TGDI엔진용 전자식 수온조절기의 감온성능 향상을 위한 그래핀 소재의 적용
Copyright Ⓒ 2017 KSAE
Abstract
In this work, graphene platelets were introduced into wax in an automotive electronic controlled thermostat for the purpose of enhancing its thermal-conductive property and improving response performance. Graphene content ranging from 10 % to 20% was added into and mixed with the wax to investigate the effect of graphene amounts on the performance of an automotive electronic controlled thermostat in terms of response time, hysteresis and melting temperature. The experimental results revealed that graphene in wax contributed to a reduction in the response time and hysteresis of an automotive electronic controlled thermostat. As a consequence, important improvement in thermal sensitivity, full lift, melting temperature and hysteresis were obtained. The thermal response of wax with graphene content of 20 % was improved by 25 %, as compared to that of wax with Cu content of 20 %. Hysteresis of wax with graphene was reduced by 0.6 °C as compared to that of wax with Cu content. The melting temperature of wax is lowered and hysteresis is also improved with increased graphene content of wax in an electronic controlled thermostat. We hope that this study can help further the transition of nano-fluid technology from small-scale research laboratories to industrial application in the automotive sector.
Keywords:
Electronic controlled thermostat, Split cooling, Knocking, graphene, Hysteresis, Wax, TGDI키워드:
전자식 수온조절기, 분리냉각, 노킹, 그래핀, 히스테리시스, 왁스, 터보 가솔린직분식 엔진1. 서 론
지구온난화에 따른 온실가스 감축 요구에 대응하기 위하여 세계 각국은 연비규제를 강화하고 있으며 세계적인 경기침체로 인하여 소비자들의 연비에 대한 요구 또한 높아지고 있다. 따라서 가솔린엔진의 경우 전 세계적으로 다운사이징 및 다운스피딩기술을 적용한 TGDI(Turbo-charged Gasoline Direct Injection) 엔진을 장착하여 신차를 출시하고 있다.1) TGDI엔진은 출력밀도가 높고 엔진의 고효율 운전영역(Sweet Spot)이 넓어 연비성능은 매우 좋지만 저속 중고부하 영역에서의 노킹 및 LSPI(Low Speed Pre-ignition)의 발생은 매우 심각한 문제로 대두되고 있다.2,3) 따라서 이를 억제하기 위하여 Cooled-EGR 및 분리냉각(Split Cooling) 등 여러 가지 기술들이 제안되고 개발되고 있는 실정이다.4)
최근들어 TGDI 엔진을 장착한 C 세그먼트 이하의 차량에 노킹과 LSPI를 억제하기 위하여 적극적으로 도입하고 있는 냉각기법은 분리냉각이다.5,6) 이 기법은 중고부하의 운전영역에서 실린더 헤드의 과도한 온도상승으로 인한 노킹발생을 억제함과 동시에 실린더블록 주위의 냉각수의 온도를 높게 설정하여 마찰손실을 억제할 의도로 개발된 것으로 실린더 헤드부위의 냉각수 온도는 90 °C 정도로 유지하고, 실린더 블록은 100 °C ~ 105 °C의 냉각수온을 유지하는 것이 일반적이다.6) 이러한 분리냉각 기법에는 실린더 헤드부위와 블록 부위의 냉각수 흐름을 제어할 수 있는 2개의 수온조절기가 필요하다. 따라서 TGDI엔진의 중고부하 및 급가감속 시의 정확한 냉각수온 조절은 반응성이 빠른 수온조절기의 개발여부에 달려 있다고 해도 과언이 아니다.
따라서 최근들어 국내외 자동차회사들은 ECU에서 운전조건에 따라 최적의 냉각수온을 제어할 수 있는 전자식 수온조절기를 분리냉각제어에 적극적으로 활용하고 있다.6,8-10) 이를 위하여 전자식 수온조절기는 왁스 내부에 전기식 히터를 삽입하여 히터 내부의 열선으로 전류를 통전하여 수온조절기의 양정을 제어하고 있다.
전자식 수온조절기 개발 목적은 작동엔진의 하중에 대한 최적 냉각수온을 제어하는 것이며 따라서 부분부하 시의 연비향상, 배출가스 감소 그리고 금가속 및 고부하운전 시의 출력향상 및 노킹억제 효과를 얻을 수 있다.
