[논문]엔진 물통로 내부 벽면 스케일 축적이 LPG 엔진의 열적 내구성에 미치는 영향에 대한 연구

류택용; 신승용; 최재권

[국내논문] 엔진 물통로 내부 벽면 스케일 축적이 LPG 엔진의 열적 내구성에 미치는 영향에 대한 연구
A Study on Effect of Scale Formation in Water Jacket on Thermal Durability in LPG Engine 원문보기

In this paper, the effects of scale formation in engine water jacket upon the thermal durability of engine itself and its component parts were studied. To understand the effect of quality of water, a full load engine endurance test for 50 hours was carried out with not-treated underground water. The followings were found through the tested engine inspection after the endurance test; 1-2 mm thick scale formation in the engine water jacket, valve seat wear, piston top land scuffing, piston pin stick, and cylinder bore scuffing in siamese area. In order to understand the causes of above test results, the heat rejection rate to coolant, the metal surface temperature of combustion chamber, and the oil and exhaust gas temperatures were measured and analyzed. The scale formed in the engine water jacket played a role as thermal insulator. The scale formed in the engine reduced the heat rejection rate to coolant and it caused to increase the metal surface temperature. The reduced heat rejection rate to coolant increased the heat rejection rate to oil and exhaust gas and increased the oil and exhaust gas temperature. Also, the reasons of valve seat wear, piston top land scuffing and cylinder bore scuffing, and piston pin stick quantitatively analyzed in this paper.

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문제 정의

본 논문은 엔진 물통로 내부 벽면에 스케 일 축적이 엔진 본체 및 구성부품의 열적 내 구성에 미치는 영향을 내구 실험을 통하여 파악하였고, 스케일로 인한 엔진의 열적 내 구성 저하 요인을 스케일 축적 전후의 냉각 수로의 전열량 측정 실험과 금속면 및 오일 그리고 배기 가스 온도 측정 실험을 통하여 정량적으로 규명하였다.
따라서 내 구 실험 전과 후의 조건은 엔진 물통로 내부 에 스케일이 축적되지 않은 상태와 축적된 상태를 의미한다. 또한 엔진 물통로 내부 스 케일 축적이 엔진 및 그 구성 부품의 열적 내구성에 미친 영향을 파악하기 위하여 엔진 을 분해하여 그 영향을 평가하였다.

제안 방법

1 은 냉각수로의 전열량 측정 장치의 개략도를 나타내고있다. 전열량 측정은 0.8 i LPG 엔진에 실차 라디에이터 시스템을 연 결하여 엔진 동력계에서 측정하였다. 라디에 이터 시스템에는 샤워(shower)가 설치되어 있 어, 샤워의 물량 조절을 통하여 엔진 냉각수 온도를 제어할 수 있도록 하였으며, 엔진 금 속면 온도 즉정은 1.
8 i LPG 엔진에 실차 라디에이터 시스템을 연 결하여 엔진 동력계에서 측정하였다. 라디에 이터 시스템에는 샤워(shower)가 설치되어 있 어, 샤워의 물량 조절을 통하여 엔진 냉각수 온도를 제어할 수 있도록 하였으며, 엔진 금 속면 온도 즉정은 1.6 mm sheath 형 K-type 열전대를, 냉각수 및 오일온도 측정은 sheath 형 T-type 열전대를 이용하였다. 또한 냉각수 유량 측정은 터빈 유량계를 이용하였다
6 mm sheath 형 K-type 열전대를, 냉각수 및 오일온도 측정은 sheath 형 T-type 열전대를 이용하였다. 또한 냉각수 유량 측정은 터빈 유량계를 이용하였다
실험은 Table 2 에 나타나 있는 바와 같이, 내구 실험 전과 50 시간 전부하 내구 실험 후 각각에 대해, 전부하, 냉각수 출구온도 90°C 조건에서 엔진 속도에 따라 냉각수로의 전열량을 측정하였고 동시에 금속면 및 오일 그리고 배기가스 온도를 측정하였다. 이때 내구 실험 중 엔진 물통로 내부 벽면에 스케 일이 축적되도록 엔진 냉각수는 수 처리를 하지 않은 지하수를 사용하였다.
엔진 물통로 내부의 스케일 축적은 알루미 늄 실린더 헤드의 열적 내구성 한계 온도 (240°C)와 엔진 Moving 계 신뢰성 확보 오일 한계 온도(150°C)를 초과할 만큼 금속면 및 오일 온도를 상승시켰다. 이에 따라 본 실험 에 사용된 0.

대상 데이터

실험 엔진은 기아자동차의 3 기통 0.8l 급 LPG 엔진으로 제원은 Table 1 에 나타나 있 다.

