-3]. 이러한문제로인하여 EU에서는이전에시행된자동차배출가스규제 ( 1-5) 보다더욱강화된 6를 14년부터시행하였으며 [4,5], Table 1은유럽의승용차배기가스규제를나타낸다 [6]. 국내에서도 6의기준을충족시키기위해주요유해배출가스인 NOx, CO, HC, PM 물질을저감하려노력하고있으며이에다양한기술에대한연구가활발하게진행되고있다. 배기가스중 HC, CO 및 PM(Particulate Material) 은연소와후처리기술등으로저감이상대적으로용이하지만, 질소산화물 (NOx) 은고온에서의연소시더욱증가하기때문에저감시키는데많은어려움을겪고있다. 질소산화물을저감시키기위하여연소온도를낮추면엔진에서연소와연비성능을저하시키게된다 [7]. 또한, 공기량의부족시연료의불완전연소로연료의손실, 액체및고체연료는그을음이발생되어내부의 Scale 등을생성시키며환경오염의문제와엔진의성능저하가발생하게된다. 이러한유해배출가스인 HC, CO, NOx를저감시키기위한연구동향을살펴보면, 먼저엔진다운사이징이있다. 이는기존의대배기량의구형엔진을최신기술을활용하여고성능의소배기량엔진으로바꿔효율성을높이는방법으로, 일반적으로는자연흡기가솔린엔진을소배기량의슈퍼차저, 터보차저, 또는트윈차저등 Fig. 1. Intake manifold according to the number of various gasket blades 의과급기를이용한저배기량엔진으로대체하는방법을의미한다. 다음은 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 이있으며, 이는연소이후흡기행정에서연소실재유입을통해이산화탄소등의불활성가스가흡입되는공기와혼합되어연소되는특징을갖는다. 연료와공기의혼합가스의양을줄이고, 연소시의연소온도를낮춤으로써질소산화물생성을억제시키는장점이있다. 이와관련된기존의연구를살펴보면, Park et al.[8] 은가솔린 GDI(Gasoline Direct Injection) 에가변밸브타이밍 (VVT: Variable Valve Timing) 기술을적용한연구를진행하였으며, Copeland et al.[9] 은다운사이징 GDI 엔진에서의 EGR의유동과밸브오버랩에대한수치해석적연구를통해상관관계를분석하였다. Alger et al.[1] 은 GDI 엔진의연료소비율및 BMEP(Brake Mean Effective Pressure) 를향상시키고자 EGR을도입하였으며, 부분부하에서 Cooled EGR을 2% 까지적용하여펌핑손실을저감시켰다. Nan et al.[11] 는 MPI(Multi Point Injection) 엔진의연료소비율및 NOx 배출량을감소시키고자압축기상승과외부 EGR을도입하였다. 기존의가솔린차량의배출가스저감에대한기술개발및연구는엔진다우사이징 (engine downsizing) 및 EGR 기술등이있다. 하지만간단한구조변경을통하여배기가스변화를고찰한연구는드물다. 55
한국산학기술학회논문지제 19 권제 12 호, 218 Table 2. Analysis conditions of intake manifold Item value Working fluid Ideal gas(air) Blade number 3, 4, 5, 6 Blade angle ( ) 1, 2, 3, 4,5 Engine speed (rpm) 2, 3, 4 Table 3. Specifications of gasoline engine Item Value Model Sirious II. 2. DOHC Displacement (cc) 2, Number of cylinder 4 Cam shaft type DOHC (4 Valve) Compression ratio 1.1 : 1 Inside diameter (mm) 85 Stroke (mm) 88 Ignition time BTDC 7 ± 5 Idle (rpm) 8±1 Table 4. Emission measure equipments Fig. 2. Modeling of intake manifold Fig. 3. Photos of manufactured gasket blade and mounted on intake manifold Description Model Range Accuracy Method of measurement Response Specification DRO-41 CO. 9.99% vol HC. 9,999 ppm NOx. 5, ppm CO 2. 