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[실험] 레이놀즈수실험 평가A좋아요

{기계과 B반 1조 김봉식1. 목 적실제유체가 가지는 점성효과는 흐름의 상태를 두 개의 전혀 다른 흐름상태로 만든다. 실제유체의 흐름은 층류(laminar flow)와 난류(tubulent flow)로 구분된다. 층류에서는 유체 입자가 서로 층을 이루면서 직선적으로 미끄러지게 되며 이를 층과 층 사이에는 분자에 의한 운동량의 변화만이 있을 뿐이다. 반면에 난류는 유체입자가 심한 불규칙운동을 하 면서 상호간에 격렬한 운동량의 교환을 하면서 흐르는 상태를 말한다.이러한 유체흐름 두 가지 형태는 1888년 영국의 Osborne Reynolds의 실험에 의해 증명 되었다. Reynolds 수(Reynolds Number)에 의해 정량적으로 판별할 수 있는 방법을 제시하 였다.본 실험에서는 관수로 내의 흐름을 Reynolds의 원실험에서처럼 색소주입으로 층류와 난류로 구분 식별함과 동시에 층류와 난류의 경계선이 되는 한계흐름(critical flow)에 해 당하는 한계유속과 한계 Reynolds수(critical Reynolds Number)를 결정해 보기로 한다.2. 준 비 사 항{기 기공 구품 명규 격수 량품 명규 격수 량Re 수 실험장치EN-RN-15001저 울양 동 이초 시 계온 도 계200kg1.8kg1/100ch100℃1111재 료품 명규 격수 량품 명규 격수 량아닐린 용액cc100물(water)ton0.53. 관 련 지 식(1) 점 성(Viscosity)점성이란 물분자가 상대적인 운동을 할 때 분자간, 혹은 물분자와 고체경계면 사이에 마찰력을 유발시키는 물의 성질을 말 하며 이는 물분자간의 응집력 및 물 분자의 다른 분자간의 점착력 등의 상호작용에 의하여 나타난다. 운동하는 액체나 기체 내부에 나타나는 마찰력이므로 내부마찰이라고도 한다. 이 마찰력은 유체의 각 부분이 서로 다른 속도로 운동할 경우에 그 속도가 균일하게 되도록 작용하는 힘으로 나타난다.즉 유체 내에 한 평면을 가정하면 이 면에 평행인 양쪽 속도성분이 균일하도록 작용하는 접선변형력[接線應力]으 원통형 관(管) 속의 흐름에서는 관지름을 L, 평균속도를 U라 하면 각 흐름의 대응하는 점에서 단위부피에 작용하 는 힘을 생각하는 경우 관성력은 ρU2/L2(ρ는 유체의 밀도)에 비례하고, 점성력 은μU/L2(μ는 점성률)에 비례하므로 양자의비는{에 비례한다.그러므로 두 흐름이 역학적으로 닮기 위해서는 각 R가 같아야 한다. 만일 R가 다르면물체의 형상이 같더라도 그들의 주변 흐름은 일반적으로는 역학적으로 닮 지 않은 것으로 생각한다. 1883년 레이놀즈가 관 속의 흐름을 연구하여 밝힌 것 으로 무차원의 파라미터 R(또는 Re)를 레이놀즈수라 한다. 실제 점성유체에 관한 이론이나 실험에 의해 얻어지는 중요한 수치(예를 들어 저항계수 등)는 R의 함수 가 된다. 항공기나 선박에 대한 모형실험 결과로부터 실물이 받는 힘을 추정할 때 레이놀즈수를 맞추거나 R가 다른 데서 오는 차를 보정하는 일이 중요하다.(3) 층류 및 난류대류열전달에서 공학적으로 가장 중요한 두 가지는 열전달율과 마찰손실이다. 대류열전달을 이용하는 대부분의 장치에서 열전달율이 얼마나 높으냐가 관심의 대 상이며, 이는 대류열전달계수(hc)의 크기로 좌우된다. 높은 열전달율, 즉 큰 열전달 계수를 얻기 위해서 여러 가지 조작이 가해지며 이런 경우 보통 유동의 마찰손실 을 동반한다.즉, 더 많은 펌프동력을 사용해야 열교환기 등 대류열전달을 이용한 시스템이 작동하게 되는 것이다. 이것은 바로 비용의 상승으로 연결되므로, 공학자들은 유동 의 마찰손실과 열전달계수 향상에 적정한 설계점을 찾아야 하며, 더 좋은 성능의 열전달 시스템 개발을 위해서는 적은 마찰손실로 열전달계수를 크게 향상시킬 수 있는 방법을 모색해야 한다. 이와 같이 대류열전달에서 근본이 되는 마찰손실과 대류열전달계수는 각각 무차원수인 마찰계수, f와 누셀트수, Nu(혹은 스텐톤수, St) 를 살펴보면 다음과 같다.1. 열경계층{관내를 흐르는 유동으로 대표되는 내부 유동에서 강제 대류가 관여하게 되는 실제 경우는 자동차엔진의 냉각유로, 에어컨 투명한 관(管) 속에 물을 흘려 보 내고, 거기에 약간의 색소를 주입하여 관찰하였는데, 관이 가늘거나 유속(流速) 이 느리면 색소의 흐름이 가는 선을 이루면서 똑바로 흐르고, 관이 굵거나 유속 이 빠르면 색소의 흐름이 입구를 지나면서부터 진동하고 굵기도 증가하여 마침 내 관 전체로 퍼지는 사실을 알았다. 전자는 층류이고, 후자는 난류이다.이 결과를 정리하면 관의 반지름을 d, 유속을 V, 물의 동적 점성률(動的粘性率)을 u라 할 때dV/ν가 어떤 값을 넘으면 층류가 난류로 전이(轉移)함을 알 수 있다. 이때의dV/ν는 무차원수(無次元數)로서 레이놀즈수라 하며 R로 나타낸다. 또 전이가 일어나는 레이놀즈수를 임계레이놀즈수라 하고 Rc로 나타낸다. 실험 결과에 따르면 임계레이놀즈수 Rc값은 둥근관 안의 물의 흐름에 대하여 2,300에 이른다고 한다. 