밀폐형차량 냉각장치시스템의 열평형 해석에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 냉각시스템 설계를 위하여 엔진의 실험 결과와 변속기의 성능곡선에서 차량의 한계조건인 파워팩 최고속도에 따라 이론적으로 산출한 변속기의 발열량과, 냉각휀, 라디에이터, 인터쿨러 및 연료 및 유압유오일 냉각기 등의 실험데이터를 기본으로 외기온도에 따른 냉각시스템의 열평형을 계산할 수 있는 해석프로그램을 열역학적 모델을 기반으로 개발하였으며, 실제 실험결과와 프로그램 예측치 결과를 상호 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 1. 냉각실험 결과 냉각휀 속도와 외기온도가 증가함에 따라 방열량이 증가하며, 공기 저항요소인 그릴의 영향은 주 라디에이터와 연료 및 유압유오일 라디에이터 방열량이 감소하나 냉각휀 소요동력에는 영향이 거의 없음을 알 수 있었다. 2. 본 프로그램을 이용하여 예측된 냉각시스템 각 부위의 온도는 실험결과와 비교할 때 방열량이 4 % 범위 내에서 잘 일치하고 있으며, 냉각요소가 변경하여도 냉각성능 예측이 가능함을 알 수 있었다. 3. 밀폐형차량 냉각장치는 외기온도가 38 ℃일 경우 엔진 냉각수온도가 허용 최고온도인 110 ℃에 도달하며, 차량 엔진은 110 ℃에서부터 공급되는 연료량을 줄여 엔진출력을 감소하도록 설계되어 있어 외기온도가 38 ℃이상일 경우에도 냉각수의 비등 및 과열을 방지하는 안전장치로 차량 운전이 가능함을 확인하였다. 4. 방열기의 방열량은 냉각핀의 재질 및 냉각유량의 변동에 큰 영향을 받지 않지만 공기유량 및 외기온도에는 크게 영향을 받는다. 공기유량을 증가시키면 방열량은 증가하지만 동시에 환형냉각기 코어의 압력손실도 증가하게 되어 결국 차량 동력출력의 감소를 가져온다, 따라서 가볍고 내부식성이 강한재질을 사용하고 압력손실을 저감시킬 수 있는 설계기법의 연구가 요구된다. 5. 외기중의 공기는 냉각휀에 의해 흡입 및 토출되면서 와류 및 압력손실에 의해 온도가 상승하게 되어 냉각효과를 감소시킨다. 온도의 증가량은 냉각휀 속도가 커질수록 유로가 복잡할수록 증가하게 된다. 따라서 흡입관로 및 냉각휀은 유로 손실이 적도록 설계가 필요하다.

Higher Power is required for better mobility in the current armored vehicle whereas the cooling condition for survivability becomes poorer and poorer. Therefore, it is very important to design proper cooling system which meets two contrary conditions each other. If cooling capacity is not enough, vehicles are critically damaged by engine overheating. The space of the powerpack is becoming smaller and more complicated. Therefore, a high capacity cooling fan, and a high density radiator and a sophisticated cooling fan driving and control system are essential. Normally the experimental capacity of a bench system is not big enough to carry out full capacity experimental. A lot of experimental data are needed to evaluate the cooling system. But testing itself is difficult and takes a lot of time and money. Low capacity experimental is inevitable and extrapolation or partial simulation is practical. Therefore, accurate calculated of heat rejection rates for various operating conditions is critical for proper cooling system design, and it is very useful and effective to develop computer simulation programs which can predict the cooling performance from the bench experimental data of cooling components. In this study, the heat balance experimental of an engine was conducted, and the heat released to coolant is measured and corrected using a power adjustment factor for high fuel temperature to simulate heat rejection of the engine. An engine-converter matching simulation program which can compute the engine speed, transmission output speed, transmission input and output power is developed from the vehicle, transmission and engine performance curve. With this information and the engine heat rejection characteristics, the engine and transmission heat rejection rates can be determined at given condition. In analyzing the air mass flow, a sub program computing the air mass flow rate from the equation of the pressure balance between cooling fan static pressure rise and pressure losses of cooling components is developed. This equation can be expressed as a function of the air mass flow rate considering variation of cross sectional area of air flow, and density of air due to heat transfer. From the low capacity experimental data of radiator, extrapolation to the real size capacity using ε-NTU method is attempted. And mathematical models of cooling components were formulated and calibrated by the experimental data, and assembled into the simulation program. The validity of the computer program is proven by comparing the computer output data with the full load experimental data obtained from the dynamometer. Finally a parametric study for increasing cooling capacity is conducted using the developed computer program.