이러한 전자식 수온조절기의 성능은 냉각수온에 대한 빠른 응답성(감온성능)에 있다고 할 수 있다. 감온성을 높이기 위해서는 감온부(왁스:Wax)의 높은 열전도도가 요구되는데 현재는 이를 위하여 구리를 소량 첨가하고 있다.
그러나 최근에 주목받고 있는 자동차 냉각시스템의 소재는 그래핀(graphene)이다. 선진국을 중심으로 그래핀의 높은 열전도도를 활용하기 위하여 냉각수에 그래핀 나노입자를 혼합하여 냉각효과를 높이는 연구를 진행 중에 있다.11)
이러한 맥락으로, 본 연구에서는 그래핀의 높은 열전도도를 활용하여 수온조절기의 온도 반응성을 높이기 위하여 그래핀(graphene) 소재를 왁스에 혼합하여 수온에 따른 반응성능을 구리 소재를 사용한 기존제품과 실험적으로 비교 평가하였다.12)
2. 실험 장치 및 방법
2.1 전자식 수온조절기의 구조
본 연구에서 사용된 전자식 수온조절기의 구성품 및 작동원리를 나타내기 위하여 Fig. 1에 수온조절기의 단면을 나타내었으며 부품별 명칭을 아래표에 설명하였다. Table 1에 기계식 왁스형 수온조절기와 전자식 수온조절기의 작동원리와 특징을 요약하여 설명하였다. 기존의 수온조절기의 경우는 냉각수로부터 열이 전도되어 왁스의 온도가 녹는점 이상이 되면 상변화가 일어나기 시작하여 체적이 팽창하며 이에 따라 엘리먼트가 하방으로 이동하기 시작한다. 결국, 왁스의 녹는점이 개변온도를 결정하게 되며 고정된 개변온도와 냉각수온을 유지할 수밖에 없다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 본 연구대상인 전자식 수온조절기는 왁스 내부에 전기히터가 내장되어 있다. 히터를 통전시키면 발열되기 시작하여 왁스를 녹여 팽창시키면서 다이아프레임을 하방으로 움직인다. 결국 이는 반유동체(semi-fluid)를 압박하여 고무 피스톤을 아래로 움직이게 한다.
Electronic controlled thermostat system
Design and operating principle of Electronic controlled thermostat
따라서 엔진 ECU에서 전기히터로의 통전량을 제어함으로써 왁스의 팽창 시작점과 속도를 조절할 수 있어 결국 수온조절기의 개변온도 및 냉각수 온도를 엔진의 운전조건에 따라 제어할 수 있다. 이러한 능력은 저속고부하 운전영역이 강조되는 TGDI엔진의 경우, 노킹억제 및 점화진각에 긍정적인 효과를 내므로 엔진의 출력 및 연비향상을 기대할 수 있다.
2.2 실험장치
본 연구의 실험에 사용된 장치는 당사에서 개발한 전자식 써모스탯 전용 특성검사기이다. 특성검사기의 개략도를 Fig. 2에 나타내었다. 그림에서 보듯이 히터와 냉각기를 이용해 특성검사기의 냉각수온도를 조절하고 분당 1 °C씩 냉각수 승온 및 감온이 가능해야 하며 시험 시작 후 30분만에 140 °C에 도달해야 한다. 냉각수(에틸렌글리콜)의 온도가 상승하면 시료에서 LIFT가 발생하는데 이를 측정할 게이지와 시료에 전원을 인가할 전원 공급장치가 있으며 이를 모두 제어하고 기록할 PC와 소프트웨어가 구비되어 있다.
Schematic diagram of thermostat test apparatus
2.3 실험방법
본 연구에서는 그래핀을 적용한 전자식 수온조절기의 왁스의 거동 및 응답성특성을 기존의 기계식 수온조절기와 비교분석하였다.
우선 왁스의 거동특성을 파악하기 위하여 특성검사기 내의 수조안 냉각수(부동액)의 온도를 초기에 개변온도로 안정화 시킨 후, 분당 1 °C의 온도구배를 유지하며 개변온도 +15 °C가 될 때까지 상승시킨다. 이후 120초 동안 이 최고온도를 유지하다가 이후에는 분당 1 °C의 온도구배로 냉각수의 온도를 하강시킨다. 이 때의 양정 및 히스테리시스 특성변화를 매초 측정하여 컴퓨터에 기록한다.