난류는 여러 가지 소용돌이가 불규칙하게 존재하는 것으로 생각 되는데, 층류에 비해서 수송계수(輸送係數)가 크고 물체에 끼치는 저항 또한 크 다.난류 유동에서 있어서는 층류 유동과 같이 해석적인 해(analytic solution)을 얻 지 못하고 실험적인 결과를 이용한 경험식을 사용하는 것이 보통이다. 유동적으 로 완전발달(hydrodynamically fully developed)한 경우 마찰계수는 가장 간단한 형 태에 있어서는 아래와 같이 나타내 진다.f = 0.184Re-0.2 ( 4×104 < Re 10,000, Pr > 0.5 )(여기서 Pr은 프란틀수이다)실제로 적용에서는 위의 관계식외에도 좀 더 복잡하고 좀 더 정확한, 그리고 여러 가지 범위에 따라 제약 조건이 있는 식이 사용된다.{[ 냔류의 가시화 ]1 대기의 난류대기 속의 난류는 시간적 ·공간적인 규모에 따라 논의된다. 규모가 작은 대 기의 난류는 풍향 ·풍속계에 의해서도 기록되는데, 이와 같은 난류는 지표면 부근의 경계층(境界層)에서 가장 뚜렷해진다. 또한 지표면의 각종 지형지물(地形地物)의 영향을 잘 받을 뿐만 아니라, 대기성층(大氣成層)의차 감소하게 된다. 이 때 난류경계층의 난동성분과 혼합의 증 진으로 인해 층류경계층에서 보다는 대류열전달과 벽마찰이 완만하게 감소 하게 된다.2 층류 경계층무차원수 관계식은 표면마찰계수의 경우Cfx = 0.664Rex-1/2와 같이 표시되고, 평판 전체에 대해 평균을 취하면 길이 L인 평판에 대하여{와 같이 나타내 진다. 특성길이로 여기서는 평판 시작점에서 유동방향으로 의 거리, x를 사용하였으며, 평균을 나타낼 때는 평판길이, L을 사용하였다. 이는 다음과 같은 열전달 관계식에서도 마찬가지이다.Nux = 0.332Re1/2Pr1/3 ( Pr > 0.5 ){평균 열전달계수에 대해서는 다음과 같다.3 난류 경계층난류 경계층에서는 표면마찰계수는 레이놀즈수에 따라 다음과 같이 나타내 진다.Cfx = 0.0592Rex-1/5 ( 105 < Rex < 107 )Cfx = 0.026Rex-1/7 ( 106 < Rex < 109 ){평균에 있어서는 천이되기 전의 층류영역과 그 이후의 난류영역을 함께 고려해야 하므로 다음과 같은 다소 복잡한 식으로 표시된다.{여기서 Retr은 천이(transition)에서의 레이놀즈수이다.열전달계수에 있어서는 다음과 같다.Nux = 0.332Re1/2Pr1/3 ( 5×105 < Rex < 3×107, 0.7 < Pr < 400 ){평균에 있어서는 마찰계수와 마찬가지로 천이 전, 후의 영역을 고려해야 하며 다음과 같다.(4) 유량의 개념1. 유량의 개요유량(Flow rate)이라 함은 유체의 흐름중 일정 면적의 단면을 통과하는 유 체의 체적,질량 또는 중량을 시간에 대한 비율로 표현한 것을 유량이라 칭하 며 각각 유체의 체적을 시간에 대한 비율로 표시한 유량을 체적 유량 (용적 유량), 유체의 질량을 시간에 대한 비율로 표시한 질량유량, 유체를 일정시간 동안 흐르는 량을 표시한 유량을 적산유량이라 칭한다.1 체적유량 : Q = A.v [㎥/s]2 질량유량 : M = Q.ρ = A.v.ρ [kg/s]3 중량유량 : W = Q.ρ.g = A.v.구되는 것이다.유속 변화의 영향을 받는 유량계에서는 유량계의 전후단에 대해 적당한 길 이의 직관부를 필요로 하게 된다.4. 유량계 설치전통적인 유량측정 방법은 유동 상태의 유체와 유동장내에 설치한 기계장 치가 상호 작용할때 발생하는 유체 역학적 현상을 관찰하는 것으로 이때 기계 장치를 유량계 1차기구라 하며, 1차 기구에서 발생한 유량신호를 감지처리하 여 지시하는 부분을 유량계 2차기구라 한다.대표적인 기계식 유량계중 한 종류인 차압식 유량계는 유체가 파이브에 설 치한 조임부를 통과할때 발생하는 차압을 측정하여 통과유량을 결정하고 터빈 미터는 유동장내 설치한 임펄러가 유체의 운동에너지 때문에 회전할때 그 회 전수를 측정하여 유량을 결정한다.반면, 최근 개발된 유량계중에는 초음파 빔이 유동장 내부의 미세불순물 입 자 혹은 난류와 작용할때 발생하는 주파수 변조신호를 분석하거나 초음파 빔 의 통과시간 혹은 도플러 효과정도를 측정하여 평균유속을 결정하는 것들이 있다. 따라서 어떠한 방법에 의하여 유량을 측정하거나 측정결과는 유량계의 물성이나 유동 안정도, 유동속도 분포등 유동특성 영향을 피할수는 없다. 유동 특성 변화 때문에 혹은 신호 전달과정에서 발생가능한 오차 요인을 제어하여 유량측정 정확도를 향상시키기 위해 오랜기간 동안에 거쳐 상당한 실험 데이 타가 축적된 오리피스, 벤츄리, 노즐과 같은 차압식 유량계의 경우에는 유량계 제작사양은 물론 유량계 설치 방법과 신호 감지 및 전달 방법, 그리고 이상적 인 유동조건을 확보하는데 필요한 각종 조치사항을 표준화한 규격이 마련되어 있다.(1) 설 치 기 준1) 기준배관유량계가 설치되는 기준 배관은 유동특성에 영향을 미쳐 유량측정 오차 유발이 원인이 되므로 ISO 5167에는 다음과 같은 사항들이 필 요조건으로 정해져 있다.1 직진도와 진원도에 관한 파이프 육안검사- 파이프 내부표면 육안검사시 내부 녹이 슬어 있지 않고, 퇴적물이 없을것- 유량검출기 설치시 전단으로 10 D, 후단으로 5 D 이상 직관부 확보- 육안으로 판단이영역

