Ⅰ 보고서 개요

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Ⅰ 보고서 개요 1. 연구목적

가. 연구 착수 동기

우리는 살아가면서 많은 이동을 한다. 물건을 구입하러 가거나, 출퇴근 및 등하교를 할 때, 명절 때 고향으로 가거나, 여행을 떠날 때 등 모두 우리가 실생활에서 이루어 지고 있는 이동들이다. 이러한 이동들은 대부분 거리가 멀어 우리는 차량을 주로 이용 하는데, 이러한 차량의 이용으로 먼 거리를 빠르게 갈 수 있으며, 우리가 원할 때 언 제든지 이동할 수 있기에 시공간적 제약을 받지 않으며 이동할 수 있다.

그러나, 이러한 편리함이 있는 차량의 이동은 우리에게 문제점을 준다는 것을 최근 에 느끼게 되었다. 우리는 얼마 전에, 필요한 물품을 구입하기 위해 차량을 타고 고속 도로를 주행하고 있었는데, 우리가 이동할 때는 추운 날씨였기에 창문을 닫고 몇 시간 을 주행하고 있었다. 그러다 어느 순간부터, 속이 매스꺼워지고 현기증이 나기 시작했 는데, 이러한 현상의 원인을 몰랐던 우리는 어쩔 수 없이 휴게소에 잠깐 내려 휴식을 하게 되었다.

우리는 물품을 구하고 집으로 돌아와 방금 속이 매스껍고, 현기증이 났던 원인을 조 사하던 도중에 차량 배기가스의 실내유입에 대한 뉴스 기사를 보게 되었다. 그 내용 은, 공기 중으로 차량의 배기가스가 배출되어야 하는데, 그 일부가 실내로 유입되어 차량 탑승자들에게 악영향을 미친다는 것이다.

따라서, 우리는 이러한 배기가스의 실내유입의 자세한 원인과 탑승자에게 끼치는 악 영향을 조사하고, 어떻게 하면 이러한 차량 배기가스가 실내로 유입되는 양을 최소화 할 수 있는지를 연구해보기 위해 이 주제를 선정하였다.

나. 연구의 필요성 및 목적

차량이 일정속도 이상으로 주행을 하면, 대기 중으로 방출되는 배기가스의 일부가 차량실내로 일정량이 유입되게 된다. 즉, 고속도로를 주행하는 대부분의 차량들의 실 내로 배기가스가 유입되고 있다는 것이다.

이렇게 실내로 조금씩 유입된 배기가스들은 시간이 지날수록 더 많이 유입되어 농도 가 짙어지고, 이러한 배기가스들의 성분 중에 일부는 유독성과 중독성을 띄고 있기 때 문에 차량의 탑승자나 운전자들이 이를 일정시간 이상 흡입하게 되면, 중독 상태등과 같은 현상이 일어나 인체에 악영향을 미치게 된다.

따라서, 차량 배기가스의 실내 유입으로 차량 탑승자의 인체에 악영향을 발생시키는 현상을 방지하기 위해서 본 연구는 필요하다고 생각된다.

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다. 지역 특성 및 학교 여건

1) 과학중점학교 2년차로서 과학・기술의 중요성이 인식됨.

- 본교는 2010년에 과학중점학교로 지정되어 2011년부터 과학중점학교 과정을 진행하고 있음으로 해서 학생들이 과학과 기술의 중요성을 인식하고, 특히 2년차인 2012년에서 과학・수학을 좋아하는 학생들이 많이 모여 원활한 연구의 환경이 조성되었다.

- 과학중점학교의 전문교과인 과제연구를 모든 학생이 수행할 수 있도록 지도한다.

2) 지리적 조건

- 본교는 수인 산업도로에서 100m 정도 떨어진 위치에 자리한 학교로서 수인 산업도로의 차량이 80-100㎞/h 의 속력으로 다니고 있으며 교통량이 많다.

- 반월 공업단지와 시화공업단지의 인접 지역으로서, 산업화로 인해 대기의 환경적 요인 이 좋지 않을 것으로 예상한다.

라. 목적

현재 유통되고 있는 차량들 중 실내 배기가스 유입 방지구조가 있는 것은 주로 고급 차량의 종류뿐이다. 하지만, 이러한 고급 차량들은 배기가스가 실내로 유입되는 것을 일반 차량보다 더 섬세하게 코팅하여 막을 뿐, 근본적인 발생요인을 줄이거나 예방하 지는 않는다.

따라서, 본 연구를 통해 고가의 차량에서만 배기가스의 실내유입이 차단되는 것이 아 니라, 중저가의 차량과 기존의 차량에서도 배기가스의 실내유입을 차단하고, 최소화 할 수 있는 부품을 연구 및 제작하여 배기가스의 실내유입을 효율적으로 차단하는지를 실제차량과 엔진 RC카에 장착하여 실험할 것이다.

따라서, 본 연구의 목적은 모든 자동차에 가격대비 기능이 좋으면서도, 효율적인 배 기가스의 실내유입을 차단 시스템 개발에 있다.

2. 연구범위

가. 연구 분야 및 범위

본 연구는 차량 배기가스의 실내유입을 방지하기위한 시스템 연구 개발에 있다.