2.% vol CO ±.1% vol HC ±1 ppmvol NOx ±7 ppmvol CO 2 ±.5%vol CO/HC Non-dispersive infrared rays 9% response with in 1 sec 2. 흡기매니폴드모델링및해석조건 Fig. 4. Emission simulation system 따라서본연구에서는흡기매니폴드에서와류의강도를강화시키기위하여가스켓블레이드를적용하여자동차배출가스에미치는영향에대한연구를해석과실험을통하여동시에수행하였다. 흡기매니폴드의유동성능을향상시키기위하여가스켓블레이드를추가하였으며, 이를위해 3D 모델링프로그림인 CATIA를이용하여 3, 4, 5, 6개의가스켓블레이드를 Fig. 1과같이설계하였다. 또한, 블레이드각도변화에대한흡기매니폴드의내부유동에미치는영향에대하여성능해석을수행하였다. 본해석에사용된흡기매니폴드는 2 cc의가솔린차량을기반으로한것이며, 해석조건은 Table 2에나타내었다. 흡기매니폴드내부의유동은속도가매우빠름으로난류로가정하여 k-ε 난류모델을기반으로유동해석을수행하였으며, Fig. 2에본연구에서사용한흡기매니폴드의 3D 모델을나타내었다. 56
흡기매니폴드가스켓블레이드적용에따른배출가스고찰 Maximum velocity (m/s) 8 6 4 2 Gasket blade number(angle=3 o ) Non-use 3-blade 4-blade 5-blade 6-balde Maximum velocity (m/s) 1 8 6 4 2 Gasket blade angle(6-blade) Non-use 1 o 2 o 3 o 4 o 5 o Fig. 5. Maximum air velocity in the intake manifold with the number of gasket blade Fig. 7. Maximum air velocity in the intake manifold with the angle of gasket blade Turbulence kinetic energy (m 2 /s 2 ) 4 3 2 1 Gasket blade number(angle=3 o ) Non-use 3-blade 4-blade 5-blade 6-blade Turbulence kinetic energy (m 2 /s 2 ) 6 4 2 Gasket blade angle(6-blade) Non-use 1 o 2 o 3 o 4 o 5 o Fig. 6. Turbulence kinetic energy in the intake manifold with the number of gasket blade Fig. 8. Turbulence kinetic energy in the intake manifold with the angle of gasket blade 3. 배출가스실험장치및방법본연구에서는 23만 km를주행한노후된 2 cc 가솔린차량의엔진을사용하였으며, 해석결과에서최고유속을나타낸가스켓블레이드의개수와각도를흡기매니폴드에적용하여배출가스를측정하였다. 실험은무부하조건에서엔진시뮬레이션시스템을이용하여가스켓블레이드적용의유무가차량의배출가스 (HC, CO, NOx) 에미치는영향을분석하였다. Fig. 3에본연구에서제작된 3 의 6-blade 가스켓과흡기매니폴드에장착된가스켓블레이드의사진을나타내었으며, Fig. 4에배기가스측정장치와엔진시뮬레이션시스템의사진을나타내었다. Table 3에가솔린엔진의제원을나타내었으며, Table 4에실험에사용된배기가스측정장비의상세사양을나타내었다. 4. 결과및고찰 4.1 흡기매니폴드의유동해석결과 Fig. 5는흡기매니폴드에서가스켓블레이드각도가 3 일때, 블레이드개수에따른최고유속의결과를나타내었다. 엔진회전수가 2 rpm에서블레이드를사용하지않은경우흡기매니폴드속도는 1.7 m/s였으며, 블레이드개수가증가함에따라흡기매니폴드내부의최고유속은 17.5 m/s로증가하였다. 엔진회전수가 57