공학/기술| 2003.10.16| 16페이지| 1,000원| 조회(1,564)

실험, 레이놀즈수, 경계층, 층류, 난류

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[유동실험] 유동의가시화 평가B괜찮아요

1. 유동의 정의{열·유체 실험{열·유체 실험일상 생활에서 나타나는 유동 및 열전달 현상을 자세히 살펴보면, 2개 이상의 물질들 이 2개 이상의 상(phase)을 이루고 있는 경우가 보통이다.이와 같이 기체, 액체 및 고체가 혼합되어 함께 흐르는 현상을 다상유동(multiphase flow)이라고 한다. 2상 유동은 각종 보일러, 응축기, 건조기, 열파이프 등 단위 기기로부 터 공기조화 장치, 냉동 장치, 담수화 장치, 석유화학 플랜트, 제철 플랜트, 그리고 원자 력 발전소의 각종 열교환 장치 등에 이르기까지 여러 곳에서 찾아 볼 수 있다.이러한 기체-액체 2상 유동 열전달 연구는 흐름(flow)이라는 측면에서의 2상 유동 연 구와 열전달(heat transfer)이라는 측면에서의 비등과 응축 관련 연구 등 크게 두 가지 로 나눌 수 있다.흐름이라는 측면에서의 2상 유동 연구는 송유관을 통한 유류의 수송이나 슬러리의 수 송 등 관내 유동에 따른 압력 강하의 예측이 주 관심사이며, 이는 통상적인 유체역학적 문제와 같이 어떠한 굵기 및 길이의 2상유체 수송관에 어떠한 용량(크기)의 펌프와 송 풍기를 사용해야 하는가 하는 문제로 요약된다.또한, 기체 내의 액체 분무/입자나 액체 내의 기포의 유동의 경우에는 분무나 기포의 분포 및 확산 등의 예측도 중요한 관심사이다.한편, 열전달 측면에서의 비등 및 응축 연구는 한 상의 생성, 즉, 기포나 액적의 생성, 그리고 이의 성장과정과 관련된 내용이 다루어 지고 있고, 아울러 증발 및 응축시 상 경계면에서의 분자운동과 이에 따른 열역학적인 비평형 현상이 중요한 연구 관심사이 다. 2상 유동은 비등 및 응축 등 상변화에 의해 형성되고, 또한 열전달 기구는 2상유동 기구와 상호 연관되어 있어서, 2상유동 열전달이라는 연구 분야가 뚜렷하게 자리잡고 있다.2. 유 동 해 석(1) 층류와 난류1883년 영국의 Reynolds는 교과서 그림 7.2와 같은 유동가시화의 실험을 수행하 였다. (이러한 실험은 2학기 '유체공학실험' 시간에 학필요한 시간 낭비를 하는 것을 종종 볼 수 있는데, 이는 유한 검사체적법 을 확실히 파악하지 못한 결과라 생각된다.(3) 물체와 자유표면의 교차점 주의에서의 유체유동자유표면을 가지는 유체에서 물체가 운동을 하게되면 물체와 자유표면의 교차점( intersection point, contact point) 주위에서 유체유동이 매우 급격해 진다. 이곳 에 서의 유동특성은 이론이나 수치해석에서 해결해야 할 중요한 난점중의 하나인데 유 동이 매우 급격하여 수치해석으로 이 곳의 유체유동을 높은 정확도로 계산하기에 는어려움이 따르고 이론적 접근에서도 교차점에서 특이현상(singularity)이 존재 할 가능성이 있어서 매우 세밀하게 문제에 접근하지 않으면 유동특성을 제대로 해 석 할수 없기 때문에 어려움이 따른다.문제의 중요성 때문에 여러사람들에 의해서 교차점 주위에서의 유체유동이 연구되 어 많은 진전잉 있었다. 그 결과로 물체의 운동이 충격운동이 아닌 경우, 이론해석 에서 타당한 초기단계의 해석해가 구해졌고 (Roberts 1987) 수치해석에서도 유동을 계산할 수 있는 타당한 수치해석법이 나와있는 상태이다(Lin 1984, Cointe 1988). 그 러나 물체의 운동이 충격운동인 경우에는 아직껏 타당한 해석해가 구해져 있지 못 하고 수치해석도 초기단계의 자유표면 경계조건을 처리하는 방법에 문제를 가지 고 있다. 유체는 비점성, 비압축성 유체로 그리고 초기 순간 이전에는 유동이 없다고 가정 하였다.이론해석으로는 교차점 주위에서의 유동 의 초기 점근거동(initial asymptotic behavior)을 다루었다. 물체의 운동이 충격 운동인 경우 표면장력을 무시한 이전의 연구들에서는 자체 - 일관성을 가지는 해석 해를 구하지 못하였으나 본 논문에서 는표면장력을 무시하지 않고 문제를 풀어서 자체 - 일관성을 가지는 해석해를 구 하였다. 그 결과로 교차점에서의 자유표면의 높이가 유한하고 자유표면의 기울기도 유한 하다는 것을 밝혔으며 교차점 주위에서 의 유동특성에 대하여 조서의 유동해 석이나 일부 지역에 한정되어 사용된다. 이원공극 개념은 균열의 간격, 길이, 방 향, 연결성 등의 균열 특성을 묘사할 수 없다는 단점이 있다.이러한 문제를 극복하기 위해 텐서개념을 도입한 유효투과도 모델과 이 투과도 텐서를 적용할 수 있는 오일-가스 천이유동 유한요소 모델을 개발하였다. 텐서개 념이 적용된 유효투과도 모델에서는 균열과 암체에서의 유동을 각각 삼승법칙과 Darcy 방정식으로 묘사하여 개별균열망 모델의 유동특성을 고려하였다.개발된 유효투과도 모델을 사층리 (cross-bedding) 구조에 적용하여 기존의 문헌 과 비교한 결과 투과도의 크기와 방향에서 양호한 일치를 확인하였다.자연균열을 포함한 이방성 저류층에서의 유체유동 해석을 위해 개발된 천이유동 유한요소 모델은 가스와 액상의 동시 유동해석을 위한 2상 유동방정식에 기초하는 데, 여기서 도출된 지배방정식은 비선형 방정식으로 나타나게 되므로 Newton-Raphson 반복법에 의해 완전음해법으로 압력과 포화도를 산정 하였다. 