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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 조용석
- 발행연도
- 2019
- 저작권
- 국민대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수9
이 논문의 연구 히스토리 (3)
2019
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현재까지 차량분야에서 입자상물질 배출에 대한 규제는 주로 디젤 엔진 위주로 이루어졌다. 기존 PFI 방식의 가솔린 엔진은 기본적으로 예혼합 연소를 실시하여 입자상물질의 배출이 거의 일어나지 않는다. 하지만 GDI 방식의 엔진에서는 DPF를 장착한 디젤 엔진보다 많은 수량의 입자상물질이 배출된다는 연구 결과가 발표되었고, 이에 따라 가솔린 엔진에서 발생되는 입자상물질에 대한 규제가 점차 강화되고 있다.
강화된 입자상물질 규제를 만족하기 위해서 GDI 엔진에서 배출되는 입자상물질을 저감하는 기술에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 기존 연구들은 대부분 입자상물질 저감효율을 높이기 위한 엔진 및 후처리 시스템 기술에 집중되어 있는 반면, 자동차 전체의 시스템을 기준으로 다양한 주행조건에서의 입자상물질 발생량 예측에 대한 연구는 상대적으로 부족한 실정이다. 이에 이 논문에서는 GDI 엔진에서 배출되는 입자상물질의 발생 원인을 파악하고, GDI 엔진의 운전조건과 입자상물질 배출량의 상관관계 분석을 진행하였다. 또한 이를 기반으로 차량 주행 시 발생하는 입자상물질의 수량을 예측하는 연구를 수행하였다.
입자상물질 발생 수량 분석 및 예측을 위해 엔진동력계 실험을 통하여 열간(warm-up) 정상상태(steady state)에서 배출되는 입자상물질의 수량을 측정하였고, 이를 엔진회전속도, 엔진부하, 공기 과잉율에 따른 특성으로 분석하였다. 또한 차대동력계 실험을 통하여 차량이 다양한 배기규제 모드에 따른 과도상태(transient state)로 주행 시 배출되는 입자상물질의 수량을 측정하고, 이를 엔진시동조건, 냉간조건, 가속조건에 대한 특성으로 나누어 분석하였다. 엔진실험과 차량실험을 통하여 분석한 입자상물질의 배출특성을 토대로 차량 시스템 운전조건에서 배출되는 입자상물질을 수량기준으로 예측하는 모델을 제시하였다. 마지막으로 이 모델을 검증하기 위하여 WLTC 모드를 주행하는 조건을 기준으로 입자상물질 발생량을 수량기준으로 예측하고, 이 값을 실제 차대동력계에서 실제 차량을 WLTC 모드로 실험하여 측정한 실험결과와 비교하였다.
엔진동력계 실험을 통하여 정상상태 운전조건에서 혼합기 형성에 소요되는 시간과 공연비가 입자상물질 배출에 중요한 영향을 미친다는 것을 확인하였으며, 각 엔진회전수 및 부하조건에 따른 정상상태 PN map을 작성하였다. 또한 차대동력계 과도상태 운전조건 시험을 통하여 엔진의 예열수준 및 차량의 가속도가 입자상물질의 배출에 지배적인 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 이와 같은 입자상물질 발생특성을 기반으로 차량시스템에서 주행 시 입자상물질 배출량 개수를 예측하는 모델을 개발하였다. 실험차량을 대상으로 모델을 통해 NEDC 모드에서의 배출량을 예측한 결과 시험결과 대비 1% 수준의 정합성을 보였고, 이를 동일한 엔진을 다른 사양의 차량에 적용하여 WLTC 모드의 PN을 예측한 결과 실험치와 2.3% 수준의 정합성을 갖는 결과를 얻었다.
이 연구결과를 활용하면 자동차의 초기 개발단계에서 PN에 대한 배기규제 만족 여부를 추정할 수 있으며, 연소기술 및 GPF와 같은 후처리 장치의 적용 여부를 판단하여 종합적인 시스템의 선정 및 개념설계 단계에 유용한 도구가 될 수 있을 것으로 기대한다.