나. 진행단계 요약

1) 차량 배기가스의 실내 유입의 사례 및 관련 이론과 원인 조사.

2) 배기가스의 실내유입에 대한 이론을 토대로 실제 배기가스의 유입과정을 관찰 및 촬영.

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3) 배기가스의 실내유입을 예방할 수 있도록 하는 부품을 설계 및 제작.

4) 제작한 부품을 실제 차량과 엔진 RC카에 장착하여 유입되는 배기가스의 농도 및 유입량 을 측정하고, 장착전의 배기가스의 농도 외 실내유입량을 비교 분석.

5) 실험에 대한 최적의 배기가스의 실내유입 차단 시스템 설계 및 결과 도출.

Ⅱ 연구 수행 내용

1. 이론적 배경 및 선행 연구

가. 배기가스의 실내유입 관련 사례

김은경(실명)씨는 최근 현대 그랜저HG를 구입하고 자랑 반 기쁨 반으로 운전을 하고 가족들과 함께 여행을 갔다. 가족들과 즐거운 시간을 보내고 귀가 길에 사고를 당하게 되었다.

김은경 씨의 사고는 문경에서 경산시 자택으로 귀가 중이던 새벽 2시경 발생했다. 결혼 후 어렵게 얻은 소중한 아기가 뒷좌석에 있어 조심운전은 기본이었고, 뒷좌석에서 아기를 보살피고 있던 남편이 말을 걸었는데도 기억할 수 없었으며 20m 이상 의식 없이 달렸다고 한다.

김은경 씨는 사고 후에 현대 고객센터에 불만을 토로하고 현대 자동차 직원으로부터 진상 을 들었다고 한다. 배기가스 유입 방지 판이 얇아서 120km 이상 주행하면 방지 판이 펄럭거려 배기가스가 들어올 수 있다는 대답이었다.

김은경 씨의 남편은 부러진 팔에 철심을 넣어야 하는 큰 수술을 했지만 어디에다 하소연을 해야 법적 보상을 받을 수나 있는 것인지 막막한 심정이라고 한다.

(블로그 포스팅 요약자료)

나. 배기가스의 구성 성분 및 특징

일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC), 입자상물질(particulate matters:PM) 오존(O3), 이산화탄소(CO2), 아황산가스(SOx), 알데하이드(aldehyde), 과산화질산아씰 (PAH), 다환 방향족탄화수소(PAH)등의 물질들이 대표적으로 구성되어있다.

1) 일산화탄소(CO)

: 화석연료의 불완전연소에 의해 발생되는 물질로 무색, 무미, 무취의 가스로 감지가 어려우며 체내 산소운반작용을 저해하여 조직의 저산소증을 일으키며 인지작용과 사고 능력 감퇴, 반사작용 저하, 졸음과 협심증 유발, 무의식 및 사망에 이르게 까지 한다.

2) 질소산화물(NOx)

: 연소 시 공기 중의 산소와 질소가 높은 열에 의해 반응하여 생성됨. 무색, 무취의 기

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체로 공기와 반응하여 NO2로 산화함. NO2는 적갈색의 지극적인 냄새가 나며 호흡 시 체내의 폐 세포에 침투하여 점막분비물에 흡착되어 강한 질산을 형성함으로서 호흡기 질환을 유발하며 폐수종, 기관지염, 폐렴을 일으킬 수도 있다.

(일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)의 통칭용어)

3) 탄화수소(HC)

: 연소실벽 근처에서 전열에 의한 급격한 온도강하와 소염작용에서 발생. 탄화수소가 저농도에서는 호흡기계통은 자극하는 정도이나 산화하여 알데히드가 발생되면 눈, 점 막, 피부 등을 심하게 자극하며 알데히드가 다시 산화하면 과산화물이 형성되어 광화 학스모그의 원인이 되어 눈을 더욱 심하게 자극한다. 탄화수소는 고분자량탄화수소(미 연소), 저분자량탄화수소(열분해)로 대별되며, 저분자량탄화수소는 눈 염증, 기침 및 재 채기. 졸음 및 술에 취한 것과 유사한 증세를 유발하고, 고분자량탄화수소는 발암성 또는 돌연변이를 유발할 수 있다.

4) 입자상물질(PM)

: 경유차량의 검은 매연(흑연)의 주성분. 크기가 미세하여 75% 이상이 직격 1um 이하 로서 0.1~0.25um 가 대부분이다.

탄소입자가 주이나 용해성유기물도 다량 포함되어 있으며 납(Pb)을 함유하고 있으므로 혈액중의 조혈작용을 방지하고 호흡기에 쉽게 흡입되어 점막염증, 다양한 호흡기질환 및 폐암을 유발한다.

5) 오존(O3)

: 자동차 배출가스의 2차 생성물이며 광화학스모그현성의 주범이다.

오존은 호흡계의 점막에 염증을 일으키고, 기침이나 질식을 일으키며, 폐기능을 손상 시킨다.

또한 눈의 염증, 두통 및, 신체적 불쾌감 유발, 감기 및 폐렴에 대한 저항성을 감소, 만성적 심장질환, 천식, 기관지염 및 기종을 악화시킨다.