이 모델에서는 유한차분 모델에서 통상적으로 적용하는 사각형 격자형태를 지양하여 보다 다양한 형태의 격자 내에 위치하는 정호를 처리할 수 있도록 하기 위해 경계 요소 정호모델을 제안하였다. 본 천이유동 유한요소 모델을 기존 문헌에서 제시 된 유한차분모델과 비교한 결과, 오일과 가스생산량 예측에서 상대오차가 1% 이 내였으며 산출된 정호의 압력은 0.5% 이내의 상대오차로 모델의 타당성을 검증할 수 있었다.자연균열 저류층의 균열분포에 따른 이방성 분석과 업스케일링에 의한 모델의 효율성을 조사하기 위해, 기존문헌에서 제시한 미국 콜로라도 Mesaverde 자연균열 저류층에 유효투과도 모델을 적용하였다.이 결과에서 시스템 전체의 대표 유효투과도는 주축, 부축이 각각 0.72 md와 0.12 md로 산정되었으며 방향은 N78W로 노두자료의 균열의 방향과 동일하게 산 출되었다. 또한 이 저류층을 100개와 25개 거시격자로 분할한 시스템에 대해 각 각 유효투과도를 산출한 후가스 전단류에 closed-loop 유동제어 기술을 적용한다.* Georgia Tech Research Institute : 보병에서 사용되는 자가 보정식 탄환. 비 행중 탄환을 조절할 수 있도록 하기 위해 스핀 탄환의 유동을 closed-loop로 제어한다.* Massachusetts institude of Technology : 통합형 흡입구/압축시스템의 능동 형 제어. 흡입시스템의 실속 및 서지 여유를 확보하기 위해서 UCAV용 흡입구/압축시스템에 적응형 유동제어기술을 사용한다.4. 유동의 가시화(1) 유동과 레이놀즈수의 관계실린더 주변의 유동은 점성유체역학에 나타나 있듯이 레이놀즈수에 따라 그 유동 양상이 달라지게 되고, 이는 열전달에도 같은 영향을 미친다. 아래 그림은 가열된 실린더 주변의 등온선을 보여주고 있는데, 가열된 유체의 밀도차이로 인해 상하 대 칭이 약간 일그러짐을 알 수 있다.{진술한 레이놀즈수에 따른 유동양상 변화는 아래 그림에서 구체적으로 설명되어 있다.{{위 그림은 실린더 표면에서의 열전달계수를 원주방향에 따라 나타낸 것으로θ=0°가 실린더의 맨 왼쪽을, θ=180°가 실린더의 맨 오른쪽을 나타낸다. 경계 층의 박리(separation)가 θ∼80°에서 일어나는 층류 경계층의 경우 박리 전에 열 전달계수가 지속적으로 감소하다가 박리 이후 난동성분의 증가로 다소 증가하게 된다.그러나 난류로의 천이가 일어나는 오른쪽 그림의 경우 천이로 인한 급속한 열전 달계 수 증가가 나타난다. 이는 평판 위를 지나는 유동의 경우에서도 나타났던 것 이다. 그 이후 경계층의 박리에 의해 열전달계수는 다시 급속히 감소하게 된다.유체의 움직임은 예로부터 많은 관심의 대상이 되었다. 유체의 지배방정식을 수치적인 방법을 통하여 풀음으로써 유체를 시공간상에서 완전하게 기술하는 과학 이 전산 유체역학이다.{{(2) CFD 응용분야[그림] 공력해석을 위한 메쉬 및 해석의 예*엔진부품 및 엔진룸 열유동 해석*브레이크/바퀴 주위 열유동 해석*냉각팬 및 전기모터류 열유동해 수소기포법이 액체유동에 사용된다. 트레이서 입자는 구형이고, 밀도는 가능한 유체의 밀도와 같은 것 이 좋다.2유적선 : 추적법, 현탁법이 기체, 액체 모두, 표면부유법, 수소기포법이 액체 에 사용된다. 촬영은 긴 노출 시간에서 행한다.3유 선 : 정상류의 경우는 유선 ,유맥선,유적선은 일치하므로 유맥선과 유적 선의 유동가시화법은 모두 이용할 수 있다.4시간선 : 트레이서법의 시간선은 기체와 액체유동에, 불꽃추적법, 스모크와 이어법은 기체유동에, 수소기포법은 액체유동에 사용된다.5유동방향 : 유선의 가시화에 사용되는 모든 방법을 이용할 수 있고 평평한 트레이서 입자(알루미륨 등)는 유동의 방향 변화를 반사광의 명 암모양을 이용하여 검출할 수 있다. 또한, 태프트법은 간단하게 이용할 수 있어 효과적이다.6한계유선 : 벽면 트레이서법을 이용할 수 있다.7천 이 : 층류에서 난류로의 천이의 관찰에는 이제까지의 가시화법을 모두 이용할 수 있다.8밀도분포 : 새도우그래프법, 슐리렌법, 마하첸더 간섭법, 홀로그래픽법 등의 광학적 방법이 사용된다.9온도분포 : 온도가 균일하지 않으면 밀도가 변화하므로 광학적 방법을 이용 할 수 있다. 콜레스테릭 액정을 물체에 도포하거나, 그 마이크로 캡슐을 액체유동에 현탁시킴으로써 색의 변화로 가시화할 수 있 다.2) 이물질 첨가에 의한 방법다음의 방법들은 물체 표면에 용착할 수 있는 물질을 물체의 표면에 바르면 그 물질이 유체의 흐름에 의한 모양을 나타내게 되는데 그 모양을 관찰함으로써 유체의 흐름을 볼 수 있는 방법이다. 주로 경계층내에서의 유체의 흐름을 관찰 할 수가 있다.{1 유막법 : 물체 표면에 도료를 칠하여 그 도료의 막이 변화하는 모양을 통하 여 유체의 흐름을 알 수 있는 방법이다. 일반적으로 비교적 전단력 이 큰 경우에 사용되고 있다.* 실험방법모빌유 ,크롬산연 ,에레인산을 2:2-4:1의 중량비로 잘 섞어 서 혼합액을 만든다.선체 표면에서 혼합액이 잘 미끄 러지게 선체 표면에 미싱유 를 바른다. 붓을 사용하여 혼합액을 미한다.