응답성 검사는 시편을 개변온도로 안정화된 수조에 5분 이상 침적하여 수온 안정화를 시킨 후 수온조절기에 전압 13.5 V를 인가하여 2 mm, 6 mm의 양정발생 시점의 응답시간을 확인하였다. 시료의 구성은 각 경우 당 3개를 만들어서 평가하였으며 왁스 내의 그래핀의 함량은 10, 15, 20, 25 % (질량)의 4가지를 고려하였다. 본 연구에 사용된 그래핀은 ‘Angstron Material(사)에서 구입하였으며 구성 성분은 탄소 : 99.49 %, 황 : 0.08 %, 수분:0.5 %이다. 가공비중(tap density)은 0.093 g/cm3이다.
3. 결과 및 고찰
그래핀을 적용한 전자식 수온조절기의 왁스의 거동특성 및 응답성을 파악하기 위하여 특성검사 및 응답성 검사를 수행하여 그래핀 적용 시 기존 왁스 제품(Cu: 20 % 함유) 보다 응답성과 히스테리시스 등이 개선될 수 있음을 확인하였다.
Fig. 3에는 본 연구의 대상 전자식 수온조절기의 통전 전압(0 V ~ 12 V)에 따른 양정특성곡선을 나타내었다. 실험은 수조의 초기온도를 30 °C로 안정화시킨 후 0, 4, 8, 12 volt의 전압으로 통전하였을 때 수온상승(1 °C/min)에 따른 양정특성을 분석하였다. 그림에서 볼 수 있듯이, 0 V ~ 12 V의 전압범위에서 개변온도는 50 °C ~ 100 °C의 범위에서 변화하며 통전 전압이 상승할수록 왁스 내부의 온도상승에 따른 양정곡선의 기울기는 감소함을 알 수 있다. 참고로 통전하지 않았을 경우는 개변온도 100 °C의 왁스형 기계식 수온조절기의 특성을 그대로 보여준다.
Electronic controlled thermostat lift curve for various input voltages
3.1 그래핀 적용 전자식 수온조절기의 특성시험 결과
전자식 수온조절기의 왁스 내 그래핀의 함량이 응답성 및 왁스의 물리적 거동특성에 미치는 영향을 분석한 결과를 아래 Table 2에 요약하여 나타내었다. Table 3에는 그래핀을 포함하지 않는 왁스(Cu : 20 % 포함)를 사용한 경우와 20 % 혼합하였을 경우의 상세 실험결과를 요약하여 나타내었다. 시험결과로부터 확인할 수 있듯이, 왁스 내의 그래핀의 첨가량이 증가할수록 그래핀을 사용하지 않은 경우보다 녹는점이 하강하며 히스테리스 역시 개선되고 있음을 볼 수 있다. 본 연구에서는 상승 및 하강 양정특성곡선의 2 mm 양정시 온도차이를 히스테리시스로 정의하였다.
Test results of characteristics of electronic controlled thermostat for various graphene contents
Comparison of performance of E-thermostat W or W/O grephene content (20 %)
그래핀의 함유량이 10 %, 15 %인 경우는 기존의 왁스적용 전자식 수온조절기에 비해 녹는점은 약 1 °C ~ 2 °C정도 개선되었으며 히스테리시스 역시 1 °C ~ 6 °C 향상되었음을 볼 수 있다. 그래핀 함유량이 20 % 인 경우는 응답성은 약 2초가 개선되었으며 녹는점은 2 °C ~ 3 °C가 개선되었으며 히스테리시스 역시 0.6 °C개선되었음을 확인하였다.
그러나 그래핀 함유량이 25 %인 경우는 20 %의 경우보다 2 mm 전기응답특성은 1.8 % 개선 되었으며 6 mm 전기응답특성은 동일하였다. 그러므로 그래핀의 최적 함유량은 20 % 전후일 것으로 판단된다.