6) 이산화탄소(CO2)

: 현재로서는 CO2자체를 연소나 후처리기술로 저감할 수 있는 방안은 제시되어 있지 못하며 연료를 적게 사용함으로서 CO2의 발생량을 줄이는 것이 가장 현실적인 대책이 다.(지구온난화의 주요 원인)

7) 아황산가스(이산화황=SO2)

: 연료 중 유황성분의 연소에 의해 발생하며, 주로 경유에 포함된 약간의 유황성분에

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의해 배출된다.

물과 반응하여 쉽게 H2SO4 로 변하여 점액과 함께 위속으로 들어가 위장장애를 일으 킬수 있고, 점막을 자극하거나 기관지염 또는 천식을 일으킨다.(산성비의 주요 원인)

8) 알데하이드(RCHO)

: 자동차 배출물중 알데하이드류의 농도는 20~200ppm 정도이며 특히 공연비가 희박 한 영역에서 급격하게 증가하며 탄화수소의 불완전산화에 기인한다.

독성이 강하여 목과 기관지, 눈과 코, 피부 등을 자극한다.

9) PAH

: 디젤엔진에서의 발생량이 특히 많으며 불완전연소에 의한 검은 연기와 함께 대기중 에 방출된다. 발암물질의 원인으로 알려져 있다.

다. 배기가스의 흡입 시간에 따른 인체의 변화

건국대 환경공학과 김조천 교수는 30ppm의 일산화탄소에서 두 시간 정도 노출하게 되면 중추신경 장애와 시각장애, 나아가서는 정신장애까지 올 수 있다고 밝혔다. 일산 화탄소가 기준치를 넘으면 헤모글로빈 수치가 낮아져 신체에 이상이 올 수 있기 때문 이다. 환경부 역시도 우리나라 대기환경 기준치 중 일산화탄소의 경우 9ppm으로 8시 간, 25ppm 이상으로 1시간 이상 노출되지 않도록 하고 있다.

<혈중 일산화탄소-헤모글로빈의 농도와 인체 영향>

COHb(%) CO농도와 호흡시간 증상

4

9~30ppm에서 10~30분 호흡기 계통 환자에게 영향

5

30ppm에서 4~6시간 중추신경에 영향

120ppm에서 1시간

10

40ppm에서 8시간 과격한 근육 활동 시 숨이 참

20

400~500ppm에서 1시간 보통 활동에도 숨이 차고 간헐적 두통

30

1000ppm에서 1시간 두통, 신경과민, 피로감 주의력 산만

40~50

1000ppm에서 1~2시간 두통, 정신혼란

60~70

1000ppm에서 4~5시간 의식혼탁, 호흡중추마비

80

1500~2000ppm에서 4~5시간 사망

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라. 배기가스의 실내유입 원인

배기가스가 실내로 들어오는 이유는 기밀성이 떨어져서가 아니라 반대로 기밀성이 높기 때문이다. 배기가스 유입의 가장 큰 원인은 실내 기압이 강하다는 것인데, 고속 으로 달리는 자동차의 주변에는 공기 흐름이 빨라지며 저기압이 발생한다. 이때, 차의 모든 틈을 통해 공기가 조금씩 빨려 나가는데 일부 차종에선 시속 100km 정도의 속도 에서는 별다른 느낌이 없지만 시속 200km를 넘어 달릴 때 귀가 멍해지는 것을 느낄 수 있으며, 또한 일부 차종은 주행 중 선루프를 여닫으면 귀가 멍해지기도 한다. 이는 공기가 빨려나가 실내에 저기압이 형성되기 때문에 인체에 나타나는 현상이다. 이러 한 차량후면에 저기압이 형성되는 이유는 슬립스트림 현상 때문이다.

스립스트림 현상이란, 고속으로 달리는 차의 뒤에 바짝 붙어 주행하는 것으로 공기 의 흐름에 의해 진공 상태와 같은 결과가 생겨 공기저항이 줄어드는 것을 말한다.

밀폐된 실내에 형성된 저기압이 진공효과를 일으켜 기압이 상대적으로 높은 후면의 공기를 끌어 들이게 된다. 이때 차가 감속하게 되면 배기가스 유입량은 극단적으로 높 아진다. 이 과정을 반복하게 되면 일산화탄소가 실내로 점점 더 많이 유입되는 것이 다.

마. 관련기술 사전 조사 출원

번호 기술명 및 청구항 대표도면

202 003 002 400 2

센서를 이용한 자동차 실내 자동 환기 시스템 (CAR INDOOR AUTOMATIC VENTILATION

SYSTEM USING SENSOR)

019 970 024 108

자동차 실내의 산소량 제어 시스템 및 그 제어 방법운 전자가 실내의 산소량을 자동으 로 제어하게 위하여 조작하게 되는 오토 스위 치, 외기와 실내가 통하는 덕트의 입구에 설 치되어 일산화탄소 밀 이산화탄소를 감지하는 산화 탄소 센서, 이 덕트의 입구에 설치되는 필터의 후방에 설치되어 필터의 교환 시기를 감지하는 필터 센서, 실내에 설치되어 산소량 을 감지하는 산소 센서

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바. 관련 사전 실험 및 논문 인용자료

교통안전공단 자동차성능연구소는 현대자동차의 그랜저 HG(2.4, 3.0, 3.3) 3차종 5 대를 대상으로 차량 실내 배출가스 유입현상을 시험한 결과 일산화탄소가 12.1~36.7 ppm(1ppm = 0.0001%) 유입되는 것을 확인됐다고 밝혔다.

