A Study on Tuning Effects of Intake Manifold, Intake Pipe and Air Filter upon Performance and Exhaust Emissions of Driving Car

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운행자동차 성능 및 배기 배출물에 미치는

흡기 다기관, 흡기 파이프 및 공기필터의 튜닝효과에 관한 연구

배 명 환^*1)․구 영 진²⁾․박 희 성²⁾

경상대학교 기계설계학과, 공학연구원¹⁾․경상대학교 대학원 기계설계학과²⁾

A Study on Tuning Effects of Intake Manifold, Intake Pipe and Air Filter upon Performance and Exhaust Emissions of Driving Car

Myung-whan Bae^*1)․Young Jin Ku²⁾․Hui-seong Park²⁾

1)Engineering Research Institute, Department of Mechanical Engineering for Production, Gyeongsang National University, Gyeongnam 52828, Korea

2)School of Mechanical Engineering, Graduate School, Gyeongsang National University, Gyeongnam 52828, Korea (Received 25 February 2016 / Revised 16 June 2016 / Accepted 1 July 2016)

Abstract : The purpose of this study is to identify the possibility of effective tuning works, understand the charac- teristics of tuning engine, and analyse the basic data of engine tuning inspection corresponding to the safe operation and environment of a driving gasoline car. The effects of tuning on the characteristics of performance and exhaust emissions under a wide range of engine speeds are experimentally investigated by the actual driving car with a four-cycle, four-cylinder DOHC, turbo-intercooler, water-cooled gasoline engine operating at four types of non-tuning, tuning 1, 2 and 3. The tuning parts in the gasoline engine are the intake manifold, intake pipe and air filter. In the experiment, the output, torque and air-fuel ratio of the five-speed automatic transmission vehicles were measured at the chassis dynamometer(Dynojet 224xLC) with one person on board. The exhaust emissions of NOX, THC, CO, O2 and CO2, and excess air ratio(λ) at the other chassis dynamometer(DASAN-MD-ASM-97-KR-HD) were also measured by the idle/

constant-speed mode(ASM2525 mode) test method. It is found that the actual air-fuel ratios of non-tuning and tuning engines were shown to be lower than the stoichiometric air-fuel ratio with increasing engine speed, and the actual air-fuel ratio of non-tuning engine was slightly higher than those of tuning engines when the engine speed is more than 4000 rpm. The output was significantly increased by the tuning whereby the maximum output of tuning engine was more increased to approximately 117.64% than that of non-tuning engine. In addition, CO, THC and NOX emissions of non-tuning and tuning engines measured by the constant-speed test mode were all satisfied with the inspection standards.

CO emission was increased, while THC and NOX emissions were reduced by tuning.

Key words : Tuning effect(튜닝효과), Intake manifold(흡기 다기관), Intake pipe(흡기 파이프), Air filter(공기필터), Performance(성능), Exhaust emissions(배기 배출물), Excess air ratio(공기과잉률), Driving gasoline car(운행 가솔린 자동차)

1. 서 론¹⁾

* Corresponding author, E-mail: [email protected]

최근에는 자동차가 단순한 이동을 위한 교통수 단에 멈추지 않고, 각 종 장치, 기구, 도구 등을 설 치해 생활필수 수단으로 활용하여 삶의 질을 높여

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운행자동차 성능 및 배기 배출물에 미치는 흡기 다기관, 흡기 파이프 및 공기필터의 튜닝효과에 관한 연구

주는 우리사회의 경제활동에 꼭 필요한 비중을 차 지하고 있다. 그러나 자동차 운행에 있어서는 배기 배출물 저감 및 성능 향상^1-9)에 대한 요구가 매년 강화되고 있기 때문에, 구매한 자동차 자체에 만족 하지 않고, 성능을 향상시키거나 외관을 개조하여 활용하는 사례가 늘어가고 있는 추세이다. 그런데 이러한 작업은 일반적으로 자동차 튜닝(car tuning) 에 의해 이루어지고 있다.

한국자동차산업협회의 통계자료에 따르면 우리 나라의 2014년도 차량 생산량이 2013년도에 대 비하여 0.1 % 증가한 4,524,932대인데, 이 중에 서 승용차가 4,124,116대로 10년 연속 세계 자동 차 생산국 5위를 기록하여 전 세계 자동차 생산량 의 5 %를 차지하고 있다.¹⁰⁾

그런데 세계의 자동차 튜닝시장 규모는 2012년 도 기준으로 100조원에 달하고, 이 중에서 미국이 35조원, 독일이 23조원, 일본이 14조원의 규모인 데 비해 우리나라는 5,000억원 수준으로 아주 낮 은 수준이다. 자동차 판매시장 규모와 비교한 국내 튜닝시장 비중은 미국의 10.9 % 수준에 비해 상당 히 낮은 1.6 %로 매우 작지만, 최근 정부는 튜닝산 업을 육성하여 2020년까지 4조원대로 확대시킬 계획을 추진 중에 있다.^11,12)