강화된 입자상물질 규제를 만족하기 위해서 GDI 엔진에서 배출되는 입자상물질을 저감하는 기술에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 기존 연구들은 대부분 입자상물질 저감효율을 높이기 위한 엔진 및 후처리 시스템 기술에 집중되어 있는 반면, 자동차 전체의 시스템을 기준으로 다양한 주행조건에서의 입자상물질 발생량 예측에 대한 연구는 상대적으로 부족한 실정이다. 이에 이 논문에서는 GDI 엔진에서 배출되는 입자상물질의 발생 원인을 파악하고, GDI 엔진의 운전조건과 입자상물질 배출량의 상관관계 분석을 진행하였다. 또한 이를 기반으로 차량 주행 시 발생하는 입자상물질의 수량을 예측하는 연구를 수행하였다.
입자상물질 발생 수량 분석 및 예측을 위해 엔진동력계 실험을 통하여 열간(warm-up) 정상상태(steady state)에서 배출되는 입자상물질의 수량을 측정하였고, 이를 엔진회전속도, 엔진부하, 공기 과잉율에 따른 특성으로 분석하였다. 또한 차대동력계 실험을 통하여 차량이 다양한 배기규제 모드에 따른 과도상태(transient state)로 주행 시 배출되는 입자상물질의 수량을 측정하고, 이를 엔진시동조건, 냉간조건, 가속조건에 대한 특성으로 나누어 분석하였다. 엔진실험과 차량실험을 통하여 분석한 입자상물질의 배출특성을 토대로 차량 시스템 운전조건에서 배출되는 입자상물질을 수량기준으로 예측하는 모델을 제시하였다. 마지막으로 이 모델을 검증하기 위하여 WLTC 모드를 주행하는 조건을 기준으로 입자상물질 발생량을 수량기준으로 예측하고, 이 값을 실제 차대동력계에서 실제 차량을 WLTC 모드로 실험하여 측정한 실험결과와 비교하였다.
엔진동력계 실험을 통하여 정상상태 운전조건에서 혼합기 형성에 소요되는 시간과 공연비가 입자상물질 배출에 중요한 영향을 미친다는 것을 확인하였으며, 각 엔진회전수 및 부하조건에 따른 정상상태 PN map을 작성하였다. 또한 차대동력계 과도상태 운전조건 시험을 통하여 엔진의 예열수준 및 차량의 가속도가 입자상물질의 배출에 지배적인 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 이와 같은 입자상물질 발생특성을 기반으로 차량시스템에서 주행 시 입자상물질 배출량 개수를 예측하는 모델을 개발하였다. 실험차량을 대상으로 모델을 통해 NEDC 모드에서의 배출량을 예측한 결과 시험결과 대비 1% 수준의 정합성을 보였고, 이를 동일한 엔진을 다른 사양의 차량에 적용하여 WLTC 모드의 PN을 예측한 결과 실험치와 2.3% 수준의 정합성을 갖는 결과를 얻었다.
이 연구결과를 활용하면 자동차의 초기 개발단계에서 PN에 대한 배기규제 만족 여부를 추정할 수 있으며, 연소기술 및 GPF와 같은 후처리 장치의 적용 여부를 판단하여 종합적인 시스템의 선정 및 개념설계 단계에 유용한 도구가 될 수 있을 것으로 기대한다.
목차
Ⅰ. 서 론 11.1 연구 배경 11.2 연구 목적 8Ⅱ. 이론적 배경 92.1 입자상물질 생성원리 92.2 입자상물질 측정기술 252.3 입자상물질 저감기술 31Ⅲ. 엔진 및 차량 시스템 모델링 403.1 차량시스템 모델링 423.2 PN예측 엔진시스템 모델링 46Ⅳ. 실험 장치 및 방법 524.1 엔진실험 장치 및 실험조건 524.2 차량실험 장치 및 실험조건 57Ⅴ. 결과 및 고찰 665.1 엔진 정상상태 실험결과 665.2 차량 과도상태 실험결과 855.3 Simulation 결과 98Ⅵ. 결 론 104
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