시뮬레이션을 활용한 터보 컴파운드의 자동차 배기 에너지 회수 성능 예측 및 최적 작동 조건에 관한 연구 = Prediction of automotive exhaust energy recovery performance of turbo compounds using simulation and optimal operating conditions

국문 초록 (Abstract)

현재 온실가스에 의한 환경 문제로 인하여 전 세계적으로 CO2에 대한 규제가 Fig. 1에서 볼 수 있는 것처럼 강화되고 있다. 유럽 연합은 2035년부터 내연기관 차량 판매 규제 방안을 확정하였고, 2030년까지 CO2 배출량을 2021년 대비 50%를 감축해야 하는 법안을 제정하였다. 그 외에도 미국, 일본, 중국 등 주요 국가에서 기존 규제 대비 10~50%정도의 CO2 배출량 감축을 목표로 하고 있다.우리나라도 마찬가지로 Fig. 2와 같이 환경부에서 발표한 자료에 따르면 2030년까지 소형화물차량 CO2 배출량 기준을 평균 146g/km, 연비 기준을 17.3km/L까지 점차 강화할 계획이다. 이와 같은 국내 및 해외 규제 강화로 인하여 자동차 산업은 이에 맞춰 준비를 해야 하며, 특히 기존 내연기관 차량과 같은 경우 CO2 규제의 핵심이 되는 차량이기에 규제에 대응하기 위한 대책을 마련해야 하는 실정이다.
현재 우리나라 자동차 산업은 탄소 규제에 대응하는 방법으로 친환경 자동차의 개발 및 연구들을 진행 중이고 그 결과, Fig. 3에 나타낸 국토교통부에서 발표한 국내 친환경 자동차 등록대수 그래프와 같이 2016년 친환경 차량 등록 대수는 하이브리드 차량 23만대, 전기 차량 1만대, 수소 전기 차량 87대로 총 24만대였다. 하지만 2021년 친환경 차량 등록 대수는 하이브리드 104만대, 전기 차량 30만대, 수소 전기 차량 2만대로 총 136만대까지 5년 사이에 빠른 속도로 성장하고 있다. Fig. 3의 전체 자동차 대비 친환경 자동차 비율을 살펴보면 2016년 기준 1.1%에서 2022년 상반기 기준 5.4%로 5배 이상의 높은 성장을 이뤄낸 것은 맞으나, 아직까지는 내연기관 차량이 90%의 비율을 차지하고 있다는 사실을 알 수 있다. 결국 온실 가스 문제 해결과 탄소 규제에 대응하기 위해서는 친환경 자동차의 개발 및 연구와 더불어 내연 기관의 CO2 배출 저감을 위한 연구도 동시에 이뤄져야 한다는 것을 반증하고 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 2.1 연구 필요성 및 목적 4
• 제2장 장치 구성 및 연구 방법 6
• 2.1 장치구성 6
• 2.1.1 대상 엔진 선정 및 실험 장치 구축 6
• 2.1.2 에너지 회수 시스템 비교 및 선정 8
• 2.1.3 터보 컴파운드 위치 선정 11
• 2.1.4 터보 컴파운드 주요 부품 선정 13
• 2.2 연구 방법 16
• 2.2.1 엔진 실험 기준 선정 16
• 2.2.2 터보 컴파운드 성능 예측 시뮬레이션 모델 개발 17
• 2.2.3 터보 컴파운드 시스템 평가 기준 설정 24
• 제3장 연구 결과 및 고찰 27
• 3.1 대상 엔진 배기가스 특성 분석 27
• 3.2 터보 컴파운드 해석 결과 32
• 3.2.1 1D 해석 모델 기초 특성 분석 32
• 3.2.2 터보 컴파운드 회전수 및 압력 강하 36
• 3.2.3 터보 컴파운드 발전량 및 에너지 회수율 42
• 3.2.4 기어비에 따른 발전량 변화 47
• 제4장 결론 49
• Reference 51
• Abstract 54