도로안전을 향상시키고, 환경을 보호하며, 최선 의 기술을 신장시키기 위하여 만들어진 국제자동 차검사위원회(CITA : Le Comite International de I’Inspection Technique Automobile<The International Motor Vehicle Inspection Committee>)에서는 13개 튜닝항목을 설정했고, 이 중 10개 항목이 No. 4 운행자동차 구조변경의 튜닝 권고사항으로 설정되었다.¹³⁾

자동차 튜닝산업을 활성화시키고 있는 일본의 튜닝제도 특징은 경미한 변경이나 튜닝대상(등록 증 기재사항 변경) 이외 자동차 개조 3단계의 튜닝 제도를 운영하고 있는 것이다. 개조 자동차는 연간 약 100대 이하 자동차 제작업을 하는 자가 차체, 원동기, 동력전달장치, 조종장치, 제동장치, 완충 장치, 연결장치 및 연료장치를 제작수준으로 개조 하고, 경미한 튜닝은 컨버터블 탑, 범퍼 가드 (bumper guard) 등 우리나라와 동일한 수준인

57개 품목이지만, 창유리 선팅 및 장식물 부착은 제한하고 있다.¹³⁾

독일은 튜닝부품 인증기준에 대한 공통규정이 없어 ETO(European Tuning Organization : 유 럽튜닝협회)에 의존하고 있지만, 튜닝 제한 범위 는 조향장치(핸들직경), 차체와 차대(쇽업소버

<Shock absorber> 고정), 타이어 돌출(타이어 및 휠의 차체 외부 돌출), 등화장치 위반(등화 착 색) 및 기타(페달 액세서리, 공기필터 외부 돌출) 가 있다. 한편, 자동차의 부품은 등록 또는 허가된 검사필증을 부착하고, 검사필증이 부착되지 않은 부품을 고의 또는 과실에 의하여 판매한 자는 5,005유로까지 벌금이 부과되며 부품을 몰수할 수 있도록 되어 있다.¹³⁾

국내에서는 자동차 튜닝이 음지에서 작업되는 위험한 불법행위라고 하는 부적정인 선입견이 튜 닝시장 확대와 기술발전을 저해해 왔다. 현재 국내 에서 자동차 성능향상을 목적으로 튜닝을 하려면 자동차관리법 제34조에 규정된 자동차 튜닝의 승 인을 교통안전공단에서 받아야만 가능하다. 그런 데 승인기준이 까다롭고, 튜닝 승인대상도 제한되 어 있기 때문에, 승인기준을 맞추어 변경작업을 하 는 것이 단순하지 않다.

한편, 튜닝승인을 받을 필요가 없는 구조 및 장 치에 대한 부착 등의 작업에 대해서도 자동차 안전 기준을 준수해야 하기 때문에, 불법 장착에 대한 판단을 관련분야 전문가 이외에는 할 수가 없고, 단속업무를 수행하는 경찰청 및 지자체의 업무담 당자도 어려움을 가지고 있다.¹⁴⁾

국내에서도 자동차 튜닝 활성화를 위해 관련 기 관에서 한국자동차튜닝협회(Korea Automobile Tuning M Organization : KATMO)를 2012년 10월에 설립하여 튜닝문화 발전에 큰 기대를 걸고 있다. 그러나 자동차 튜닝시장의 발전과 확대를 위 해 관련법 개선, 국내․외 자동차 제작사와 기술정 보 교류, 자동차 튜닝부품 인증제 도입 시행방안, 튜닝업계 운영자의 전문적 교육 등 다양하게 추진 해 나가야 할 사항이 많이 있다.

본 연구에서는 자동차 관리법 제34조에 규정된 자동차 튜닝대상을 기준으로 상세하게 나누어진

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Myung-whan Bae․Young Jin Ku․Hui-seong Park

튜닝항목 중, 가솔린엔진의 흡기 다기관, 흡기 파 이프 및 공기필터를 튜닝하여 실제 운행자동차에 적용하였다. 그래서 첫 번째로 자동차 안전운행 및 환경에 문제가 없이 소유자의 선호도 폭을 넓힌 운 전형태에 가장 효과적인 튜닝작업이 가능하다는 것을 증명하고, 두 번째로 성능향상을 조사하기 위 해 튜닝엔진의 성능 및 공연비를 엔진회전수에 따 라 측정하고, 배기 배출물의 저감효과를 조사하기 위해 배기 배출물(NOX ․ THC ․ CO ․ O2 ․ CO2)을 공회전과 정속모드에서 측정하여 튜닝엔진의 특징 을 파악한다. 그 결과, 엔진튜닝의 성능 및 배출가 스 검사용의 기초자료로 활용하기 위한 분석 자료 를 검토하는 것이 본 논문의 목적이다.

