내연기관 10장 기관 내의 열전달

 

 

10.1 에너지 분배

열관리의 이유

: 엔진의 구성품들을 높은 열로부터 보호하기 위해

엔진의 윤활유의 점도를 일정수준 유지시켜 기계부품들의 마찰 파손을 방지하기 위해

위와 같은 목적을 위해 cooling이 필요한데 이는 엔진 전체 시스템에서 열손실을 의미=> 높은 열효율을 얻고 열손실을 줄이기 위해

 

엔진에서의 에너지 

동력: 30~40% : 열효율가솔린엔진(30~40%), 디젤엔진(40%~) 정도

배기로 배출:  1/3 정도 : 고온의 배기가스 배출시 에너지 손실 발생(제일 많은가?)

원치 않는 열손실: 1/3 정도보다 작게:  시스템 보호를 위한 쿨링 시, 오일에 의한, 주변으로 부터 뺏기는 열손실

마찰: 5~10%

10.2 엔진 온도

가장 온도가 높은 곳:

배기 밸브, 스파크플러그: 고온의 가스들과 직접적으로 접촉하며 실린더 위에 워터 제킷이 있지만 공간적 제약으로 인하 근접하게 위치하지 못해 온도가 높음.

피스톤 윗면: 냉각수 순환 경로로부터 어느정도 떨어져 있어 고온

 

(흡기 밸브는 실린더 상부이지만 차가운 공기가 지속적으로 냉각시켜줘 온도가 높지는 않음)

10.3 흡입 장치에서의 열전달

10.4 연소실에서의 연전달

coolant 열전달 계산

연소실과 벽면 사이에서의 대류 열전달 + 실린더 벽면에서의 전도 + coolant와 벽면 사이의 대류 열전달

대류: Q(닷)=hAΔT

전도: Q(닷)=K*ΔT/Δx

=>

연소실에서 벽으로의 대류열전달(1/hg)은 연소효율을 위해 줄여주고 벽에서의 전도와 coolant로의 대류열전달은 늘려주어야 한다.

 

 convecion heat transfer on the cylinder wall

연소실 변멱에서의 대류열전달은 계수 hg가 가장 큰 영향을 준다.

hg는 Nu(누셀넘버)에 의해 좌우되는데 Nu는 Re와 비례관계를 갖는다. 

Re는 pVL/뮤 이므로 아래와 같이 다시 정의될 수 있다.

따라서 mass flow가 커지면 Re가 커져 대류열전달계수가 커져 열을 많이 뺏기게 된다.

SI엔진에서 동력을 많이 내기 위해 스로틀을 늘려 공기 유입속도를 증가시키지만 열손실도 증가하게 된다.

 

복사 열전달

대류 열전달량에 비해 매우 적고 현상이 복잡해서 내연기관에서 깊게 안 다룸

SI엔진의 경우 전체 열전달에서 10%

CI엔진의 경우 20~35% : Soot, PM에 의해서 복사열전달이 커짐-> 아주 무시는 못함

 

엔진 열전달에 영향을 주는 요인

*엔진사이즈 : 연소실 벽의 표면적이 커지므로 열손실이 커지지만 체적이 커지는 폭이 더 커져서 동력을 더 많이 발생시킬 수 있기 때문에 전반적으로 Efficiency가 증가. (대형 선박 효율 높다. 2장)

*엔진속도: 속도 높으면 Re 증가 Nu 증가 따라서 대류열전달계수 증가-> 열손실 증가

*엔진 Load(출력을 크게 할수록):

SI엔진: 스로틀 더 연다-> flow 속도 증가-> Re 증가-> h증가 -> 열손실 증가

CI엔진: 연료분사량 늘림 -> 연료분사 시간 늘리므로 열전달시간 늘어남+연소실 온도 증가(Tg) ->열손실 증가

*증발을 이용한 냉각 작용(SI)(대류와 직접적이 영향은 없음)

연료의 증발 잠열에 의해 흡입공기 온도 내려가고 밀도를 높여줘 체적 효율을 증대시킨다.(매번 일어남)

흡기포트에 물을 분사하면 실린도 내 온도 내려가고 밀도 높아줘 체적 효율 증가, 동력 증대, Tg가 낮아지므로 열손실 감소하고 NOx 감소(인위적)

 

10.5 배기 장치에서의 열전달

일반적인 특징

배기 시스템에서 열손실은 촉매와 터보차저의 작동에 악영향을 미친다.

CI엔진은 압축비가 커서 충분히 팽창할 수 있으므로 배기 온도가 SI보다 낮다. 따라서 배기 열관리가 더 중요한 문제이다.(히터 장착 등)

회전수가 빠르면 Re가 커지므로 h가 증가해서 열손실이 많아지므로 더 주의가 필요하다.

배기밸브의 손상을 막기 위해 밸브에 sodium, natrium을 넣어 (너무 뜨거우면 증발함) 너무 뜨거워지거나 차가워지는 것을 막아준다. 

10.6 열전달에 미치는 기관 작동 변수의 영향

10.7 공랭식 기관

10.8 수냉식 기관

10.9 냉각제로서의 오일

10.10 단열 기관

피스톤 코팅을 통해 열손실을 막으면 Tg는 증가하므로 효율이 높을 것이다라고 생각 하지만 효과가 미미했음.

Tg가 증가하면 배기로 나가는 열량이 많아져서... 동력은 증가했지만 효율은 향상되지 않았다. 

아직도 고려중임 

 

기계 부품의 손실을 막기 위해 냉각시스템을 적용했지만 alloys나 ceramic 등을 활용하여 컴팩트하고 가벼운 시스템을 만들어 동력을 더 많이 얻을 수 있지만 Tg가 증가해서 효율 측면은 애매함.. 하지만 비용이 문제.

 

------> 두 방법 다 비용 측면 효율이 낮음, CI엔진에서만 고려 가능(SI엔진의 경우 연소실 온도 높으면 Knocking 발생하므로)

10.11 현대 기관 냉강의 동향

10.12 열 저장소