그랜저 HG 외에 운행 중인 출고 3년 이내의 국산 13차종, 수입 5차종을 무작위로 선정해 실시한 시험에서도 모든 차종에서 일산화탄소가 실내에 유입되는 것으로 확인 됐다.

시험은 차량 실내 공기조절장치 스위치를 외부공기가 유입되지 않는 내부순환상태로 두고 시속 100~140km 속도로 30여 분간 급가속 및 급 감속을 반복하는 주행상황을 재현하는 방식으로 이뤄졌다. 그러나 차량 실내 공기조절장치 스위치를 외부공기가 유 입되는 외부순환상태에서는 일산화탄소가 거의 검출되지 않았다. 교통안전공단은 시속 80km 이하 주행속도 시험에서는 배출가스 실내 유입 현상이 미미했다고 덧붙였다.

한편 현대자동차에서 이달 4일부터 실시중인 트렁크 환기구 개선 등 무상수리 조치 후 실시한 확인시험에서는 일산화탄소가 1.1~6.8 ppm이 유입되는 것으로 확인돼 다 소 개선된 것으로 나타났다. 일산화탄소 유입경로는 배기구에서 고속주행에 의한 공기 소용돌이(와류)가 발생하면서 트렁크 환기구를 통해 유입되는 것으로 밝혀졌다.

교통안전공단은 향후 차량 실내에 유입된 일산화탄소의 유해성 여부에 대해 의료 전 문가 등의 자문을 실시한 후 12월 15일까지 결함여부를 최종 결정한다는 방침이다.

<차종별 실내 일산화탄소 유입량 비교표>

시험자 제작사 시험결과(CO ppm)

차량 실내 트렁크 비고

K5 2.0 GSL 기아 21.0 72.0

K7 3.0 LPG 기아 17.9 61.0

SM5 1.6 GSL 르노삼성 15.9 71.0 썬루프

아베오 1.6 GSL 한국지엠 9.8 9.0 해치백

제네시스 3.3 GSL 현대 7.3 53.0

FORTE 1.6 GSL 기아 5.7 29.0

쏘나타 YF 2.0 GSL 현대 2.4 9.0

Cruze 1.8 GSL 한국지엠 2.2 18.0

SOUL GSL 기아 2.0 11.0

아반떼 1.6 MD GSL 현대 1.8 9.0

스파크 1.0 GSL 한국지엠 1.4 54.0 해치백

엑센트 1.4 GSL 현대 1.1 10.0

SM5 GSL 르노삼성 0.0 20.0

ECLIPSE 미쯔비시 70.7 81.0 썬루프

벤츠 E350 GSL 벤츠 25.4 60.0 썬루프

ACCORD 3.5 GSL 혼다 4.1 23.0 썬루프

럭세스 ES350 GSL 도요타 2.5 18.0 썬루프

A6 3.0T GSL 아우디 1.0 3.0 썬루프

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2. 연구 주제의 선정

처음 우리가 차량배기가스의 실내유입을 연구 주제로 선정하게 된 이유는, 우리학교의 과학교과 활동 중 과학프로젝트 탐구라는 프로그램을 하며 프로젝트 주제를 우리 주변의 여러 사건이나 사고 등을 토대로 조사하는 과정에서 선정하게 되었다.

프로젝트 탐구 주제를 조사하고 있던 우리는 자동차 배기가스의 실내유입이라는 신기한 제목의 기사 타이틀을 보게 되었다. 당연히 새로워 보이는 주제였기에 우리는 지체없이 바로 조사에 들어갔다.

조사된 내용은 한 가족이 가족나들이를 갔다가 귀가하는 도중이었는데, 주말이라 차가 밀려서 오랫동안 도로 안에서만 있었었다. 그런데, 운전을 하던 남편이 머리가 어지럽다고 하더니, 얼마 지나지 않아, 모든 가족들이 현기증가 더불어 구토 증상을 나타냈고, 결국 운전을 하던 남편이 운전도중 의식을 잃어 가드레일을 받는 사고로 이어지게 되었다는 내용 이었다.

이 내용을 근거로 이러한 일을 우리 주위에서도 겪었는지 설문조사를 하였는데, 마침 얼마 전에 과학 동아리끼리 모여서 코엑스를 간적이 있었는데, 몇몇 아이들을 제외하고 대부분의 애들이 2시간정도 차를 타고 있자 어지럽다고 한 적이 있다. 그래서 기사아저씨에게 선생님이 부탁을 해서 휴게소에서 잠시 머물고, 몇몇의 아이들은 약을 먹었던 것이 기억이 났다.