2. 실험 장치 및 방법

2.1 실험장치

본 연구에서는 국내 H사 G모델의 수냉, 4기통, DOHC, 4행정, 터보 인터쿨러 가솔린 자동차를 사 용하여 실험을 하였다. Fig. 1에는 실험 및 계측 장 치 시스템의 구성도를, Table 1에는 실험용 자동 차의 주요제원을 나타내고 있다.

실험은 Photo 1의 Dynojet 224xLC 차대 동력 계에 1인(65 kg)이 탑승하여 5단 자동변속기차량 의 출력, 토크 및 공연비를 측정하였고, Photo 2의 차대 동력계(DASAN-MD-ASM-97-KR-HD) 에서 저속 공회전(Idle)모드/정속모드(ASM2525

Fig. 1 Schematic diagram of experimental and measurement system

Table 1 Specifications of test motor vehicle

Item Specification

Body type 2 Door coupe

Engine type

G4KF, 4 Cylinder, 4 Cycle, Water-cooled,

Turbo intercooler

Vehicle weight (kg) 1,540

Piston displacement (cc) 1,998 Maximum power (kW/rpm) 154/6,000

Maximum torque(N·m) 299

Bore (mm) × Stroke (mm) 86 × 86

Compression ratio 9.41

Intake & exhaust type TCI Transmission type Auto(5/1)

Photo 1 Chassis dynamometer for measuring power, torque and air/fuel ratio(Dynojet 224xLC)

Photo 2 Chassis dynamometer for measuring exhaust gas (DASAN-MD-ASM-97-KR-HD)

모드) 검사방법으로 NOX ․ THC ․ CO ․ O2 ․ CO2의 배기 배출물과 공기과잉률(λ)을 측정하였다.

Photo 3에는 NOX ․ THC ․ CO ․ O2 ․ CO2 배출물 및 λ를 측정하는 S사 배기 분석기 Clean Air I/M 8000를 나타내고 있다. 배기 중 NOX 배출물은 전 기 화학식 NDIR 방식, CO, CO2 및 THC 배출물은

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A Study on Tuning Effects of Intake Manifold, Intake Pipe and Air Filter upon Performance and Exhaust Emissions of Driving Car

Photo 3 Exhaust gas analyzer(Clean Air I/M 8000)

비분산 적외선 분석법(Non‑dispersive infrared), O2 배출물은 전기 화학식(Electro‑chemical), λ 는 브레트슈나이더 공식(Bretschneider's formula) 을 적용하였다. 배기 배출물은 k형 열전대를 이용 하여 촉매장치 활성화 온도 300 ℃ 정도에서 측정 하였다.

실험에 들어가기 전의 차량상태를 파악하기 위 해 자기진단기(Self‑diagnostic)를 사용해 ECU 서비스 데이터를 통한 공회전 상태에서 센서 고장 여부 등 정밀진단을 실시하였다.

2.2 실험방법

본 실험에 적용할 튜닝차량을 선정하기 위하여 실험에 들어가기 전에 튜닝을 하지 않은 운행자동 차의 성능을 파악한다. 동일한 엔진형식과 자동변 속기를 장착한 5대의 자동차에 대해 동일조건으로 최대 출력 및 토크 특성을 Dynojet 224xLC 차대 동력계에서 측정하였다. 그 결과, 아래와 같이 자 동차 연식, 주행거리 등에 따라 제작자동차의 최대 출력 154 kW/6,000 rpm 및 최대 토크 299 N·m에 비하여 5대 차량에 대한 최대 출력 및 토 크 값이 모두 다름을 알 수 있었다.

29,500 km를 주행한 2009년산 A차량은 최대 출력 126.63 kW, 최대 토크 263.82 N·m로 제 작자동차 등록증의 최대 출력 및 토크보다 17.77

%, 11.77 % 만큼 낮게 측정되었고, 34,100 km를 주행한 2009년산 B차량은 최대 출력 127.28 kW, 최대 토크 262.65 N·m로 17.35 %, 12.16

% 만큼 낮게 측정되었다.

또한, 39,300 km를 주행한 2009년산 C차량은 최대 출력 128.87 kW, 최대 토크 258.33 N·m 로 16.32 %, 13.60 %만큼 낮게 측정되었고, 42,800 km를 주행한 2008년산 D차량은 최대 출

력 123.44 kW, 최대 토크 256.23 N·m로 19.84

%, 14.27 %만큼 낮게 측정되었으며, 46,500 km 를 주행한 2008년산 E차량은 최대 출력 129.40 kW, 최대 토크 245.58 N·m로 15.97 %, 17.87

% 만큼 낮게 측정되었다.

