[열역학 A+ 과제] 오토사이클 엔진설계(상세한 계산과정 수록, Python 코딩 활용)

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[열역학 A+ 과제] 오토사이클 엔진설계(상세한 계산과정 수록, Python 코딩 활용)에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. Project 주제 소개
2. Engine Type 선정
3. Engine Spec 가정
4. 실린더 직경 및 행정 결정
5. 유입열량 및 소비열량 계산
6. 효율 및 압축비 계산
7. 사이클 과정별 온도 및 압력 도출
8. Python 코딩을 활용한 Engine 설계 (★코딩내용 포함)
9. 토 의

본문내용

시스템인 DFI(Direct Fuel Injection), DOD(Displacement On Demand) 등의 기술이 있다.
이런 Trend에 맞춰서 국산 브랜드인 현대자동차의 자체 엔진개발의 효율성, 성능, 연비에 대해 조사하기로 결정하였다. 현재 많은 소형급, 준중형급에 탑재되어있는 “1.6 GDI Engine” 을 설계대상 Engine으로 선정해보았다.
GDI란, 가솔린 직분사 엔진을 말한다. 연료탱크에서 압축된 연료를 엔진에서 한번 더 압축시켜 분사공급 시키는 방식이다. 연료를 최대한 연소 시킬 수 있어서 연비향상에 큰 도움을 준다. 단점으로는 직접분사로 인해 소음이 커지고 진동이 발생할 수 있다는 점이다.
3. Engine Spec 가정
: 1.6 GDI Engine Spec을 기반으로 설계엔진의 Spec(최대 회전수, 출력, 실린더 수)를 가정하였다.
○ 현대자동차 1.6 GDI Engine Spec . 최대 출력 : 140/ 6300 (Ps/rpm) . 최대 토크 : 17 / 4850 (kg´m/rpm) . 연료 발열량 : 8300 (kcal/ℓ) = 34727.2(kJ/ℓ) = 46302.9(kJ/kg)
○ 설계엔진 Spec 가정 . 최대 회전수 : 6300 (rpm) . 최대 출력 : 140(PS) = 102.97(kW) . 실린더수 : 4 기통
○ 초기조건 가정
4. 실린더 직경(bore) 및 행정(stroke) 결정
○ 초당 상하 운동 횟수(N) :
○ 실린더 행정(S) :
※ 피스톤 속도(Vp)의 가정: 일반적인 차량의 피스톤 속도는 20(m/s) 이므로 Vp = 20으로 가정 함.
○ 실린더 체적(V) :
※ 실린더 체적(V)의 가정: 준중형 차량은 배기량이 거의 1600cc 정도이며 기통 당 400cc로 최근의 기술들이 흡배기의 개선으로 Long Stroke 형식으로 인한 충분한 출력이 가능 함.
○ 실린더 직경(D) :
◆ 실린더 행정(S) : S = 95.238 (mm)
◆ 실린더 직경(D) : D = 73.127 (mm)
5. 유입열량 및 소비열량 계산
○ 공기 밀도 :
○ 공기 질량 :
○ 연료 질량 :
○ 연료 발열량 ( = 유입 열량 ) :
○ 소비 열량 :
◆ 유입 발열량 (= 공기 질량 당 발열량 )
◆ 소비 열량
6. 효율 및 압축비 계산
○ 효율 :
○ 혼합 비열비 :
○ 압축비 :
◆ 효 율 : %
◆ 혼합 비열비 :
◆ 압 축 비 :
7. 사이클 과정별 온도 및 압력 도출
○ 과정 ( 1 ⇒ 2 ) : 등엔트로피 압축 :
○ 과정 ( 2 ⇒ 3 ) : 등적 가열 (열공급) :
○ 과정 ( 3 ⇒ 4 ) : 등엔트로피 팽창 :
○ 과정 ( 4 ⇒ 1 ) : 등적 방열 :