그래서 우리는 배기가스의 실내유입이 얼마나 인체에 해로운지, 어떠한 영향을 미치는지가 궁금하여 조사를 하였다. 조사내용 중에 차량이 주행하면서 서서히 배기가스가 차량 내부로 유입되는데, 초기에는 폐질환 환자에게서만 반응이 나타나다가, 차량 주행시간이 증가할수 록 유입되는 배기가스의 농도와 양이 증가하여 특히 임산부나, 노약자, 어린이에게는 치명적 인 영향을 준다고 한다.

따라서, 우리는 이러한 배기가스의 실내유입의 해로운 점을 어떻게 하면 방지하고 예방할 수 있는지 연구하여 개선해보고자 이번 주제로 선정하게 되었다. 초기에는 배기가스 자체를 저감시키는 기술 쪽으로 연구를 할 계획이었으나, 이러한 기술들은 이미 어느 정도 개발이 되었으며, 초기 설치비용이 높지만 주기적인 관리가 뒤따른다는 점에서 우리는 연구 계획방 향을 차량 주행 시 차량 주변에서 반드시 일어나는 공기역학적 원리를 이용해 영구적이고 설치비용과 유지비용이 저렴하면서도 배기가스의 실내유입을 원천적으로 차단할 수 있는 방법을 고안하고자 하였다.

3. 연구 방법

우리들은 배기가스의 실내유입이라는 주제로 이를 방지하는 방법을 연구하기위해 우선 배기가스의 생성원리나 성분등과 같이 근본적인 원인과 자료들을 실험결과의 정확성을 위해 먼저 조사하였다.

조사한 여러 과학적 이론이나, 현상들을 토대로 차량주행 시 주변 공기의 흐름을 시뮬레이션

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프로그램을 이용해 가상실험을 해보았다.

이 실험을 근거로 실제 3d프린트를 통한 실험기구를 제작하였고 공기의 흐름을 관찰하기 위해 연기발생장치를 통하여 구별할 수 있도록 하였고, 풍동기를 이용한 공기의 흐름을 조절하여 차량의 주행상태와 같도록 하여 실제와 가까운 상태에 가까운 환경을 조성하고 자 했다.

스케일 엔진카에 제작한 실험기구를 장착하여 바퀴를 공회전 할 수 있도록 하는 구조물위에 차량을 올리고, 고속도로위에서의 장기 주행상태를 재현하여 속도를 일정하게 조절한 후, 점점 속도를 올려 배출되는 배기가스의 일산화탄소 농도와, 배출되는 배기가스의 속력을 측정하였다.

또한, 기존 배기가스의 배출 방향을 뒷바퀴의 회전으로 인하여 생기는 와류를 이용해 배출되는 배기가스를 더 멀리 배출되게끔 하여, 장착전과의 일산화탄소 농도와 주변 풍속에 변화가 있는지를 관찰 하였다.

차후에 연구를 더 진행 한다면 자동차 기술연구원에서 주행실험을 하였을 때 일산화탄소 가 얼마나 발생하고, 유입이 되는지를 정밀검사를 의뢰할 것이며, 정밀검사를 통해 측정되는 정확한 데이터 값을 토대로 최적화된 배기가스 배출장치를 고안하여 특허출원을 할 것이다.

4. 연구 활동 및 과정

○ 가설 설정

차량의 주행 시 발생하는 차량후면부의 저기압현상 즉 슬립스트림에 의해 차량 내부로 배기가스가 유입되므로 차량에서 방출되는 배기가스가 차량으로부터 더 멀리 배출이 가능하 게 된다면 후면부의 저기압에 의해 유입되는 배기가스의 량도 줄어들 것이다.

○ 실험 설계

실험 설계에 있어 주안점을 둔 것은 차량의 배기가스의 배출속도를 현재보다 증가시켜 차량으로부터 더 멀리 배출될 수 있도록 하는 방법과 배기가스의 배출이 퍼지지 않고 차량으 로부터 멀어 질수 있는 방법을 찾는 것이었고 이를 위해 기존에 유체의 흐름을 제어하는 산업분야에서 유사한 방법을 찾고자 하였다.

그리하여 발견한 방법은 반도체나 센서 등을 제조하는 시설이나 대형 냉동고등에서 내외부 의 공기를 인위적으로 차단하는데 사용하는 에어커튼이었고, 이 원리를 차량후면부의 배기가 스배출구에 적용하였을 때 효과가 있는가에 관한 확인하는 방법으로 실험을 설계했으며 효과성의 유무는

① 배출 후 배기가스의 퍼지는 넓이의 비교

② 배기가스 배출구로부터 일정 거리에서 배기가스 배출속도 비교 ③ 배기가스 배출구로부터 일정 거리에서 일산화탄소농도 비교 의 세 가지로 가설을 검증 하고자 했다.

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○ 실험 과정

가. 유체 시뮬레이션 프로그램을 이용한 가상 실험

<승용차타입 차량의 후면> <웨건타입 차량의 후면>

<배기가스 배출구 가상실험>

시뮬레이션을 통한 가상실험에서 차량의 모양에 관계없이 차량 후면부의 저기압으로 인한 슬립스트림 현상을 확인할 수 있었고 웨건 타입의 차량이 더 크게 나타남을 확인할 수 있었다.