상기 5대 차량의 평균 최대 출력은 127.12 kW 이고, 평균 최대 토크는 257.32 N·m이며 실제 제원보다 평균적으로 최대 출력은 17.45 %만큼, 최대 토크는 13.94 %만큼 낮게 측정되었다. 실험 에 적용되는 튜닝대상 자동차는 상기 5대 차량 중 에서 주행거리가 가장 짧고, 최대 출력 및 토크의 값이 평균값에 가장 가까운 A차량(최대 출력 126.63 kW, 최대 토크 263.82 N·m, 제작자동 차 등록증의 최대 출력 및 토크보다 17.77 %, 11.77 %만큼 낮게 측정되었다.)을 선정하여 적용 하였다.

본 실험에서는 실제 도로에서 운행되었던 선정 A차량을 사용해 기존엔진에 흡기 다기관, 흡기 파 이프 및 공기필터를 3단계로 분류하여 튜닝하고 장착하였다. 비튜닝엔진의 성능 및 배기 배출물은 엔진상태가 양호한 상태에서 실험하여 측정한 평 균값을 사용하였다. 또한, 튜닝단계별 실험에서 성 능 및 배기 배출물은 5 ∼ 10회 측정하여 평균값 을 적용하였고, 단계별 실험 적용기간은 7 ∼ 10 일 운행 후 실험에 적용하였다.

운행자동차 배기 배출물 검사 시행요령에 관한 규정에 따라 튜닝하지 않은 대상자동차의 배기 배 출물을 측정하였는데 5대 모두 허용기준에 적합하 였다. 차대동력계 부하출력(마력)은 측정 대상자 동차의 차량중량에 의하여 설정되는데, 부하출력 (마력)의 계산식은 식 (1) ~ (3)과 같다.

Inertia weight = Vehicle weight(kg)+136 (1) Load horsepower(PS) = Inertia weight(kg)/136 (2) Load output(kW) = Load horsepower(PS) × 0.7355 (3)

본 실험에서 적용한 차량중량은 1,540 kg으로 상기 계산식에 의하면 부하마력은 12.32 PS이고, 부하출력은 9.06 kW이다.

자동차 검사의 저속 공회전 모드에서는 가속페 달을 밟지 않고 엔진을 가동하여 엔진 공회전상태

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배명환․구영진․박희성

(750±250 rpm)에서 배기 배출물을 측정하였다.

정속모드에서는 휘발유·가스·알코올 사용 자동 차를 차대동력계에서 측정대상 자동차의 도로 부 하마력 25 %에 해당하는 값을 설정하고 시속 40 km의 속도로 주행하면서 배기 배출물을 측정하였 다.^13,15)

저속 공회전모드에서는 10초 동안 배출되는 CO 배출물, THC 배출물 및 공기과잉률(λ)을 측 정하여 각각 산술평균한 최종값에 대해 적합여부 를 판정했다. 또한, 정속모드에서는 10초 동안 배 출되는 CO 배출물, THC 배출물 및 NOX 배출물을 측정하여 각각 산술평균한 최종값에 대해 적합여 부를 판정하였고, 허용기준 이내인 경우에 합격처 리하였다. Fig. 2는 시간에 따른 예열, 저속 공회전 및 정속모드의 속력과 검사모드의 측정값을 나타 내고 있다.

공연비를 측정하기 위해 부착한 산소센서는 배 기 중에 함유된 산소량을 측정하여 토크에 따른 실 제공연비를 엔진회전수에 따라 계산했다.

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 튜닝엔진 성능 특성

본 연구에서는 튜닝엔진의 공연비, 성능 및 배기 배출물 특성을 조사하기 위하여 Table 2와 같이 흡기 다기관, 흡기 파이프 및 공기필터를 3 종류로 설정하여 튜닝하고, 튜닝엔진 1, 2 및 3으로 명칭 을 붙였다. 표에서 비튜닝엔진은 40 mm × 30 mm 의 알루미늄 흡기 다기관을, 튜닝엔진 1, 2 및 3에 는 동일하게 내경 47 mm의 두랄루민 흡기 다기관 을 적용하였다. Photo 4에는 비튜닝엔진의 순정흡 기 다기관을, Photo 5에는 튜닝엔진의 흡기 다

Fig. 2 Test mode of warming-up, idle and ASM2525

Table 2 Specifications of intake manifold, intake pipe and air filter for non-tuning and tuning engines

Non-tuning Tuning

1 2 3

Intake manifold

Size (mm) 40 × 30 Inside Diameter 47 Material Aluminum Duralumin

Intake pipe

Inside Diameter

(mm)

50 60 65 70

Material Rubber Stainless steel Air filter Genuine A type B type C type

Photo 4 Genuine intake manifold of non-tuning engine

Photo 5 Intake manifold of tuning engine 기관을 나타내고 있다.