Fig. 4는 왁스 내 그래핀 소재의 함유량이 20 %인 경우와 함유되지 않은 경우의 전자식 수온조절기의 시간 진행에 따른 3개의 시작품에서 나온 피스톤의 평균양정을 나타낸 것이다. 결과로부터 알 수 있듯이, 그래핀을 함유한 경우가 2 mm 전기응답특성은 25 %가 개선되었으며 6 mm 전기응답특성은 28 %가 개선되었음을 확인하였다. 이러한 전자식 수온조절기의 초기 응답성능의 개선은 냉각수온 상승에 따른 빠른 냉각유량의 상승을 기대할 수 있으므로 고속 고부하 운전영역이 강조되는 TGDI엔진과 같은 다운사이징 엔진에서 노킹 및 LSPI(Low Speed Pre-Ignition)를 적극적으로 감소시킬 수 있어 보다 개선된 운전성을 보유한 엔진개발에 많은 도움을 줄 것으로 기대된다.
Comparison of averaged response time with or w/o graphene content (20 %)
상기의 결과들로부터 감온성을 높이기 위해 기존에 사용해왔던 Cu 보다 그래핀의 경우 소량첨가에도 불구하고 왁스의 감온성을 매우 높일 수 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 수온조절기의 높은 감온성은 WLTP 연배기주행 모드와 같이 급가감속 운전모드가 강조되는 현재추세를 고려했을 때 신속한 냉각수유량제어를 가능하게 하여 KLSA(Knock Limited Spark Advance) 영역을 감소할 수 있게 되므로 궁극적으로 다운사이징엔진의 연비효율을 기대할 수 있다.
Fig. 5에는 왁스의 감온성을 높이기 위해 기존에 사용하여 왔던 구리(Cu) 의 성분을 20 %에서 30 %로 증분시켰을 경우 왁스가 보이는 감온성능을 수온조절기의 양정으로 나타내었다.
The effect of Cu content on thermal sensitivity of electronic controlled thermostat
결과로부터 알 수 있듯이, 구리의 성분증가로 인한 감온성 증가효과는 미미하며 그 효과 역시 35초 이후에 나타나고 있음을 볼 수 있다. 따라서 단위체 적당 발열량이 높은 현재의 다운사이징 가솔린엔진의 수온조절기의 감온성능향상제로 구리를 사용하는 것은 한계에 도달했다는 것을 알 수 있다.
Fig. 6에 왁스에 Cu를 20 % 함유시킨 기존 왁스형 수온조절기의 히스테리시스 곡선과 그래핀을 20 %왁스에 함유시킨 히스테리시스곡선을 각각 나타내어 비교하였다.
Hysteresis curves for two different wax additives
결과로부터, 그래핀을 첨가한 수온조절기의 경우는 매우 향상된 히스테리시스 특성을 나타내고 있음을 확인할 수 있으며 따라서 실차에 장착 시 매우 안정적이고 재현성 높은 운전과 내구성 향상을 기대할 수 있다.
지금까지의 연구결과로부터 그래핀이 가지고 있는 Cu 대비 12배에 달하는 높은 열전도(4800 W/m·K)효과는 수온조절기의 감온성능을 25 % 이상 높일 수 있음을 나타내어 주며 이는 각 운전조건에 맞는 최적의 냉각수온을 전자식 수온조절기로 빠르게 제어 할 수 있는 가능성을 보여주고 있다.
그러나 그래핀의 밀도(0.093 g/cm3)가 Cu (8.960 g/cm3)에 비해 매우 낮아 왁스와의 배합과 성형성 등에 어려움이 있다. 향후 이를 해결할 수 있는 기술개발 등을 통하여 생산성향상을 통한 원가절감을 꾀한다면 그래핀을 적용하여 매우 감온성능이 높은 전자식 수온조절기의 생산이 가능할 것으로 기대된다.
4. 결 론
- 1) 향후 LET(Low End Torque) 영역이 강조되는 다운사이징 엔진에 적용하기 위하여 냉각수온변화에 응답성 작동 안정성이 우수한 전자식 수온조절기를 개발하였다.
- 2) 전자식 수온조절기의 응답성을 향상시키고 안정된 히스테리시스 확보하기 위하여 열전도도가 매우 우수한 그래핀을 왁스에 함유시켜 그 효과를 확인하였다.