아울러 배기가스배출 장치의 내부 단면 모습에서 곡선보다는 빗면일 때 차량의 타이어 바람 이 배기가스 주위를 잘 둘러 싸주는 효과를 발휘해 배기가스의 퍼짐을 억제하고 차량으로부 터 멀리까지 배출 시킬 수 있음을 확인 할 수 있었다.

따라서 우리의 배기가스 배출 장치 기자인은 빗면형으로 제작하기로 하였다.

<3d 도면프로그램을 통한 설계>

<설계후 3d프린팅을 통한 시제품 제작>

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나. 풍동기를 통한 자동차 주행 시 발생하는 공기흐름 관찰 실험

먼저 가설검증을 위한 실험 전 실제 차량 주행 시 차량후면부에서 발생하는 저기압현상이 일어나는지 확인해볼 필요가 있어 다음과 같은 실험은 수행하였다.

<풍동기내 차량의 실제 유체흐름>

1:10비율의 모형자동차를 통하여 연기발생장치와 풍동기를 통해 실험하였을 때 발생한 연기가 차량 전면 부를 지나 후면부로 벗어날 때 후면부 주위에서 맴도는 연기를 확인 할 수 있었으며 풍동기의 바람 배출 속도가 빨라질수록 차량 후면부의 맴도는 연기 또한 증가함 을 확인할 수 있었다. 이를 통하여 차량 주행 시 발생하는 차량 후면부 저기압현상으로 인한 배기가스 실내유입이 가능하다는 점을 확인할 수 있었다.

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다. 차량 주행시 뒷바퀴 바람을 이용한 배기가스 배출 후 퍼짐정도 변화 비교실험

<알루미늄 관을 이용해 제작한 스케일 차량 실험용 배기가스 배출기>

<기존 배기가스 배출시> <뒷바퀴 회전바람을 이용할 때>

1:10 스케일의 엔진자동차의 배기가스 배출구로부터 10cm거리에서 최고속도(36km/h) 주행 시 엔진카에서 뿜어져 나오는 배기가스의 배출 후 퍼짐정도 측정 실험에서는 <표1>과 같은 결과를 얻었다.

<표1>

회 적용 전 (cm) 적용 후 (cm) 적용 전후 차이 (cm)

1 4.2 2.3 -1.9

2 4.5 2.7 -1.8

3 4.5 2.8 -1.7

4 4.3 2.5 -1.8

5 4.2 2 -2.2

평균 4.34 2.46 -1.88

이를 통하여 차량 뒷바퀴의 회전 시 발생하는 바람을 배기가스 배출구 까지 이동시키는 장치가 적용된다면 차량에서 배출되는 배기가스의 배출시 차량으로부터 더 멀리 까지 배출 시킬 수 있음을 확인 할 수 있었다.

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라. 차량 주행시 뒷바퀴 바람을 이용한 배기가스 배출 속도 비교실험

1:10 스케일의 엔진자동차의 배기가스 배출구로부터 20cm거리에서 최고속도(36km/h) 주행 시 엔진카에서 뿜어져 나오는 배기가스의 배출 속도 측정 실험에서는 <표2>와 같은 결과를 얻었다.

<표2>

회 적용 전 (m/s) 적용 후 (m/s) 적용 전후 차이 (m/s)

1 0.9 1.4 0.5

2 0.7 1.6 0.9

3 0.6 1.4 0.8

4 1.0 1.7 0.7

5 0.7 1.3 0.6

평균 0.78 1.48 0.7

이를 통하여 차량 뒷바퀴의 회전 시 발생하는 바람을 배기가스 배출구 까지 이동시키는 장치가 적용된다면 차량에서 배출되는 배기가스의 배출시 차량으로부터 더 빠르게 배출 시킬 수 있음을 확인 할 수 있었다.

(14)

마. 차량 주행시 뒷바퀴 바람을 이용한 배기가스 일산화탄소농도 비교실험

1:10 스케일의 엔진자동차의 배기가스 배출구로부터 20cm거리에서 최고속도(36km/h) 주행 시 엔진카에서 뿜어져 나오는 배기가스의 일산화탄소 농도 측정 실험에서는 <표3>과 같은 결과를 얻었다.

<표3>

회 적용 전 (ppm) 적용 후 (ppm) 적용 전후 차이 (ppm)

1 124 338 214

2 152 286 134

3 143 379 236

4 203 412 209

5 167 391 224

평균 157.8 361.2 203.4

이를 통하여 차량 뒷바퀴의 회전 시 발생하는 바람을 배기가스 배출구 까지 이동시키는 장치가 적용된다면 차량에서 배출되는 배기가스의 배출시 배기가스가 차량으로부터 후면부 에 퍼지지 않고 배출 시킬 수 있음을 확인 할 수 있었다.

(15)

바. 오토바이 주행 시 뒷바퀴 바람을 이용한 배기가스 배출 후 퍼짐정도 변화 비교실험

<3d 프린트기를 통해 제작한 실제차량 실험용 배기가스 배출기>

엔진카 실험을 통하여 가능성을 확인한바 다음으로 실제 자동차의 적용실험을 하기위해 3d프린트를 통해 적용 가능한 실험기구를 제작하였고 이를 바로 자동차에 적용하기보다는 소형의 오토바이에 먼저 적용해보는 실험을 시행하였다.