공학/기술| 2003.10.16| 21페이지| 1,000원| 조회(2,134)

유동, 가시화, 유동해석, 유동의가시화

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[점성실험] 점성실험 평가A좋아요

{기계과 B반 1조 김봉식1. {기계과 B반 1조김 봉 식목 적(1) 점도의 원리에 대하여 이해 할 수 있다.(2) 점성 계수, 뉴우톤 유체, 역학적 점성 계수 및 동점성 계수 등에 대하여 이해 할 수 있다.(3) 적절한 장치를 사용하여 역학적 점성 계수 및 동점성 계수를 측정할 수 있다.(4) 내연기관에서 사용되는 윤활유의 점도를 온도의 변화에 따라 측정하고 그의의를 안다.(5) 점도 시험장치의 올바른 조작법을 이해한다.(6) Ubbelohde점도계의 구조를 이해하고 다른 점도계의 제원과 올바른 조작법을 습득한다.(7) 각 온도에 대한 측정값을 비교하고, 분석하여 상관관계를 이해한다.2. 준 비 사 항● Ubbelohde점도계● 디지털 온도계 (측정기내 부착)● 윤활유● 스톱워치 (계기내 부착)3. 관 련 지 식액체의 점성계수 측정법으로서 Poiseulie의 법칙을 기초로 하는 세관법, Stokes의 법칙 을 기초로 하는 낙구법(falling sphere) 및 Margules의 식을 기초로 하는 회전 내통법 등 이 있고 가장 정밀을 요할 때는 세관법이 사용된다. 그러나 모든 점도계는 조절된 온도 조건하에서 층류운동에 의존한다.중합체의 분자량의 척도로서 용액점도의 유용성은 Staudinger의 초창기의 연구 이래 주목되어 왔다(1930). 용액점도는 기본적으로 고분자의 크기나 공간적인 퍼짐(extention) 에 대한 척도이다. 이것은 선상 고분자에서 그 분자량과 경험적으로 관련지워진다. 측정 의 간략성과 점도-분자량의 상호관계가 매우 크기 때문에 점도측정은 중합체의 분자적 특성화에 극히 유효한 수단이 된다. 용액점도의 측정은 보통 일정한 부피의 고분자용액 이 모세관을 흐르는데 소요되는 유출시간(efflux time) t와 이에 대응하는 용매의 유출시 간 t0를 비교하는 것이다. t, t0 및 용질농도로 부터 몇 가지 양이 도출된다. 이들양에 대하여 두가지 용어가 쓰이고 있다. 하나는 (Cragg 1946) 오래 전부터 널리 쓰이고 있는 관용명이다.또, 다른 부피 는 상당한 범위에 걸 쳐서 차이가 나도 괜찮기 때문에 더욱 편리하다. 이 희석용액 점도법은 150℃ 정도의 온도에서 녹아 안정한 용액을 만드는 모든 고분자물질의 분자량 측정에 적용할 수 있었 으며, 일반적으로는 30.0 ±0.01 ℃ 의 저온에서 행하는 것이 보통이다.이들 점도계는 일정부피의 용액이 모세관에 정해진 두 선을 통과하는 흐름 시간을 재 는 기구이기 때문에 모세관 점도계 (Capillary viscometer) 라고 도 한다 최근에는 컴퓨 터가 내장된 점도계가 사용되고 있는데, 이 기계는 모세관 흐름시간을 관전적으로 측정 하고, 용액의 희석이나 혼합을 자동적으로 처리 하여 점도계의 눈금을 계산해 내기 때 문에 아주 편리하다.폴리머용액의 점도와 폴리머의 분자사이의 관계를 명확히 한것은 H.Staud inger이다. 그는 1930년에 ηsp / c 와 분자량사이에 다음 관계가 성립함을 경험적으로 발견하였 다.ηsp/c = KM ---------------- ( 식 1 )ηsp = ηr - 1 ---------------- ( 식 2 )ηr = t*d / t0*d0 ≒ t/t0 ---------------- ( 식 3 )여기서, ηsp : 비점도 (Specific viscosity)ηr : 상대점도 (Relative viscosity)c : 농도 (g/100ml 또는 g/ml)K : 폴리머 및 용매에 의해서 정해지는 정수M : 분자량{{회전형 점도계는 평판상에 원추의 회전속도로 인하여 발생하는 토크로 유체의 점성 력을 측정하게 된다. 이들의 관계를 정리하면 다음식이 된다.여기서, T, r, ω, Q는 각각 토크(dyne · cm), 원추반지름(cm), 회전속도(rad/sec), 원추각도(degrees)이다.(1) 점도의 이론.액체의 점도를 측정하는 장치를 점도계라 하는데, Hagen-Poiseulle의 법칙에 근 거한 모세관법, 뉴톤의 점성법칙을 이용한 회전원통법,및 Stoke의 법칙에 근거한 낙구법이 있다 .모세관법에서는 측정하려는 액체가 가는 관lohde형은 용액의 유출속도가 점도계내의 용액의 양과 무관하다는 잇점이 있으며, 측정 후 용매를 가하여 차례로 용액을 묽혀가며 여러 농도에서 점도 측정 이 가능하다. 정밀도를 향상시키기 위해서는 다음 사항을 유의한다. 점도는 온도 의존성이 크므로 +0.02c 보다 낮게 온도가 조절되는 항온조내에서 점도를 측정해 야 한다.유출시간을 길게 하는 것이 시간 측정에서의 오차를 줄일 수 있다.(100초 이상이 바람직하다.) c = 0 로의 외삽과정이 정확해지려면 상대점도가 1.1 - 1.5의 범위에 오도록 용질의 농도를 조절하는 것이 좋다. 고유점도와 분자량 간에는 다음의 Mark-Houwink식이 성립된다.[ h] = K Mwa ---------------------- (4)여기서 K와 a는 고분자와 및 용매 및 온도에 따라 달라지는 상수들이다. 직선형 고분자에서 a는 상호작용이 적은(나쁜) 용매에 대해서는 약 0.5이고, 용질-용매 상 호작용이 커서 고분자들이 더 풀어진 상태가가 가능한(좋은) 용매에 대해서도 0.8을 넘지 않는다. K와 a가 온도에 따라 달라지는데 온도를 달리해서 용해 및 용질-용매 상호작용을 증진시킨 경우, 나쁜 용매가 좋은 용매로 바뀌게 되고 이에 따라 K와 a 의 값들도 달라진다.고유점도로부터 계산되는 분자량을 점도 평균분자량이라고 하는 데 이 평균 분자 량은 a = 1인 경우에는 무게 평균 분자량과 같다. 그러나 a가 1보다 작은 경우에는 빛의 산란으로 부터 얻어지는 무게 평균 분자량과 삼투압과 같은 총괄성질로 부터 얻어지는 수 평균 분자량의 중간정도가 된다(2) Ostwald 점도계한 종의 액체가 다른 층의 액체를 지날 때 겪는 저항을 점성도 또는 점도라 한 다. 보통의 경우 유동성이 큰 액체인 물은 유동성이 작은 액체인 타르보다 점도가 작다라고 한다. 액체가 고체의 관을 흘러갈 때 관표면에 접해서 이동하는 액체의 경우 정지해 있다고 볼 수 있다. 이때 난류나 소용돌이 흐름이 발생하지 않는 흐 름을 층류라 하며 일정 방향의 벡타를 가진다 Ball은 Newtonian 용액 및 가스(특수 유리구슬 사 용)의 정확한 점도 측정이 가능하여 연구개발, 공정관리 및 품질관리 분야와 DIN 53015와 ISO 12058기준에 준하는 시험에 사용된다.항상 정확한 측정치를 얻기 위하여 낙구 점도계 외통에 일정한 온도를 유지하기위한 항온 수조를 이용한다.1 특 징● 낙구의 선명한 판독이 가능하여 고정도 측정이 가능하다● 표준 점도단위인 mPas(CP)로 점도 측정 결과를 얻을 수 있고 사용하기가 매 우 쉽다.● 낙구를 정확한 원위치로 되돌리 수 있어 측정시간이 단축되었다● 시료는 측정하는 동안 튜브에 밀봉되어 있어 외적 영향을 받지 않는다● 낙구의 직경에 따라 측정 범위를 달리할 수 있다.● Newtonian 용액 및 가스(특수 유리구슬 사용)의 정확한 점도 측정이 가능2 Visco Ball 점도계 응용분야● 정제 분야 : 기름, 액화탄화수소 등● 식품 분야 : 액상당류, 벌꿀, 맥주, 우유, 젤라틴, 과일쥬스● 화학 분야 : 액상폴리머, 솔벤트, 액상레이진, 유액 조제, 접착액● 화장품/제약 분야 : 원료, 글리세린, 유제액, 현탁액, 액상, 추출액● 석유화학분야 : 생고무, 윤활유, 원유● 연소 분야 : 가솔린, 디젤유, 파라핀● 제지 분야 : 유상액, 안료 분산, 종이 첨가물● 페인트/도료 분야 : 잉크, 바니쉬, 수성도료, 페인트● 세정 분야 : 액상세정약품, 주방세제, 신축액● 가스, 혼합가스 제조 분야(4) 디지털 회전형 점도계 (Digital Rotary Viscometer)회전형 점도계는 측정하고자 하는 물질에 원통 또는 원판식 회전자를 넣고 임 의의 회전 속도로 돌리며 물질의 저항을 측정하고 얻어진 저항 또는 회전력으로 부터 유동 점도를 측정할 수 있다. 즉 저항이 클수록 점도는 높아진다.회전 속도, 회전자 특성, 회전력을 근거로 점도값을 cP(CGS) 또는 mPa.s값으로 구할 수 있다. Fungilab 점도계는 광범위한 점도를 측정하기 위하여 다양한 회전 자 및 회전 속도를 제공하고 있다.cPs 혹은 mPa·s 단위로 점도값 지시·시료의 점도 및 온도변화값을 동시에 표시 가능·Auto zero 및 auto range 기능·모든 Brookfield 악세사리(기록계, 항온조등) 사용 가능·PC software 사용할 때 rheological 특성분석 가능·±0.2%의 재현성 보장(6) Ubbelohde 점도계1 이 실험의 목적은 모세관 점도계를 사용하여 액체의 점도를 결정하고 그것을 이용하여 고분자의 분자량을 측정하는데 있다.2 개 요본 실험에서 사용하는 고유점도에 의한 점도 평균 분자량의 측정 방법은 고부 자의 분자량 측정에 있어서 가장 간단하며 널리 사용되는 방법이다. 분자량을 이론적으로 구하는 광산란법이나 총괄성을 이용한 방법들은 느리고 또 비용이 많이 들기 때문에 많은 양의 시료를 보다 빠르고, 경제적으로 측정하기 위하여 이 방법을 사용한다.고분자의 점도는 일정한 모세관을 통한 어떤 용액 부피의 흐름 속도를 측정함 으로써 구해진다. 즉 고분자가 용매에 녹아서 모세관을 통과 할 때 그 고분자 사슬의 농도를 점점 작게 하여 그 흐름속도를 변화시킴으로서 얻어지는 값을 극 한값으로 외삽하면 특정한 값이 얻어지는데, 그 값이 고유점도가 된다. 묽은 고 분자 용액의 점도는 순수 용매의 점도보다 크다. 점도의 변화는 온도, 고분자의 특성인 고분자의 크기, configuration, conformation, 분자량 및 고분자와 용매 사 이의 상호작용 등에 의존한다.이렇게 구한 고유점도를 통해 어떻게 고분자의 분자량을 구할 수 있는가?그것은 고유점도와 분자량의 관계를 나타내는 관계식이 있기 때문이다. 그 식 은 Mark-Houwink-Sakurada 식으로 불리며 [eta]=KM^alpha 의 관계가 있다. 이 식 을 통해 점도와 분자량이 결정될 수 있으며, 분자량의 결정에는 용매와 고분자 사이의 상호작용을 나타내는 K와 alpha가 변수로 작용함을 알 수 있다. 실험에서 구한 [eta] 값과 각각의 물질, 온도에 고유한 값인 K, alpha를 대입하면 다습니다.