흡기 파이프는 비튜닝엔진에 대해 내경 50 mm 의 고무를 적용했고, 튜닝엔진 1, 2 및 3에 대해서 는 내경 60, 65 및 70 mm의 스테인리스강을 각각 적용하였다.

Photo 6에는 실험에 적용한 비튜닝엔진의 순정 부품, 튜닝엔진 A, B, 및 C형에 대한 공기필터를 나타내고 있다. 비튜닝엔진의 직사각형 공기필터 는 순정부품을 그대로 적용하였고, 튜닝엔진 1, 2 및 3에는 Photo 6의 A, B 및 C형을 적용했다. A 형은 스펀지형 습식 필터로 온로드 및 비포장도로

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Genuine A type

B type C type

Photo 6 Air filters of genuine, A, B and C types

에 강하며 세척이 가능하다. B형은 습윤식 필터로 세척이 불가능하며, C형은 건식 필터로 응답성이 빠르고 세척이 가능하다. 튜닝에 적용한 공기필터 는 순정품인 종이필터에 비해 흡입효율이 좋고, 정 비해서 사용할 수 있기 때문에 환경오염 예방과 비 용절감 효과가 있다.

Fig. 3에는 엔진회전수에 대한 비튜닝엔진과 튜 닝엔진 1, 2 및 3의 실제공연비를 나타내고 있다.

그림에서 가솔린의 이론공연비 14.6에 비해 전체 적으로 엔진회전수가 클수록 실제공연비가 낮게 나타나 연료량이 많아 당량비는 1보다 크게 나타

Fig. 3 Comparison of air/fuel ratios as a function of engine speed between non-tuning, tuning 1, 2 and 3 engines

나고 있다. 3000 rpm 이상에서는 엔진회전수가 증가할수록 실제공연비가 서서히 감소하지만, 3000 rpm 미만부터는 엔진회전수가 작아질수록 실제공연비가 급격하게 증가되어 당량비가 1보다 작아지고 있다.

엔진제작사는 연비향상을 도모하기 위해 이론 공연비에 가까운 범위에서 연소가 이루어지도록 설계하고 있는데, 그림에서 엔진회전수가 4000 rpm 이상이 되면 비튜닝엔진의 실제공연비가 튜 닝엔진의 값보다 약간 높게 나타나고 있음을 알 수 있다. 한편, 튜닝엔진 1, 2 및 3에 대한 실제공연비 는 4000 rpm 이하에서는 튜닝엔진 1이 약간 높게 나타났지만, 4000 rpm 이상에서는 거의 차이를 구별할 수 없을 정도로 나타나고 있다. 이것은 흡 기 파이프 내경 차 및 공기필터 특징에 대한 특성 이 복합적으로 얽혀 거의 비슷하게 나타나고 있다 고 사료된다.

튜닝엔진의 원형필터 단면적은 비튜닝엔진의 직사각형 공기필터 단면적보다 크기 때문에 공기 량을 더 많이 흡입할 수 있다. 또한, 동일한 원형필 터일지라도 형상에 따라 단면적이 달라지기 때문 에, 흡입 공기량이 달라지는데, 본 연구에서는 A, B, C형의 순으로 많아짐을 확인하였다. 한편, 흡기 파이프 내경이 커지면 흡입 공기량은 많아지지만, 흡입 공기량의 속도는 작아진다. 그러나 고속에서 는 엔진회전수가 빠르기 때문에, 들어오는 흡입 공 기량의 속도가 빨라진다. 본 연구에서는 엔진회전 수에 따른 실제공연비가 상기의 복합적인 파라미 터가 형성되어 변화되고 있음을 알 수 있다.

Fig. 4에는 엔진회전수에 따른 비튜닝엔진과 튜 닝엔진 1, 2 및 3의 평균 토크 측정값을 나타내고 있다. 토크특성에 의해 비튜닝엔진은 엔진회전수 4000 rpm 부근에서, 튜닝엔진은 4500 rpm 부근 에서 최대값을 나타내었고, 각각 최대값 전후에서 엔진회전수 감소 및 증가에 따라 토크가 낮아지고 있음을 알 수 있다.

재미있는 현상은 최대값이 나타나는 엔진회전 수 전후에서 비튜닝 및 튜닝 엔진의 토크값 변화가 아주 다르게 나타나고 있는 것이다. 비튜닝엔진의 경우에는 엔진회전수가 4000 rpm보다 작아지면

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Fig. 4 Comparison of average torques as a function of engine speed between non-tuning, tuning 1, 2 and 3 engines 토크값 감소변화가 아주 미세하지만, 4000 rpm을 초과하면 토크값 감소폭이 커지고 있다.

튜닝엔진의 경우에는 엔진회전수가 4500 rpm 보다 작아지면 토크값의 감소변화가 거의 직선적 이고, 토크값의 크기는 튜닝엔진 1, 2, 3의 순서로 나타나고 있다. 그러나 4500 rpm을 초과하면 토 크값이 다소 완만하게 감소되고 있는데, 토크값의 크기는 튜닝엔진 3, 2, 1의 순서로 앞의 경우와는 반대로 나타나고 있음을 알 수 있다.