한국산학기술학회논문지제 19 권제 12 호, 218 Outlet average velocity (m/s) 4 3 2 Gasket blade angle(6-blade) Non-use 1 o 2 o 3 o 4 o 5 o HC (ppm) 15 1 5 Use intake gasket blade Non-use intake gasket blade 1 Fig. 9. Outlet average air velocity in the intake manifold with the angle of gasket blade 3 rpm에서는블레이드를사용하지않는경우흡기매니폴드속도는 22.6 m/s였으며, 블레이드개수가증가함에따라흡기매니폴드내부의최고유속은 36.6 m/s 로증가하였다. 또한, 4 rpm에서블레이드개수가증가함에따라흡기매니폴드의최고속도는 33.8 m/s에서 54.8 m/s로증가하였다. 모든엔진회전수에서블레이드가 6개일때, 블레이드를사용하지않는경우에비하여최고속도는평균적으로 62.2% 향상되었다. 일반적으로흡입공기의유속증가는난류운동에너지의증가로나타난다. 이러한영향을간접적으로확인하기위하여난류운동에너지의변화를확인하였으며, 그결과를 Fig. 6에나타내었다. 모든엔진회전수에서난류운동에너지는 6-blade의가스켓에서가장크게나타났으며, 2 rpm, 3 rpm, 4 rpm에서난류운동에너지는각각 34.6 m 2 /s 2, 151.58 m 2 /s 2, 323.9 m 2 /s 2 를나타내었다. 블레이드의적용은공기의유동면적의감소와동시에강한와류를발생시키기때문에유속및난류강도를강화시킨다. Fig. 7은 6-blade에서블레이드각도에따른흡기매니폴드내부의최고유속을나타내었다. 시스템에서최고속도는블레이드부분에서나타났으며, 모든엔진회전수에서블레이드의각도가작을수록최고속도는증가하였다. 블레이드각도가가장작은 1 일때, 2 rpm, 3 rpm, 4 rpm에서블레이드를사용하지않은경우 보다최고속도는약 9.7%, 94.5%, 97.5% 증가하였다. 블레이드각도에따른난류운동에너지의변화를 Fig. 8에나타내었다. 흡기매니폴드에서흡입되는공기의유 Fig. 1. Variation of HC according to engine speed 속증가는공기의난류운동에너지를증가시킨다. 2 rpm, 3 rpm, 4 rpm에서난류운동에너지는블레이드각도가 1 에서 34.1 m 2 /s 2, 151.6 m 2 /s 2, 323.1 m 2 /s 2 로가장높게나타났다. 이는블레이드각도가작아짐에따라유동면적이좁아져와류발생이커지기때문이다. 흡기매니폴드내부의최고유속은블레이드쪽에서발생되었는데, 배기가스의저감에미치는부분은흡기매니폴드출구이다. 그래서흡기매니폴드출구에서의평균유속을확인하였으며, 이를 Fig. 9에나타내었다. 모든엔진회전수에서흡기매니폴드출구에서공기의속도는각도가 3 인블레이드에서각각 11.1 m/s, 23.7 m/s, 35.3 m/s으로나타났다. 이러한결과는최고속도를보인 1 의블레이드각도와다른경향을보인다. 이는블레이드의각도가작아짐에따라흡기매니폴드내부의면적이좁아져중심부에서유속이가장높게나타났지만, 이에반하여흡기매니폴드벽면에서는이러한영향이적게미치기때문이다. 따라서해석에서는흡기매니폴드출구에서의평균유속이가장빠르게형성된 6-blade와 3 각도의가스켓이가장효과적임을확인하였다. 4.2 배기가스실험결과해석결과를기반으로본실험에서는 6-blade와3 의각도인가스켓블레이드를무부하엔진시뮬레이션시스템에적용하여배기가스에대한영향을확인하였다. Fig. 1은가스켓블레이드를적용하였을때, 엔진회전수에따른 HC 배기가스의변화를나타낸것이다. 엔진회전 58
흡기매니폴드가스켓블레이드적용에따른배출가스고찰.35 Use intake gasket blade Non-use intake gasket blade 8 Use intake gasket blade Non-use intake gasket blade.3 6 CO (%).25 NO x (ppm) 4.2 2.15 Fig. 11. Variation of CO according to engine speed Fig. 12. Variation of NOx according to engine speed 수가 2 rpm에서가스켓블레이드를적용하였을때 HC의값은 45 ppm에서 34 ppm으로약 24.4% 감소하였으며, 3 rpm에서는 97.5 ppm에서 62.5 ppm으로약 35.9% 감소하였다. 또한엔진회전수가 4 rpm에서는 3.5 ppm에서 27.5 ppm으로약 9.8% 감소하는것을확인하였다. Fig. 11은가스켓블레이드를적용하였을때, 엔진회전수에따른 CO 배기가스의변화를나타낸것이다. 