- 3) 왁스 내 그래핀 함유량이 20 % 인 경우는 기존 Cu 첨가(20 %)된 왁스에 비해 녹는점은 2 °C ~ 3 °C가 개선되었으며 히스테리시스 역시 0.6 °C 개선되었음을 확인하였다.
- 4) 그래핀을 20 % 함유한 경우가 기존제품에 비해 2mm 전기응답특성은 25 %가 개선되었으며 6 mm 전기응답특성은 28 %가 개선되었음을 확인하였다. 그러나 25 %의 경우의 응답성 개선은 매우 미미하였다. 따라서 최적 그래핀 함유량은 20 % 정도일 것으로 판단된다.
- 5) 왁스 내의 그래핀의 함유량이 증가할수록 그래핀을 사용하지 않은 경우보다 녹는점이 하강하며 히스테리스 역시 개선되고 있음을 확인하였다.
- 6) 향후, 그래핀의 높은 밀도로 인한 왁스와의 균일도 높은 배합의 어려움과 이에 따는 성형의 문제점을 극복하기 위한 기술개발이 필요할 것으로 사료된다.
후 기
본 연구는 산업통상자원부 기술혁신형 중소기업 연구인력지원사업의 일환으로 수행하였으며, 인지컨트롤스(주)의 지원으로 수행되었습니다. 이에 관계자 여러분께 감사드립니다.
References
- D. Han, H. Im, S. Han, and H. Kim, “The Turbocharged Theta GDI Engine of Hyundai,”, MTZ 2011-10, 72, (2011).
- X. Luo, H. Teng, T. Hu, R. Miao, and L. Cao, “An Experimental Investigation on Low Speed Pre-Ignition in a Highly Boosted Gasoline Direct Injection Engine,”, SAE 2015-01-0758, (2015).
- M. Kassai, H. Hashimoto, T. Shiraishi, A. Teraji, and T. Noda, “Mechanism Analysis on LSPI Occurrence in Boosted S.I. Engines,”, SAE 2015-01-1867, (2015).
- L. Teodosio, V. De Bellis, and F. Bozza, “Fuel Economy Improvement and Knock Tendency Reduction of a Downsized Turbocharged Engine at Full Load Operations through a Low-Pressure EGR System,”, SAE 2015-01-1244, (2015).
- A. Osman, M. Hussin, and S. Zainal Abidin, “Testing and Development of an Enhanced and Cost Effective Engine Split Cooling Circuit,”, SAE 2015-01-1650, (2015).
- K. Hwang, I. Hwang, H. Lee, H. Park, H. Choi, K. Lee, W. Kim, H. Kim, B. Han, J. Lee, B. Shin, and D. Chae, “Development of New High-Efficiency Kappa 1.6L GDI Engine,”, SAE 2016-01-0667, (2016).
- M. Chanfreau, B. Gessier, A. Farkh, and P. Y. Geels, “The Need for an Electrical Water Valve in a Thermal Management Intelligent System (THEMISTM),”, SAE 2003-01-0274, (2003).
- C. Donn, W. Zulehner, D. Ghebru, U. Spicher, and M. Honzen, “Experimental Heat Flux Analysis of an Automotive Diesel Engine in Steady-state Operation and During Warm-up,”, SAE 2011-24-0067, (2011).
- G. Liu, Z. Zhao, H. Guan, Y. Liu, C. Zhang, D. Gao, W. Zhou and , and J. Knauf, “Influence of Advanced Technology for Thermal Management on SUV,”, SAE 2016-01-0238, (2016, Oct).
- Mahle Aftermarket Inc., http://www.mahle-aftermarket.com/media/local-media-north-america/pdfs/catalogs-and-literature/mo-2-1013.pdf (2015).
-
M. B. Bigdeli, M. Fasano, A. Cardellini, E. Chivazzo, and P. Asinari, “A Review on the Heat and Mass Transfer Phenomena in Nanofluid Coolants with Special Focus on Automotive Applications,”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 60, p1615-1633, (2016).
[https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.03.027]
- S. K. Kim, Y. J. Kim, H. H. Joung, W. Jeon, J. W. Jeong, and S. J. Jeong, “Application of Graphene Platelets on Automotive Electronic Controlled Thermostat for Improving Thermal Sensitivity,”, KSAE Fall Conference Proceedings, p999-1004, (2016).