공학/기술| 2003.10.16| 12페이지| 1,000원| 조회(2,092)

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[통신] PLC 평가C아쉬워요

1. 통신의 정의통신이란 한 지점에서 원하는 다른 지점까지 의미 있는 정보를 보다 적절히 빠 르게 상대방이 이해가 될 수 있도록 전송하는 것을 의미한다.통신망에 대한 정의를 간단히 내리기는 어려우나 굳이 정의를 내리자면 " 지역 적으로 분산된 다수의 통신원 중 둘 이상의 통신원간을 결합시켜 상호간의 정보 전달을 가능케 하는 전달매체로서 Node와 Link의 집합" 이라고 할 수 있다.이러한 통신망은 망 이용자에게 다양한 서비스를 제공하는 것을 목적으로 하고 있으며, 통신 서비스의 발전 추세는 곧 통신 기술의 발전 추세와 같다고 볼 수 있다. 대표적인 통신 서비스로는 전화 중심의 음성통신, 문자 및 영상을 다루는 영상통신 그리고 컴퓨터 및 데이타를 다루는 데이터 통신 그리고 언제 어디서나 통신이 가능한 개인화 서비스 등이 있다.이러한 서비스를 제공하는 통신망은 PSTN, PSDN, ISDN, B-ISDN, Intelligent ,Network등이 있다. 결국 통신망 기술은 이러한 망을 어떻게 구성 할 것인가와 서 비스를 어떻게 제공 할 것인가에 관한 기술이다.2. 데이터 통신데이터 통신이란 통신 선로에 연결된 하나 또는 그 이상의 단말기 및 컴퓨터에 의한 정보의 전달을 의미한다.컴퓨터 네트워크는 지리적으로 분산되어 있는 위치에서 상호간에 자원의 공유를 가능하게 하기 위하여 상호 연결된 동질적인 혹은 이질적인 컴퓨터 시스템의 집단을 말한다.데이터 통신과 컴퓨터 네트워크는 분리할래야 할 수 없는 밀접한 관계를 가지고 있으며, 이는 통신의 대상을 컴퓨터에서 처리하는 데이터로 삼고 있으며 또한 통신원도 컴퓨터와 단말 (주로 PC)로 구성 되기 때문이다. 물론 최근에는 아날로그, 디지털 변환 기술의 발달로 음성, 화상 등의 정보도 디지털로 변화되어 데이터 통신망에 수용되는 추세에 있다.데이터 통신을 구성하는 기본 요소는 통신원과 전송 매체 그리고 전송 장비로 구성 된다. 여기서 통신원은 주로 대형 컴퓨터와 단말이 되며 전송매체로는 구리선, 광케이블, 무선 주파수 등이 있ta link layer를 2계층으로 나눈다Media Access Control(MAC) sublayer: MAC layer는 공유된 물리계층 에 대해 미디어 액세스 방법을 결정한다. MAC프로토콜은 LAN 상의 스 테이션이 공유된 LAN 미디엄으로 액세스 하는 방법을 결정한다.Logical Link Control(LLC) sublayer : LLC layer는 아래 3종류의 랜 과 FDDI를 상위 계층과의 인터페이스를 제공한다. 이는 에러 검출/재생, 윗 계층과의 네트웍 관리 소프트웨어와 통신을 가능하게 하는, 상위계층 과의 논리적인 연결 제공의 역할을 제공한다3. 통 신 채 널 (Communication Channel)통신채널(communication channel)이란 컴퓨터와 터미널 사이, 또는 터미널 상호간 및 컴퓨터 상호간을 연결시켜 데이터나 정보를 송수신하는 기능을 갖춘 전송로를 의미한다. 네트워크에서 두 대의 컴퓨터를 직접 연결한 한 쌍의 전용채널은 백만bps(Mbps)가 넘는 속도로 데이터를 전송할 수 있다.데이터는 통신채널을 통해 터미널에서 컴퓨터로, 다시 컴퓨터에서 터미널로 전송되는데, 이 채널은 전화선·구리선·동축케이블·마이크로웨이브· 위성통신·광케이블 등과 같은 통신회선을 사용한다. 이러한 전송매체는 전송측과 수신측을 연결하는 물리적 경로로서 전송 매체의 성질과, 이를 통해 전송되는 신호의 성질에 의해 통신의 질과 특성이 결정된다. 특히 유선매체일 경우에는 전송매체가 전송한계를 결정하는 중요한 요인으로 작용한다. 현재 널리 쓰이고 있는 전송매체로는 구리선(twisted pair)·동축케이블·광케이블 등의 유선통신회선이 있으며, 무선통신에는 위성 및 마이크로웨이브 등이 이용되고 있다.(1) 전 화 선보통의 전화선이 통신회선으로 널리 사용된다. 전화선은 이미 거대한 회선망을 구축하여 세계 어느 곳이나 데이터를 전송할 수 있으므로 데이터통신망의 사용자 에게는 대단히 유용하다.(2) 구 리 선일반적으로 이 케이블은 동일한 외부 피복에 네 쌍의 ) 통신위성통신위성(satellite)은 가장 장거리로 통신할 수 있는 것으로 지상 3만 5천km 정 도에 띄워 지상에서 전송한 신호를 중계한다. 지상중계소에서는 안테나 빔 (antenna beam)을 사용하여 위성으로 신호를 보내고, 위성에서는 이 신호를 다시 증폭하여 전송한다.위성통신을 사용하면 많은 양의 데이터를 빠른 속도로 보낼 수 있어 최근에는 이 통신위성의 사용량이 급격히 증가되고 있다. 통신위성은 광케이블 만큼이나 획기적인 기술로 오늘날 통신위성은 장거리 전화, TV방송 등에 이용되고 있으 며, 사용빈도가 높은 국제간의 통신용으로 최상의 매체로 각광받고 있다.(7) 트위스티드페어 (Twisted Pair)Twisted Pair 와이어는 선들간의 전자적 유도 현상을 줄이기 위해 두 가닥의 전선을 꼬아 놓은 것이다. 음성신호에 적합하며 노드 부착이 쉽고 가격이 저렴하 지만 잡음에 약하고 전송거리에 제한을 받는다. 적은 비용으로 한 지역에서 다른 지역으로 정보를 보내는 가장 효과적인 방법으로, 한 쌍의 꼬여진 전선을 말한다.보통의 전선이 전기적인 간섭을 줄이기 위해 쌍으로 꼬이게 하여 전자적 유도 현상을 줄인 케이블이다. 네트워크 전송매체로서 가장 값싸고 쉽게 설치할 수 있 다는 장점을 지니고 있다. 비교적 저속도(1-10Mbps)를 지원하는 것으로 대역폭 의 제한이 많고 동축, 광섬유에 비해 잡음이 많다. 주로 PC용 네트워크에 많이 이용된다.4. P·L·C (Power Line Comunication)(1) 전력선 통신(PLC:Power Line Communication)의 정의전력선통신(PLC : Power Line Communication)은 기존 전력선을 통신망으로 이 용해 음성·데이터 등을 전송하는 첨단 신기술이다. 전력선 통신기술 개발의 활성 화는 정보가전, 원격검침, 초고속인터넷 통신분야 등에서 기존의 전력선 인프라를 다양하게 활용할 수 있다는 것을 말한다.홈 네트워킹을 위해 배선공사를 새로 해야 한다면 많은 가정에서 이를 외 면할 것이 터넷서비스를 받지 못하는 일반인들도 저렴한 설치비용으로 자유롭게 고속통신 서비스를 이용할 수 있게 된다.(2) 개 요꿈의 통신망이라고 불리는 고속 전력선통신망(PLC:Power Line Communication) 을활용한 인터넷 시범마을이 국내 기술로 처음 구축됐다.산업자원부는 14일 고속전력선 가입자망 개발프로젝트(총괄책임자 권영한 한국전 기연구원장)의 현장 실증시험을 위해 신국환 장관과 국내외 관계자 60여명이 참석 한 가운데 서울 서초동 대호빌딩에서 「전력선통신 인터넷 시범마을」 개관 행사 를 가졌다.이번 행사에서는 고속 전력선통신기술을 이용한 인터넷전화(VolP)·인터넷영상회 의·홈네트워킹·인터넷TV 접속시험·홈오토메이션·원격검침 등이 서초동 10여 가구와 강원도 평창군 대화면의 인터넷시범마을 현장에서 동시에 시연됐다.전력선통신기술을 이용한 초고속 인터넷통신은 그동안 국내외에서 실험실 수준으 로 진행돼 왔으나 옥외 가공배전선 환경에서 공개적으로 구현되기는 이번이 처음이 다.고속 전력선통신기술은 전력공급용으로 광범위하게 설치돼 있는 전력선을 통신망 으로 이용해 음성·데이터 등을 전송하는 첨단 신기술로 어느 전기 콘센트에서든지 새로운 접속선을 설치하지 않고도 초고속인터넷 접속이 가능하고 회선당 투자비도 케이블TV의 절반, ADSL의 3분의 2 수준에 불과하다.(3) 현재의 P·L·C 발달한국통신이 전력선통신(PLC) 사업에 본격 진출한다.한국통신 박경석 신규사업개발부장은 23일 "올해 말부터 PLC 서비스를 제공키로 하고 전력선 통신 전송장비 개발업체인 피엘콤과 전략적으로 제휴했다"고 밝혔다.한국통신이 피엘콤과 공동으로 제공하게 될 전력선 통신은 집안에 설치돼있는 전 선을 이용, 홈 네트워크를 구성할 수 있도록 해주는 통신서비스.따라서 전력선 통신을 이용할 경우 방마다 컴퓨터를 설치하고 하나의 전화번호로 여럿이 동시에 인터넷을 즐길 수 있게 된다.기업에서 쓰는 구내통신망(LAN)과 같은 홈랜(Home Lan)을 전선으로 집안에도 구 축할 수 있다는 뜻이다.야에 응용, 기존 전력선으로 온도조절밸브를 제어하는 「온수분 배시스템」을 개발했다.이 온수분배시스템은 기존 제품이 제어장치를 위해 별도의 전력선을 설치 해야 했던 것과 달리 건물내 전력선을 이용, 간단한 컨트롤 박스를 통해 제 어가능한 제품이다.또 청동주물로 제작된 기존 제품과 달리 엔지니어링플라스틱으로 제작했고 유량조절이 가능한 글로브 밸브시스템을 채택해 온오프 기능에 한정됐던 볼 밸브시스템을 장착한 기존 제품과 차별화를 이뤘다.개발된 온수분배시스템은 별도 제어장치를 위한 배선설치가 필요없어 설치 비용을 기존 제품에 비해 30% 이상 절감할 수 있다.산자부의 전력선통신 기술개발연구는 지난 99년 12월 시작, 오는 2004년까 지 총 200억원을 투입해 10Mbps수준의 전력선통신기술을 개발할 계획이다.중기거점기술개발사업을 수행하는 PLC공동연구팀은 지금까지 1Mbps급 옥 내용 및 옥외용 모뎀, 라우터를 개발해 놓고 있으며 이 성과를 바탕으로 저 압전력선통신의 경우 현재 한국전기연구소 의왕전력시험센터내 옥외실증시험 장 및 방배동 현장(주택 2가구)과 독일·말레이시아·중국·일본·브라질 등 에서 상용서비스에 대비한 현장테스트를 실시중이다.산자부 관계자는 『해외에서 전력선통신을 이용한 원격검침사업을 추진중 인 회사는 이탈리아 최대의 전력회사인 에넬(ENEL)사와 일본의 시코쿠전력, 규슈전력 등이 있으나 저속전력선통신을 이용한 원격검침 시범사업 수준』이 라고 설명했다. 저렴한 가격으로 초고속통신을 할 수 있는 PLC기술은 가전 업계 외에 HA·보안·IBS 업계 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것이다.(3) 기 대 효 과우선 소비자 입장에서는 기존 전화선보다 싼값으로 1Mbps∼10Mbps급 초고속 통신망을 즐길 수 있게된다. 현재 비대칭디지털가입자회선(ADSL), 광통신케이블 망을 이용한 고속 인터넷서비스 설치비용의 60~70%에 불과한데다 회선 사용료를 거의 낼 필요가 없어 소비자 부담이 크게 줄어든다는 얘기다. 여기에 홈 네트워킹 과 홈 오토메이션의 실용화.