실험방법은 오토바이 배기가스 배출구로부터 40cm 거리에서 최고속도(64km/h) 주행시 배출되는 배기가스의 배출 후 퍼짐정도를 측정하는 실험에서는 <표1>과 같은 결과를 얻었 다.

<표4>

회 적용 전 (cm) 적용 후 (cm) 적용 전후 차이 (cm)

1 24.1 18.1 4

2 24.3 19.5 3.8

3 24.3 18.9 5.4

4 24.1 18.4 5.7

5 24.4 19.1 5.3

평균 24.24 18.80 4.84

이를 통하여 차량 뒷바퀴의 회전 시 발생하는 바람을 배기가스 배출구 까지 이동시키는 장치가 적용된다면 차량에서 배출되는 배기가스의 배출시 차량으로부터 더 멀리 까지 배출 시킬 수 있음을 다시 한 번 확인 할 수 있었다.

(16)

사. 오토바이 주행 시 뒷바퀴 바람을 이용한 배기가스 배출 속도 비교실험

오토바이 배기가스 배출구로부터 40cm 거리에서 오토바이 최고속도(64km/h) 주행 시 배출되는 배기가스의 배출 속도 측정 실험에서는 <표5>와 같은 결과를 얻었다.

<표5>

회 적용 전 (m/s) 적용 후 (m/s) 적용 전후 차이 (m/s)

1 0.7 1.2 0.5

2 0.5 1.4 0.9

3 0.8 1.5 0.7

4 0.7 1.3 0.6

5 0.6 1.4 0.8

평균 0.66 1.36 0.7

이를 통하여 뒷바퀴의 회전 시 발생하는 바람을 배기가스 배출구 까지 이동시키는 장치가 적용된다면 차량에서 배출되는 배기가스의 배출시 차량으로부터 더 빠르게 배출 시킬 수 있음을 다시 한 번 확인 할 수 있었다.

(17)

아. 오토바이 주행시 뒷바퀴 바람을 이용한 배기가스 일산화탄소 농도 비교실험

오토바이 배기가스 배출구로부터 20cm 거리에서 오토바이 최고속도(64km/h) 주행시 배 출되는 배기가스의 배출 농도 측정 실험에서는 <표6>와 같은 결과를 얻었다.

<표6>

회 적용 전 (ppm) 적용 후 (ppm) 적용 전후 차이 (ppm)

1 380 800 420

2 420 915 495

3 362 848 486

4 388 904 516

5 406 896 490

평균 391.2 872.6 481.4

이를 통하여 차량 뒷바퀴의 회전 시 발생하는 바람을 배기가스 배출구 까지 이동시키는 장치가 적용된다면 차량에서 배출되는 배기가스의 배출시 차량으로부터 배기가스가 후면부 에 퍼지지 않고 배출 시킬 수 있음을 다시 한 번 확인 할 수 있었다.

○ 시행착오 극복

모형자동차 실험까지 가설을 검증이 될 수 있는 유의미한 자료를 얻을 수 있었으나 실제 차량 주행상황에서 배기가스배출 증가를 확인하는 과정에서 차량은 오토바이와 다르게 전륜 구동 내지 후륜구동으로 크게 나뉘어 진다는 사실과 차량의 구동되는 바퀴를 헛돌게 하는 연구시설을 이용하는 것이 쉽지 않아 결국 카센터의 리프트를 대여해 실험을 수행해 보았다. 하지만 카센터자체가 실험을 하기에는 외부의 변수(바람, 기온)의 영향을 많이 받았 고 결정적으로 실험에 있어 필수적인 차량 주행상황 재현에 필요한 풍동장치가 준비된 것이 차량에 적용하기에는 크기가 작은 단점이 있었다. 그래서 차량이 아니지만 실제 엔진으로 주행이 가능한 오토바이를 통해 가설을 검증해보고자 했고 유의미한 실험 자료를 얻을 수 있었다.

(18)

Ⅲ 연구 결과 및 시사점 1. 연구 결과

가. 연구 과정 요약

1) 배기가스의 실내유입 관련 자료조사

2) 주행 시 차량 주변의 공기의 흐름을 관찰하고, 배기가스가 실내로 유입되는 과정을 관찰 및 촬영

3) 배기가스의 배출 사거리에 영향을 줄 부품도면 스케치 및 제작

4) 실험에 쓰일 스케일 엔진카를 실제 차량의 장기 주행상태와 같도록 재현한 후, 부품의 장착과 장착전의 배기가스의 농도와 배출 사거리, 배기가스의 배출 속력등을 측정

나. 실험 결과 및 연구 결론

본 실험결과, 차량이 주행 속력과 시간이 증가할수록 차량후면 저기압의 형성으로, 배기가 스의 배출 속력과 배출되는 일산화탄소의 양이 증가함을 관찰할 수 있었다. 이를 최소화 하기 위하여 연구결과 제작한 부품을 이용하여 배기구에 장착하여 같은 조건으로 실험한 결과, 배출되는 배기가스의 사정거리가 증가하였고, 배기가스가 확장되어 배출되어 측정되 는 일산화탄소의 양이 감소하였다.