엔진의회전수가 2 rpm에서가스켓블레이드를적용하였을때 CO의값은.215% 에서.175% 로약 18.6% 감소하였으며, 3 rpm에서는.29% 에서.215% 로약 25.9% 감소하였다. 또한엔진회전수가 4 rpm에서는.2% 에서.19% 로약 5% 감소하는것을확인하였다. 실험결과흡기매니폴드에가스켓블레이드의적용은공기의유속을증가시켜엔진에서불완전연소를감소시켜불완전연소에의해발생되는 HC와 CO를평균 23.4% 와 16.5% 저감시키는것으로확인되었다. 또한배출가스의저감효과는엔진의회전수가증가함에따라감소함을확인할수있다. Fig. 12는가스켓블레이드를적용하였을때, 엔진회전수에따른 NOx 배기가스의변화를나타낸것이다. 엔진회전수가 2 rpm에서가스켓블레이드를적용하였을때 NOx의값은 116 ppm에서 18 ppm로약 6.9% 감소하였으며, 3 rpm에서는 227.5 ppm에서 22 ppm으로약 3.3% 감소하였다. 엔진회전수가 4 rpm 에서는 6 ppm에서 593 ppm로약 1.2% 감소하는것을확인하였다. 가스켓블레이드의적용한경우 NOx 배출량은평균적으로 3.8% 정도감소하는것으로나타났지 만감소폭은상대적으로크지않았다. 이는 NOx는엔진의온도변화에큰영향을받지만가스켓블레이드의적용은흡기매니폴드에서온도변화에큰영향을미치지않았기때문으로사료된다. 4. 결론본연구에서는간단한구조변경을통한배출가스변화에대한영향을알아보기위하여흡기매니폴드에가스켓블레이드를적용하였다. 먼저 3D 유동해석프로그램을사용하여가스켓블레이드의개수와각도에대한유동해석을수행하였으며, 해석결과를기반으로우수한성능의블레이드개수와각도를적용하여무부하엔진시뮬레이션시스템으로차량배출가스에대한영향을실험적으로확인하였다. 해석결과흡기가스켓블레이드각도가 3 일때, 블레이드개수에따른유동해석결과는모든엔진회전수에서 6-blade일때평균적으로 62.2% 공기의최고유속이향상되었다. 6-blade의흡기가스켓을기반으로블레이드각도에따른유동해석결과는모든엔진회전수에서최고유속은 1 블레이드각도에서나타났지만, 흡기매니폴드출구의평균유속은 3 에서가장빠르게나타났다. 해석결과를기반으로 3 각도의 6-blade를적용하여배출가스성능실험을수행하였으며, 모든엔진회전수에서 HC, CO, NOx 배출가스는평균적으로 23.4%, 16.5%, 3.8% 감소함을확인하였다. 자동차흡기매니폴드에각도 3 의 6-blade 가스켓블레이드의적용은흡기매니폴드내부에난류유 59
한국산학기술학회논문지제 19 권제 12 호, 218 동을발생시켜공기유속을증가시키므로엔진에서완전연소에효과적이며결과적으로배출가스를저감시킴을확인하였다. References 이민정 (Min-Jung Lee) [ 정회원 ] 214 년 3 월 : 조선대학교기계공학과 ( 공학사 ) 218 년 3 월 : 조선대학교기계공학과대학원 ( 공학석사 ) [1] G. Greeves, I. M. Khan, C. H. T. Wang, I. Fenne, Origins of Hydrocarbon Emission from Diesel Engines, SAE Technical Paper No. 77259, 1977 DOI: https://dx.doi.org/1.4271/77259 [2] Y. Sato. A. Noda, T. Sakamoto, Combustion and NOx Emission Characteristics in a DI Methanol Engine Using Supercharging with EGR, SAE No. 971647, 1997 DOI: https://dx.doi.org/1.4271/971647 [3] N. Uchida, Combustion Optimization by Means of Common Rail Injection System for Heavy-Duty Diesel Engines, SAE No. 982679, 1987 DOI: https://dx.doi.org/1.4271/982679 [4] Y. H. Cho, S. O. Kim, EU, 6 Enforcement of automobile exhaust gas regulation, BSC Report 359-13-3 [5] Regulation (EC) No 715/27 