공학/기술| 2003.10.16| 13페이지| 1,000원| 조회(699)

인터넷, 무선통신, 통신, PLC

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[내연기관] GDI엔진 평가A좋아요

GDI ENGINE1. GDI 엔진의 개발 배경{오랫동안 적은 양의 가솔린으로 기존의 엔진과 동일한 출력을 낼 수 있는 엔진을 만드는 것은 전세계의 모든 자동차회사들의 과제였는데 이거의 양산화에 최초로 성공한 것이 일본의 미쓰비시였다. 이 엔진의 이름은 GDI(Gasoline direct injection), 우리말로 표현하자면 가솔린 직접분사 엔진이다.이때 지구온난화에 대한 인식 확산으로 Greenhouse gas의 하나인 CO2 저감 노력이 진행중이며, 이의 일환으로 2004년부터 강화되는 서유럽의 CO2 규제 대응을 위하여, 연비 향상이 필수적 조건이 되었다.이에 미쓰비시는 에너지 절약과 지구의 온실 효과에 커다란 영향을 주고있는 이산화탄소의 배출량을 줄이는 방법 등, 계속해서 늘어나고 있는 환경 요구에 발맞추기 위한 노력으로 엔진의 효율을 극대화할 방법을 찾고 있었다. 효율적인 엔진의 설계와 디자인을 위해 미쓰비시는 많은 자금과 시간을 투자했고 이러한 엔진을 개발하려는 미쓰비시의 엔지니어들은 가솔린 직접분사 엔진에게 커다란 잠재력이 있다고 생각하였고 가솔린 직접분사 엔진을 사용하면 더 나은 출력과 연료 절약이 가능해질 것이라고 믿었다. 그렇지만 당시 어느 메이커에서도 양산 차량의 엔진 실린더 내부에 가솔린을 직접 분사하는 엔진을 설계 할 수 없었던 것이 사실이다. 하지만 미쓰비시는 많은 투자와 노력을 들인 결과로 꿈의 엔진인 GDI엔진을 상용화 시켰다.2. GDI 엔진의 특성GDI엔진은 현재 가장 많이 사용되고 있는 MPI(Multi Point Injection)방식의 엔진과 분사 방식에서 많은 차이를 가지고 있다. 연료가 각각의 흡입구 포트에 분사되는 MPI는 실린더에 들어가기 전에 공기와 연료가 혼합되기 때문에 연료 공급 반응과 소비 조절에 한계가 있다. 하지만 미쓰비시가 개발한 GDI엔진은 디젤 엔진처럼 가솔린을 실린더에 직접 분사하도록 함으로써 이러한 한계를 극복했고 상황에 맞는 연료분사 시기를 정밀하게 조정할 수 있게 되었다.{GDI엔진의 특성있다. 표면상으로는 모순적인 얘기지만 이는 두 가지 연소 모드를 사용하므로 인해 가능해졌다. 바꿔 말하면 연료의 분사 시기가 엔진에 걸리는 부하에 따라 변화하는 것이다. 평균적인 도심 주행에 요구되는 부하 상태에서는 디젤 엔진처럼 압축 행정의 후반부에 연료가 분사된다. 그렇게 함으로써 이상적인 형태의 균일한 혼합기로 만들어지는 것이 가능해졌다. 고속 주행 상태에서의 연료 분사는 흡입 행정과 동시에 이루어진다. 이것은 기존의 MPI엔진과 동질의 혼합기를 이용하여 더 높은 출력을 내는 것이 가능케 하는 것이다.대개의 평상적인 주행 상태에서 120km까지 속도를 높이면 GDI엔진은 연료 소비를 줄이기 위해 초희박 연소 작동(린번)을 시작한다. 이 모드에서 연료 분사는 압축 행정의 후반에 이루어지고 점화는 혼합비가 30에서 40사이일 때 일어난다.(EGR : 배기가스 재순환 장치를 사용할 때는 35에서 55) GDI엔진이 더 높은 부하나 고속에서 작동 할 때에는 연료의 분사가 흡입 행정에서 이루어진다. 이것은 엔진 노킹의 가능성을 최소화하기 위해 차가운 혼합기를 만들어서 연소를 최적화 한다.◎ 시스템 구성{실린더 내 분사 가솔린 엔진은, 현재 양산중인 직렬4기 통 1.8 L DOHC엔진(내경×행정: 81.0 × 89.0)을 베이스로 하 고, 압축비는 10.5:1로부터 12.0:1로 높였다.왼쪽 그림은 실린더 내 분사 엔진의 시스템 구성을 나타낸다.1.종래에는 역방면의 탄불을 생성하는 직립 흡기 포토2.연료 분무와 기화 연료의 거동을 제어하고 혼합생각의 층장화를 실현하는 소형피스톤캐비티.3.분무의 미립화 분산을 제어하는 전자식swirl injector.4.저구동 손실의 캠 샤프트 구동 고압 연료 펌프이것들의 채용의 목적은 양호한 연료 기화, 및 기화한 연료가 점화 plug근방에 도달할 때까지의 단기간에 공기와 혼합시키는 것에 있다.그 밖에, 흡입기관부압이 작은 조건하에서도 양호한 EGR제어를 실현하기 위한 스텝모터식EGR밸브, 고정밀도, 공연비제어를 위한 리니어솔레노이톤은 혼합공기의 모양으로 연소를 조절한다.Curved-top piston(Fig.7)은 연소실안의 기류뿐만 아니라 혼합공기 (air-fuel mixture)의 형태를 조절한다. 그리고 빽빽한 공기연료 혼합을 지속하는 중요한 역할을 가지고 있다.ⅲ. High Pressure Fuel Pump는 실린더에 직접분사를 위한 고압상태를 만들어 준다.ⅳ. High Pressure Swirl Injector는 연료분사와 기화를 조절한다.새롭게 개발된 High-pressure swirl injectors는 각각 엔진에 작용형식에 맞게 이상적인 분사방식을 제공한다. 그리고 전체분사 연료에 Highly swirling motion을 적용하기 위하여 High-pressure swirl injectors는 50kg/㎠이하의 낮은 압력에서도 연료를 충분히 미립자화 할 수 있다.