흡기 파이프 길이와 구경에 따라 흡입공기량이 달라져 토크 및 출력도 달라지는데, 흡기 파이프 길이를 길게 하고 구경을 작게 하면, 저․중속 영역 에서 공기흐름이 빨라지게 된다. 따라서 흡기 파이 프의 구경은 흡입공기량 속도, 엔진 배기량 등에 따라 다르게 설정해야 한다. 일반적으로 엔진튜닝 은 최대 토크 및 출력을 향상시키는데 목적이 있 다. 본 연구에서는 비튜닝시보다 큰 구경의 흡기 파이프를 적용했기 때문에, 저․중속 영역에서 토크 및 출력이 낮아졌다.

출력은 토크와 엔진회전수에 비례하기 때문에 토크와 엔진회전수가 크면 출력도 커진다. 그러나 토크는 엔진회전수와 비례하지는 않는다. Table 3 에는 비튜닝엔진과 튜닝엔진 1, 2 및 3의 최대 토 크 측정값을 나타내고 있다. 튜닝엔진은 비튜닝엔 진보다도 최대 토크가 평균 100.68 % 정도로 약간 증가되었다. 또한, 비튜닝엔진의 최대 토크값은 제 작자동차 등록증에 나오는 값의 88.23 %임에 비하

Table 3 Maximum torques of non-tuning and tuning engines (Maximum torque of specification engine : 299 N·m)

Measured value (N·m)

Improved rate(%)

Measured value/

Specification (%) Non-tuning 263.82 100.00 88.23

Tuning 1 267.54 101.41 89.48

Tuning 2 265.17 100.51 88.69

Tuning 3 264.14 100.12 88.34

Average of

tuning 1, 2 and 3 265.62 100.68 88.84

여 튜닝을 한 경우에는 평균적으로 88.84 %로 0.61 %가 증가되었음을 알 수 있다.

Fig. 5에는 엔진회전수에 따른 비튜닝엔진과 튜 닝엔진 1, 2 및 3의 평균 출력 측정값을 나타내고 있다. 엔진회전수 약 4000 rpm보다 작으면 비튜 닝엔진의 출력값이 튜닝엔진의 출력값보다 더 컸 고, 4000 rpm을 초과하면 튜닝엔진의 출력값이 더 큼을 알 수 있다.

비튜닝엔진은 엔진회전수 약 5000 rpm까지 엔 진회전수의 증가에 따라 출력값도 증가하지만, 5000 rpm을 초과하면 출력값은 오히려 떨어지고 있음을 알 수 있다. 튜닝엔진의 경우에는 엔진회전 수가 5700 rpm보다 작아지면 출력값의 감소변화 가 급격하게 나타났고, 5700 rpm을 초과하면 엔 진회전수 증가에 따라 출력값이 완만하게 증가 혹 은 소폭 감소되고 있다. 한편, 출력값 크기는 엔진

Fig. 5 Comparison of average powers as a function of engine speed between non-tuning, tuning 1, 2 and 3 engines

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A Study on Tuning Effects of Intake Manifold, Intake Pipe and Air Filter upon Performance and Exhaust Emissions of Driving Car

회전수 4200 rpm까지는 튜닝엔진 1, 2, 3의 순서 로 나타났고, 4200 rpm을 초과하면 3, 2, 1의 순 서로 나타나고 있음을 알 수 있다.

비튜닝엔진과 튜닝엔진 1, 2 및 3의 최대 출력 측정값을 Table 4에 보여주고 있다. 튜닝을 하는 경우에는 튜닝하지 않았을 경우보다 최대 출력이 평균 117.64 %로 증가되어 제작자동차 등록증에 나오는 출력과 3.26 % 정도 밖에 차이가 나지 않 아 튜닝에 의해 엔진출력이 상당히 증가될 수 있음 을 보여주고 있다.

엔진 내에서 연소하는데 필요한 공기량 공급과 공기흐름 속도를 고효율화시키기 위해 본 연구에 서 튜닝을 한 흡기계통의 흡기 파이프, 흡기 다기 관 및 공기필터는 공기필터의 종류와 흡기 파이프 구경에 따른 흡입 공기량의 변화에 의해 토크 및 출력 특성이 변화됨을 알 수 있었다.

Fig. 6에는 엔진회전수에 따른 비튜닝엔진과 튜 닝엔진 1, 2 및 3의 흡기 다기관 절대압력을 나타 내고 있는데, 튜닝엔진의 경우에는 엔진회전수 약 4000 rpm 이상에서, 비튜닝엔진의 경우에는 엔진 회전수 약 2600 rpm 이상에서 과급기가 작동되어 절대압력이 대기압 이상으로 상승되고 있음을 알 수 있다.