성능/효과

실험 결과, 점화 플러그와 배기 밸브 시트 사이 금속면 온도는 스케일 축적 전에 비흐!] 스케일 축적 후 엔진 속도에 따라 21〜51 °C 증가하는 결과를 나타내었다. 또한 오일 및 배기 가스 온도도 스케일 축적 후, 엔진 속 도에 따라서 8.6-20°C 와 5~11°C 증가하는 결과를 나타내었다. 특히 5600rpm, 전부하 조건에서는 점화 플러그와 배기 밸브 시트 사이 금속면 온도(연소실 2mm 전)가 스케일 축적 전 212°C에서 스케일 축적 후 263 °C (Gas Face 면의 온도로 환산하면 (6°C/mm) 275°C)로 51 °C나 상승하여 알루미늄 실린더 헤드의 열적 내구성 한계 온도(240°C)를 크 게 초과하였고 오일팬의 오일 온도도 스케일 축적 전 135°C에서 스케일 축적 후 155°C로 약 20 °C 상승하여 엔진 무빙계 (Moving System) 신뢰성 확보 오일 한계 온도(150°C) 를 초과하는 결과를 나타내었다
6-20°C 와 5~11°C 증가하는 결과를 나타내었다. 특히 5600rpm, 전부하 조건에서는 점화 플러그와 배기 밸브 시트 사이 금속면 온도(연소실 2mm 전)가 스케일 축적 전 212°C에서 스케일 축적 후 263 °C (Gas Face 면의 온도로 환산하면 (6°C/mm) 275°C)로 51 °C나 상승하여 알루미늄 실린더 헤드의 열적 내구성 한계 온도(240°C)를 크 게 초과하였고 오일팬의 오일 온도도 스케일 축적 전 135°C에서 스케일 축적 후 155°C로 약 20 °C 상승하여 엔진 무빙계 (Moving System) 신뢰성 확보 오일 한계 온도(150°C) 를 초과하는 결과를 나타내었다
실험 결과, 엔진 물통로 내부 벽면에 스케 일이 축적 된 후, 출력 대비 냉각수로의 전 열량비(Qc/P)는 엔진 회전수 변화에 따라 4.9 〜6.1% 포인트 감소하는 결과를 나타내었다. 또한 감소된 냉각수로의 전열량 비율은 약 10% 내외로 나타났다.
Fig. 3 과 4 의 실험 결과를 종합해 보면, 엔 진 물통로 내부 벽면의 스케일 축적은 냉각 수로의 전열량을 감소시켜 금속면 온도를 상 승시키고, 감소된 냉각수로의 전열량 만큼 오일 및 배기 가스로의 전열량이 증대되어 오일 및 배기가스 온도 상승을 유발함을 알 수 있다.
엔진 물통로 내부의 스케일 축적은 알루미 늄 실린더 헤드의 열적 내구성 한계 온도 (240°C)와 엔진 Moving 계 신뢰성 확보 오일 한계 온도(150°C)를 초과할 만큼 금속면 및 오일 온도를 상승시켰다. 이에 따라 본 실험 에 사용된 0.8 i LPG 엔진을 50 시간 전부 하 내구 실험 진행 후 완전 분해하여 스케일 축적이 엔진 및 구성 부품의 열적 내구성에 미친 영향 평가를 수행하였는더〕, 분해결과 실험 엔진은 밸브 시트 마모와 피스톤 스커 핑 및 피스톤 핀 소착, 그리고 실린더 블록 사이아미즈(Siamese) 부위 스커핑 등의 문제 가 유발 되어 있음을 알았다. 아래에 발생 메커니즘을 설명하였다.
50 시간 전부하 내구 실험 후 엔진 분해 결과, 실험 엔진은 밸브 시트에 마모가 발생 하였다. Fig.
1) 엔진 물통로 내부 벽면의 스케일 축적은 냉각수로의 전열량을 10% 정도 감소시키고 감소된 냉각수로의 전열량 만큼 오일 및 배기 가스로의 전열량을 증대 시킨다
2) 엔진 물통로 내부 벽면의 스케일 축적은, 실린더 헤드의 점화 플러그와 밸기 밸브 사이 온도를 최대 51°C, 오일 온도와 배기 가스 온도를 각각 최대 20°c, ire 상승 시켰다.
3) 엔진 물통로 내부 벽면에 축적된 스케일은 엔진 금속면 및 오일 온도 상승을 유발시 키는데, 이는 스케일의 낮은 열전도율로 인해 냉각수로 전달되는 열을 차단하기 때 문이다.
4) 엔진 물통로 내부의 스케일 축적은 엔진의 열부하를 증대시켜, 밸브 시트 마모와 피 스톤 스커핑 및 피스톤 핀 소착, 그리고 실린더 블록 사이아미즈(Siamese) 부위 스 커핑 등의 문제를 유발 한다.
5) 본 실험을 통하여, 엔진 물통로내 스케일 축적에 의한 엔진의 열적 내구성 저하로 나타나는 엔진 본체 및 구성 부품의 손상 을 밝혀 낼 수 있었고, 그 원인을 정량적 으로 규명 할 수 있었다.

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