따라서, 본 연구를 통해 제작한 부품을 장착한 차량을 주행 시, 장착전보다 배출되는 배기가스의 사거리가 늘었고, 측정결과 일산화탄소의 양이 감소하여 배기가스의 실내유입량 이 감소했음을 본 실험을 통해 관찰할 수 있었다.

2. 시사점

가. 연구 활동을 통해 얻은 학습효과

본 연구 활동을 통하여 우리는 주변에서 일어나는 불편함이나 문제점 등을 우리 힘으로도 해결할 수 있다는 것을 느끼게 되었다. 우리가 이 연구를 하기 전에는 불편한데로, 문제가 있으면 있는 데로 고치려 하지 않고 사용하려만 하였다. 하지만, 이번 연구는 우리가 미쳐 느끼지 못하였던 문제점들을 서로 머리를 맞대어 해결하려 노력할 수 있게 해주었고, 그 결과 문제점에 대하여 문제점을 개선할 수 있었다.

또한, 이번 연구는 개인이 아무리 뛰어나도 혼자서는 할 수 없다는, 팀과의 팀워크가 중요하다는 것을 알게 해주었다. 이번 연구를 진행하면서 우리는 각각 자신이 맡을 역할을 분담하여 연구와 실험을 진행하였다. 연구를 하는 도중에 한명이 자신의 역할을 제대로 하지 않으면 그것을 토대로 진행해야할 연구가 이루어질 수 없으며, 결국 전체 팀원에게 악영향을 끼치기 때문이다.

즉, 연구 활동을 통해 우리는 팀을 이뤄 고민을 하면 해결할 수 없는 문제는 없다는 것과, 자신의 역할에 책임을 가지고, 우리가 살아가는 세상에는 많은 문제점들이 많으니 잘 둘러보

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고 이를 개선할 수 있는 가능성을 알게 해주었다.

나. 개선점

본 연구의 결과로 배기가스의 실내유입을 최소화 하기위해 배기가스 배출에 영향을 줄 수 있도록 배기구에 제작한 부품을 장착한다. 하지만, 우리가 제작한 부품은 짧은 시간과, 전문적인 기술로 세공되지 않아 완벽한 효과를 낼 수 없다. 또한, 제작한 부품은 일정 속도 이상으로 주행을 해야지만 제대로 된 효과를 나타내지만, 저속주행에 따른 소량의 배기가스 의 유입은 일정속도로 주행 할 때 보다 실내유입 차단효과가 다소 감소한다.

따라서, 차후 시간적 여유가 생긴다면 보다 정밀하고, 세밀하게 가공하여 작동에 있어 오차를 줄이고, 보다 효과적인 기능을 표출할 수 있도록 해야 할 것이며, 저속주행에 대한 실내유입 차단효과의 감소는 부품의 구조를 좀 더 구체화하여 저속주행에서도 일정속도 주행시 때와 같은 실내유입 차단효과를 얻을 수 있도록 해야 할 것이다.

Ⅳ 홍보 및 사후 활동

우리는 이번 연구와 실험을 통해 얻은 결과를 구체화하여 많은 사람들에게 알릴 계획이다.

우선, 이론이나 부품 제작을 좀 더 구체화하고 국제발명전에 전시하여 많은 세계인들이 관람하여 우리의 생각을 이해할 수 있도록 할 계획이다. 국제 발명전에는 많은 사람들이 여러 목적을 가지고 관람을 하고, 특히 우리의 실생활과 밀접한 주제임을 강조하여 세계인들 이 낯설지 않고, 편안하게 볼 수 있도록 설명글을 쓰고, 이해하기 쉽도록 체험 박스를 만들어 부품의 장착 전후의 배기가스 배출변화를 관찰할 수 있도록 할 것이다.

또한, 국내의 여러 기업이나, 학생들이 많이 찾아오는 킨텍스나 코엑스에 체험부스나 발표 형 부스를 운영하여 여러 기업인이나, 관련 기술에 관심이나 흥미가 있는 학생들에게 우리의 연구결과를 보여주고, 본 연구가 우리의 실생활과 얼마나 밀접하고, 필요한지를 전달할 것이다.

그리고, 차후에 자동차 기술연구원에 우리가 제작한 부품을 장착하고 주행상황을 재현 했을 때, 일산화탄소가 얼마나 발생하고, 유입이 되는지를 정밀검사를 의뢰할 것이며, 정밀검 사를 통해 측정되는 확실한 데이터 값을 토대로 최종적으로 연구결과를 수정하여 최종 연구 결과를 토대로 관련 기술을 사전검색 후, 변리사와의 상담을 통해 특허성과 실용성을 찾아 특허출원을 준비할 계획이다.

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Ⅴ ^참고문헌 1. 참고 사이트

- http://blog.donga.com/sjdhksk/archives/7769 - www.top-rider.com

-http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogld=choeys4&logNo=70034915139&redir ect=Dlog&widgetTypeCall=true

- http://www.asiatoday.co.kr/news/view.asp?seq=560510 -

http://www.kipris.or.kr/kor/main/main.jsp

2. 참고 논문

- 自動車의 風洞實驗 | 정인석, 김현우 | 한국자동차공학회 | 1988년

Ⅰ 보고서 개요