그림에서 엔진회전수 750 rpm으로부터 4000 rpm까지 비튜닝엔진의 맵센서값이 321 hPa에서 1535 hPa로 증가되었는데, 최대 토크는 4000 rpm에서 가장 큰 값을 나타내었고, 최대 출력은 엔 진회전수의 중가에 따라 커지고 있음을 알 수 있었 다. 엔진회전수 4000 rpm을 초과하면서 맵센서값 이 급격하게 1,958 hPa까지 상승되었지만, 4360 Table 4 Maximum powers of non-tuning and tuning engines

(Maximum power of specification engine : 154 kW) Measured

value (kW)

Improved rate (%)

Measured value/

Specification (%) Non-tuning 126.63 100.00 82.23

Tuning 1 149.73 118.24 97.23

Tuning 2 143.74 113.51 93.34

Tuning 3 153.44 121.72 99.64

Average of

tuning 1, 2 and 3 148.97 117.64 96.74

Fig. 6 Comparison of manifold absolute pressures as a function of engine speed between non-tuning, tuning 1, 2 and 3 engines

rpm 이후부터는 서서히 떨어지고 있다. 최대 토크 값은 엔진회전수의 증가에 따라 완만하게 감소되었 지만, 최대 출력은 5000 rpm까지 상승하다가 그 이후부터는 완만하게 감소되고 있다.

튜닝엔진의 경우에는 엔진회전수 4000 rpm까 지 절대압력, 최대 토크 및 출력이 튜닝 3, 2, 1 순 으로 증가하였다. 엔진회전수 4000 rpm을 초과하 면서 맵센서값은 2430 hPa 정도까지, 최대 토크 는 260 N․m 정도까지, 최대 출력은 150 kW 정도 까지 급격하게 증가하였고, 4600 rpm 이후부터는 튜닝1, 2, 3 순으로 최대 토크는 완만하게 감소하 였고, 절대압력 및 최대 출력은 완만하게 증가되었 다.

절대압력이 높으면 맵센서 전압이 상승하는데, 이것은 흡입 공기량이 증가되고, 이에 따라 연료분 사량도 증가되어 출력이 향상됨을 알 수 있었다.

이것은 스로틀 개도량, 흡기온도 등에 따라 다소 차이가 나타나겠지만, 맵센서값으로 간접적인 출 력특성을 파악할 수 있다.

흡기 다기관의 절대압력이 맵(MAP: Manifold Absolute Pressure)센서에 의해 측정되어 ECU (Engine Control Unit) 입력신호에 보내면 ECU 는 속도-밀도(Speed-Density)방식에 의해 유 입되는 흡입 공기량을 간접적으로 검출하여 연료 분사량과 점화시기를 결정한다. 한편, 튜닝엔진은 중․저속영역에서 비튜닝보다도 토크 및 출력 특성

(9)

배명환․구영진․박희성

이 낮게 나타났는데, ECU맵핑에 의해 중․저속영역 에서 토크 및 출력을 향상시킬 수 있다.

3.2 튜닝엔진 배기 배출물 특성

Table 5에는 비튜닝엔진의 차량을 저속 공회전 및 정속모드 검사방법으로 시험하여 배기 배출물 및 공기과잉률의 평균 측정값을 나타내고 있다.

Table 5에 따르면 NOX 13.2 ppm, THC 4.2/4 ppm, CO 0.04/0.01 % 및 λ 1.01로 측정되어 운 행자동차 배기 배출물 검사기준에 적합함을 알 수 있다. 한편, 배기 배출물 중에는 0.20 %의 O2 농도 와 14.80 %의 CO2 농도가 측정되었다.

Table 6에는 비튜닝엔진과 동일하게 저속 공회 Table 5 Average exhaust emissions of non-tuning vehicles at

load output

Emissions test modes Idle/ASM2525 Load output : 9.06 kW CO2 : 14.80 % O2 : 0.20 %

Test

mode Items Measured

values

Limited values Verdict

Idle

CO(%) 0.04 0.46 Suitable

THC(ppm) 4.2 90 Suitable

Excess air ratio λ 1.01 1±0.10 Suitable

ASM 2525

THC(ppm) 4 120 Suitable

NOX(ppm) 13.2 610 Suitable

Table 6 Average exhaust emissions of tuning 1 vehicle at load output

Emission test modes Idle/ASM2525 Load output : 9.06 kW CO2 : 13.87 % O2 : 0.10 %

Test

mode Items Measured

values

Idle

ASM 2525

NOX(ppm) 9 610 Suitable

전 및 정속모드 검사방법에 의해 튜닝엔진 1의 배 기 배출물 및 공기과잉률의 평균값인 NOX 9 ppm, THC 8.2/0.8 ppm, CO 0.01/0.05 % 및 λ 1.05 이 측정되었는데, 튜닝엔진 1도 운행자동차 배기 배출물 검사기준에 적합하였다. 한편, 배기 배출물 중의 0.10 %의 O2 농도와 13.87 %의 CO2 농도가 측정되었는데, 비튜닝엔진 측정값보다 작게 나타 났다.