{다른 독특한 연료제어기술과 결합된 이 주요기술은 디젤엔진보다 적은 연료소모와 높은 출력을 가능하게 했다.4. GDI 엔진의 세부 특성(1) 실린더 내의 유동{미쯔비시에서는, 1991년 "MVV린번엔진"을 실용화했지만, 해당 엔진으로는,흡기행정중에 생성되는 tumble을 제어하고, 공연비25까지의 안정 연소를 실현했다.실린더 내 분사 엔진으로는 이 tumble제어 기술을 응용하고, 공연비40이상에서의 안정 연소를 생각했다.(1) 열손실을 방지하고 연소를 최적화하기 위하여, 센터에 점화 plug를 배치.(2) injector는 고온이 되는 배기측을 피하고, 흡기측에 배치(3) 흡기측에 마련한 피스톤 캐비티내에 분사된 연료를 점화 plug근방에 반송하기 위해 종래와는 역방면의 tumble을 생성하는 직립 흡기 포토.그림은 실린더 내 분사 엔진으로 채용한 직립 흡기 포토에 의하여 생성하는 역방면의 tumble, 및 피스톤캐비티형상을 나타낸다.(2) 분무 특성ⅰ. injector 요구 특성부분 부하역에서는, 압축행정 후기에 분사된 연료가 소형 피스톤캐비티내에 담겨지는 컴팩트한 분무가 요구되는 것과 동시에, 분사로부터 사 기간이 허용되는 포토 분사용injector의 4배의 다이나믹 레인지가 필요하고, 고전압 injector 구동 회로를 채용했다. 분무각의 개안개화를 촉진하기 위해 swirl injector를 채용했다.ⅱ. 분무 특성{1) 관통력억제:오른쪽 윗 그림에에 분무 주변부 및 분무 중심의 궤적을 나타낸다. 분무는 기본적으로 호로콘 형상이고, 분무주변부 에서 분무 입자는 수평 방향줄선회 방향의 속도 성분과 수직 방향줄관 통방향의 속도 성분이 거의 동일하고, 강한 선회류가 발생되고 있는 것이 관찰된다.이 선회방향의 속도 성분은,관통 방향의 속도 성분이 분무의 진행에 따라 감소하는데 대해서, 거의 일정값을 유지한다.2) 미립화: 분무 중심에서는 공기와 연료의 상호 운동에 따라서, 강한 혼란이 발생되고 있다. 오른쪽 중간 그림에 분사압과 분무 평균 량의 관계를 나타낸다. injector 끝에마련한 swirl에서 강한 선회류를 주는 것에 의해서,실린더 내 분사로 해서는 비교적 저압의 5MPa에서 미립화된 분무를 실현할 수 있었다.3) 분산의 제어: 오른쪽 아랫 그림에 전기 실린더 내 분사와 후기 실린더 내 분사에 있어서의 분무 형상의 상위를 나타낸다. 전기 실린더 내 분사에서는 분무 형상은 분무각이 넓은 형상을 하고 있는데, 후기 실린더 내 분사에서는 실린더 내의 공기 밀도가 높기 때문에 공기 저항에 의하여 분무의 관통력이 컴팩트한 분무 구조가 된다.따라서, 전기 실린더 내 분사에서는 실린더 내 전역에 넓어지고, 후기 실린더 내 분사에서는 소형 피스톤캐비티내에 담겨지는 컴팩트한 분무라고 말하는 모순된 요구를, 분역압력의 차이를 이용하는 것에서 만족했다.(3) 연소 특성ⅰ. 연비 특성GDI엔진의 최대 특징은 역시 연료 저소비를 실현했다는데 있다. 기존의 엔진들은 점화 플러그 주위에 이상적인 밀도를 가진 혼합기를 분무하기가 매우 어려웠다. 그렇지만 GDI엔진은 이것이 가능하게 했다. 게다가 압축 행정 후반부에 분사되는 연료가 이상적으로 균일하게 실린더 내에 퍼져 초희박 혼합기를 기는 불완전한 연소 없이 혼합비를 크게 줄이는 것이 가능해 졌다.{예를 들면 공회전시 연소가 가장 활발하지 않고 불안정할 때 GDI엔진은 혼합비가 40에서 1까지인(EGR 포함시 55에서1) 상태에서도 안정적이고 빠른 연소를 유지시켜 준다.{연료 소비면에서도 GDI엔진은 절감 효과가 일반 엔진과는 눈에 띄게 차이가 난다.공회전시에도 안정적인 연소를 유지 하며 여기에 공회전 속도 세팅으로 다양한 융통성으로 기존의 MPI엔진과 비교하면 40%의 연료 절감 효과가 있다.정속 주행시에는 동일 배기량의 엔진이라면 기존의 엔진보다 35%적게 연료를 소비하며 도심에서의 주행에서도 일본의 도심 주행모드로 테스트했을 때 연료 소비량이 35% 정도가 줄어들었다.{연료를 절약하는 것만큼 중요한 것이 배기가스의 조절이다. 희박한 혼합기를 연소하기 위해 사용하던 기존의 방식들은 질소류의 배기 가스를 조절하기 힘들었다. 그렇지만 GDI 엔진은 새로이 개발된 희박 질소 촉매제의 사용뿐만 아니라 GDI엔진의 고유한 특성인 안정적인 연소에 의해 질소류 배기가스를 기존보다 97%가량 낮출수 있었다.{{연료를 적게 사용하고 배기 가스를 적게 배출하면서도 기존의 엔진보다 고출력을 유지 할수 있었던 이유는 새로운 공기 흡입 시스템이 있기에 가능했다. 고압비와 용적 효율의 결과인 이 시스템은 공기를 부드럽게 유입시키기 위한 수직 흡입구와 압축 행정의 후반부에 실린더에서 발생하는 연료의 기화는 더 나은 용적 효율을 위해 공기를 식히는 역할을 한다.{이렇게 실린더 내부에서 차가워진 공기는 노킹 발생을 줄이는 이득을 낳았고 이것은 희박 연소엔진임에도 12:1의 고압축비를 가능케 했으며 동시에 연소 효율도 향상 시켰다.{GDI엔진은 기존의 MPI엔진과 비교해 모든 속도 영역에서 출력과 토크가 10% 향상되었고 고출력을 요하는 고속 주행에서도 뛰어난 반응을 보여준다.{아래의 도표는 MPI와 GDI의 수동 변속기 장착 차량을 비교한것으로 GDI의 효율이 뛰어남을 보여준다.{ⅱ. EGR에 의하는 NOx 저감{예했다.

공학/기술| 2003.10.16| 10페이지| 1,000원| 조회(1,743)

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