of the European Parliament and of the Council of 2 June 27 on type approval of motor vehicles with respect to emissions from light passenger and commercial vehicles (Euro 5 and Euro 6) and on access to vehicle repair and maintenance information [6] Compliance in Advance and Supporting system (http://www.compass.or.kr) [7] J. Kim, The Flow and Distribution Characteristics for Various Configurations of Individual EGR Supply System, KSAE 25 Fall, KSAE5-F3, pp. 15-21, 25 [8] S. Park, The study on Engine Performance and Emission Characteristics with Continuously Variable Valve Lift System in an SI Engine, M. S. thesis, Kookmin University, 211 [9] C. D. Copeland, X. Gao, P. A. Freeland, J. Neumeister and J. Micalf, Simulation of Exhaust Gas Residuals in a Turbocharged, Spark Ignition Engine, SAE Technical Paper 213-1-275, 213 DOI: https://dx.doi.org/1.4271/213-1-275 [1] T. Alger, T. Chauvet and Z. Dimitrova, Synergies between High EGR Operation and GDI Systems, SAE Technical Paper 28-1-134, 28 DOI: https://dx.doi.org/1.4271/28-1-134 [11] J. Nan, L. Jifeng, Z. Xueen and C. Xiaojun, Study on Engine Performance Influenced by External Cooled EGR, Proceedings of the FISITA 212 World Automotive Congress, Vol. 1, pp. 587-598, 212 DOI: https://dx.doi.org/1.17/978-3-642-33841-_45 < 관심분야 > 신재생에너지, 냉동공학, 열전달 김태중 (Tae-Jung Kim) [ 정회원 ] 1998 년 2 월 : 목포해양대학교기관공학과 ( 공학사 ) 1998 년 4 월 2 년 6 월 : STX 팬오션해기사 (2 등기관사 ) 21 년 2 월 : 조선대학교대학원기계공학과대학원 ( 공학석사 ) 215 년 2 월 : 조선대학교대학원기계공학과대학원 ( 공학박사 ) 213 년 3 월 215 년 12 월 : 조선이공대학교자동차과강의전담교수 215 년 12 월 현재 : 한국폴리텍대학달성캠퍼스자동차과조교수 < 관심분야 > 신재생에너지, 냉동공학, 내연기관 신윤찬 (Yun-Chan Shin) [ 정회원 ] < 관심분야 > 신재생에너지, 냉동공학, 열전달 28 년 3 월 : 조선대학교기계공학과 ( 공학사 ) 212 년 3 월 : 조선대학교기계공학과대학원 ( 공학석사 ) 214 년 3 월 : 조선대학교기계공학과대학원 ( 공학박사 ) 6
흡기매니폴드가스켓블레이드적용에따른배출가스고찰 조홍현 (Hong-Hyun Cho) [ 정회원 ] 25 년 8 월 : 고려대학교기계공학과대학원 ( 공학박사 ) 25 년 9 월 ~ 26 년 1 월 : 삼성전자가전연구소책임연구원 27 년 1 월 ~ 28 년 3 월 : 미국 NIST 객원연구원 28 년 4 월 ~ 214 년 2 월 : 조선대학교기계공학과조교수 214 년 3 월 ~ 216 년 2 월 : 조선대학교기계공학과부교수 216 년 3 월 ~ 현재 : 조선대학교기계공학과교수 < 관심분야 > 신재생에너지, 냉동공학, 열전달 61