저속 공회전 및 정속모드 검사방법으로 튜닝엔 진 2에 대해서도 배기 배출물 및 공기과잉률을 측 정하였고, 평균 측정값을 Table 7에 나타내고 있 다. 표에서 NOX 17 ppm, THC 11.8/1.6 ppm, CO 0.15/0.90 % 및 λ 1.06을 보여주고 있는데, 이 값들도 모두 운행자동차 배기 배출물 검사기준 에 적합함을 알 수 있다. 배기 배출물 중에는 O2 농 도가 0.30 %로, CO2 농도가 13.58 %로 측정되었 는데, O2 농도는 비튜닝엔진의 경우보다도 높고, CO2 농도는 낮음을 알 수 있다.

마지막으로 Table 8에는 튜닝엔진 3을 저속 공 회전 및 정속모드 검사방법으로 배기 배출물 및 공 기과잉률을 측정하여 평균 측정값을 나타내고 있 다. 표에서 NOX 2 ppm, THC 5.8/2.4 ppm, CO 0.07/0.02 % 및 λ 1.09로 이 모든 값들도 운행자 동차 배기 배출물 검사기준에 적합하였다. 배기 배 출물 중의 O2 농도는 0.25 %로서 비튜닝엔진의 경우보다도 높고, CO2 농도는 13.96 %로서 비튜 닝엔진의 경우보다도 낮게 나타났다.

Test

mode Items Measured

values

Idle

ASM 2525

(10)

Test

mode Items Measured

values

Idle

ASM 2525

4. 결 론

가솔린 자동차 엔진의 흡기 다기관, 흡기 파이프 및 공기필터를 튜닝하여 실제 운행자동차에 적용 하였을 경우, 안전운행 및 환경문제에 미치는 영향 을 파악하기 위해 튜닝엔진의 성능 및 배기 배출물 특성을 실험에 의해 측정하여 고찰한 주요결과는 다음과 같다.

1) 비튜닝엔진의 실제공연비는 엔진회전수 4000 rpm을 초과하는 경우에 튜닝엔진의 값보다 약간 높게 나타났고, 튜닝엔진 1은 엔진회전수 4000 rpm보다 작은 경우에 가장 높았지만, 4000 rpm을 초과하면 튜닝엔진 1, 2 및 3에 대한 실제 공연비의 차이는 거의 나타나지 않았다.

2) 비튜닝엔진의 토크는 엔진회전수 4000 rpm 에서, 튜닝엔진의 경우는 엔진회전수 4500 rpm에 서 최대값을 나타내었고, 튜닝을 하는 경우에는 튜 닝하지 않았을 경우보다도 최대 토크가 평균 100.68 %로 약간 증가되었다.

3) 엔진회전수 4000 rpm 정도보다 작으면 비 튜닝엔진의 출력이 튜닝엔진의 출력보다 더 컸고, 4000 rpm을 초과하면 튜닝엔진의 출력이 더 컸는 데, 튜닝엔진의 경우에는 비튜닝엔진보다 최대 출 력이 평균 117.64 %로 증가되어 튜닝에 의해 출 력이 상당히 증가되었다.

4) 절대압력의 상승은 성능향상과 밀접한 관계

를 나타내었는데, 튜닝엔진은 엔진회전수 약 4000 rpm 이상에서, 비튜닝엔진은 엔진회전수 약 2600 rpm 이상에서 과급기가 작동되어 절대압력 이 대기압 이상으로 상승되었다.

5) 공회전 검사에서 비튜닝 및 튜닝 엔진의 CO 및 THC 배출물과 공기과잉률은 모두 검사기준에 만족하였는데, 튜닝에 의해 이러한 값들은 비튜닝 엔진의 값보다 증가되었다.

6) 정속모드 검사에서 비튜닝 및 튜닝 엔진의 CO, THC 및 NOX 배출물은 모두 검사기준에 만족 하였는데, 튜닝에 의해 CO 배출물은 증가되었고, 튜닝엔진 2의 NOX 배출물을 제외하면 THC 및 NOX 배출물은 감소되었다.

후 기

본 연구는 2008년부터 원동기 튜닝업체와 공동 으로 수행된 튜닝작업(부품튜닝, ECU맵핑)에 의 해 이루진 연구로 2단계 BK21사업 경상대학교 첨 단기계항공고급인력양성사업단의 지원을 받아 수 행되었기에 도움을 준 관계자 여러분께 감사드린 다.

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