[내연기관][Team Project]The Trend for Ultra-light Engine Design

소개글

[내연기관][Team Project]The Trend for Ultra-light Engine Design에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 서론

2. 자동차 소재 경량화의 동향

3. 경량소재의 종류와 특성

3.1. 알루미늄
3.2. 마그네슘
3.3. 플라스틱
3.4. 세라믹
3.5. 타이타늄

4. AM-SC1

4.1. AM-SC1 이란?
4.2. 화학적 조성
4.3. 기계적 특성
4.3.1. 밀도
3.3.2. 열전도율
3.3.3. 크리프 특성
4.4. 경량화 효과

5. 결론

본문내용

해 보면 기존의 주철은 207MPa, AM-SC1은 206 9MPa이다.
이와 같은 결과를 통해 AM-SC1이 주철보다 4배정도 높은 비강도를 갖는다는 것을 알 수 있다.
4.3.2. 열전도율
엔진 블록을 제작함에 있어서 중요하게 고려하는 요소 중의 하나가 냉각효율이다.
엔진의 온도가 필요이상으로 상승하게 되면 노킹현상이나 엔진오일막 손상으로 인한 윤활 불량, 또는 부품 변형이나 엔진 블록 자체의 파열과 같은 치명적인 결과까지 가져올 수 있기 때문이다.
이와 같은 사실에 근거하여 소재별 열전도율을 비교하여 보았다.
그림 . 재료에 따른 열전도율 비교
그래프에 나타난 것과 같이 알루미늄합금의 열전도율과는 큰 차이가 없으나, 철에 비해서는 약 1.4배 정도 높게 나타났다.7)
기존의 주철 엔진블록을 마그네슘합금으로 대체할 경우 개선된 냉각성능을 이용하여 연소온도를 높이는 등의 방법으로 연소효율을 높이는 것이 가능할 것이다.
4.3.3. 크리프 특성
그림 4는 고온에서의 인장·압축 강도를 시험한 결과이다. 450K에 이를 때 까지 인장·압축 강도에 큰 변화가 없는 것을 볼 수 있다. 다만, 423~450K 사이에서 인장강도가 약간 증가한 것은 현재로서는 원인을 알 수 없었다.4)
여기서는 단순 크리프 시험 외에도 Bolt Load Retention(BLR) Test을 함께 시행하였다.
BLR Test는 시험하고자 하는 재료로 만든 두 개의 보스(bosses)를 스트레인 게이지가 들어있는 볼트로 체결하고 온도를 높여 재료의 특성을 측정하는 시험이다.
그림 . The tensile and compressive 0.2% proof stresses and the ultimate tensile strength of AMC-SC1, obtained at various
그림 . Typical bolt load retention curves at 423 K for AMC-SC1, HPDC AE42 and A319 (as cast).
그림 5는 BLR Test결과이다. 150 에서 초기하중 8kN으로 시험했을 경우 Al319와 유사하거나 좀 더 안정적인 결과를 보여준다.
초기의 주변온도에서의 초기하중을 PI라 하고, 시험 종료 후 주변온도로 돌아왔을 때의 하중을 PF라고 하면 PI/PF는 다음과 같이 나타난다.
그림 . A comparison of the bolt load retention behaviour of AMC-SC1 with high pressure die cast AE42 at 423 and 450 K.
그림 6은 다른 마그네슘 합금인 AE42와 AM-SC1을 비교한 결과로서, 온도가 상승했을 경우에 AM-SC1에서는 하중의 저하가 별로 일어나지 않았지만 AE42는 상당한 하중의 저하가 발생하였음을 볼 수 있다. 이것은 고온에서 하중을 받았을 경우 큰 변형이나 항복이 일어나지 않았다는 것을 뜻한다.
요구 조건에 따르면 크리프강도가 450K에서 90MPa이상이 되어야 한다. 그러나 450K에서 500시간 동안 테스트한 후에도 크리프 변형이 아직 0.1%에 미치지 않아 AM-SC1의 크리프 특성이 아주 우수하다는 것을 알 수 있었다.4)
그림 . Representative creep curves for AMC SC1 at temperatures of 423 and 450 K, and a stress of 90MPa.
그림 . Comparison of the creep strength of AMC-SC1 at 423 and 450 K with that of A319 and AZ91C (ie the stress to produce 0.1% creep strain after 100 hours).
그림 7과 그림 8의 그래프는 AM-SC1과 알루미늄 합금 A319 그리고 마그네슘 합금 AZ91의 크리프 강도를 비교한 것이다. 위의 자료에 따르면 A319과 유사하며 AZ91에 비해 월등히 개선된 크리프 강도를 나타내는 것을 알 수 있다.
이는 T6 열처리 조건에서 AM-SC1의 결정구조가 굉장히 안정적인 데에서 기인한 것이다.4)
4.4. 경량화 효과
2004년 현재 유럽에서는 AM-SC1 엔진블록을 적용한 3-실린더 터보디젤엔진을 만들어 폭스바겐의 Lupo라는 차량에 시범 장착하어 이미 56000km 가량 운행하였다. 이 차량이 65000km를 운행한 후에 무결성과 성능에 대해 정밀히 평가할 수 있다고 한다.4)
이 엔진은 아직 평가 단계인 것으로 보이며, 따라서 연비향상과 같이 정확히 경량화 효과를 평가할 수 있는 자료를 찾을 수 없었다.
다만, 차량 총 중량이 약10% 감소할 경우 연료 소비가 6~8% 줄어든다
) "Technical Whitepapers - Environment", The Aluminum Association,
(http://www.autoaluminum.org/environ.htm)
는 사실에 근거하여, 엔진중량이 차량 총 중량의 15%이고, 이 중 엔진 블록의 중량이 20%라고 가정하면, AM-SC1을 적용하여 주철 대비 70%의 중량 감소를 얻을 경우, 연료소비는 약 1.7% 줄어든다고 예측 할 수 있다.
5. 결론
지금까지 고온에서 적용이 가능하도록 만들어진 AM-SC1의 특성에 대해 알아보았다. 그 결과 이 합금은 기존의 알루미늄 합금과 동등하거나 다른 마그네슘 합금에 비해 경량성, 내구성 면에서 훨씬 좋은 성능을 가지고 있다고 볼 수 있다. 또한 기존의 알루미늄합금 등에 사용하던 T6 열처리 방식을 그대로 사용할 수 있어서 새로운 공정기술의 개발이 필요하지 않으므로 제품의 생산비용을 낮추는 것도 가능하다.
이와 같은 재료의 특성과 기술 개발 동향을 보았을 때 마그네슘 합금은 엔진 블록의 소재로서 추후 알루미늄 합금을 대체 할 가능성이 아주 클 것이다.4)
그러나, 소재만을 변화시켜 엔진의 중량을 감소시키는 데에는 한계가 있다. 따라서 현재 연구되고 있는 나노 유체와 같은 새로운 냉매를 이용하여 워터자켓을 소형화 시킨다거나, 연료전지와 같이 완전히 새로운 동력생산방법에 대한 연구를 통해 에너지효율 극대화를 향한 새로운 길을 모색해 나가야 할 것이다.

키워드

내연기관,   ULE,   Ultra-light,   Engine,   경량소재,   자동차,   AM-SC1,   엔진