○ 효율 구하기 :
◆ 과정 별 온도 압력의 결과
과정 1
과정 2
과정 3
과정 4
온도(K)
293
437
4736
3175
압력(kPa)
101
444
4821
1098
8. Python 코딩을 활용한 Engine 설계
○ 결 과
. 초기온도 : 상온(20℃)에서의 결과
. 초기온도: 150℃에서의 결과
이것으로 부터 재열을 이용하면 효율과 압축비를 상승시킬 수 있음을 알 수 있다.
○ 코딩 내용
9. 토의
엔진 설계에 있어서의 문제점과 개선점에 대해서 다음의 3가지로 토의 해 보았다.
① GDI 와 MPI방식 엔진의 차이점
우리가 샘플로 선정한 GDI엔진은 연료를 실린더에 직접 분사하는 방식으로 공연비와 압축비가 기존의 MPI방식보다 훨씬 높다. 그러나 과제로 주어진 공연비는 15:1이므로 이 값을 적용하면서 압축비만 높이거나 GDI방식의 메커니즘을 적용해서 계산하는 것은 무리가 있다고 판단되어 과제에 주어진 공연비에 맞춰 실린더 체적과 배기량 정도만 참고해서 적용하였고 출력과 효율은 수업시간에 배운대로 AUTO 싸이클 방식(MPI 방식이라 가정)의 계산으로 결과를 도출한 후 MPI방식과 비교하여 GDI엔진의 메커니즘이 어떻게 공연비와 압축비, 효율은 높고 배기가스 배출량이 더 적을 수 있는지에 대해 분석해 보기로 하였다.
MPI방식은 압축 행정시 공기와 연료가 섞인 혼합기가 압축된다. 그래서 효율을 위해 압축비를 일정 이상 높일 경우 노킹발생의 위험이 있으며, 공연비를 높일 경우엔 엔진의 출력저하가 수반된다. 그러나 GDI엔진은 압축 행정시 공기만 압축이 되고 연료는 압축행정 후기에 실린더 안에 직접 분사되므로 연료분사시기를 조절할 수 있어서 노킹을 방지할 수 있다. 또한 흡기의 tumble유동을 발생시켜 40:1의 높은 공연비에도 연소가 잘될 수 있도록 점화플러그 주변에 농후한 조건을 만들어 출력저하가 수반되지 않도록 하였다.
이와 같은 메커니즘으로 인해 출력은 상승하고 배기가스는 줄어들며 디젤엔진 못지않은 좋은 연비를 실현할 수 있다.
② 높은 온도
우리가 가정한 조건의 엔진이 실린더블록의 성능에 따라 충분히 압축비를 견딜 수 있다는 가정을 하여도 온도에서 문제가 된다. 비가역성을 무시하고 발열량을 계산하였을 때 폭발 후의 온도가 비정상적으로 높고, 그에 따라 팽창 이후의 온도도 상대적으로 높아졌다. 그 이유는 냉각시스템과 점화 시 발생하는 비가역적 상황에 대한 고려를 하지 않아서 우리가 생각한 온도보다 높게 나온 것 같다. 이러한 상황들을 가정하게 된다면 수치적으로 높게 보이는 온도도 실제 해결할 수 있을 것이다.
또한 유입되는 열량을 수정하려 하였으나 에너지 열량 환산 기준표에 따른 수치를 바꿀 수 없으며, 공연비를 높여서 열량을 떨어트리는 것도 충분한 조건이 되지 못했다.
③ 패열의 재생 ★
재생 브레이튼 사이클을 열역학 과목에서 배웠다. 이러한 개념을 자동차 오토사이클에 적용을 해보았다. 계산 된 결과에서 온도와 압력이 매우 높아서 위에 계산과정으로 선택하지 않았지만 좋은 가정이라고 생각한다. 500℃가 넘는 패열을 이용하여 초기 유입공기의 온도를 150℃까지 상승시켜보면 압축비가 2배, 효율도 상온일 때 대비 30% 향상 시킬 수 있기 때문이다. 문제는 높은 압력과 온도 인데 엔진의 강도를 높이고 쿨링 시스템을 잘 갖추고 비가역적인 것들을 고려하면 충분히 가능할 수 있다고 생각한다.

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