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문제 정의
- 본 연구에서는 3개의 비접촉 변위센서를 이용하여 밸브의 회전운동뿐만 아니라 요동운동도 동시에 측정할 수 있는 방법을 개발하고, 이를 이용하여 밸브 스프링의 장착하중, 코타의 형식, 엔진 오일의 특성 등이 밸브회전에 어떤 영향을 미치는 지를 실험적으로 규명 하였다.
제안 방법
- 1) 3개의 비접촉 변위센서를 이용하여 운전중인 밸브트레인의 밸브 회전각과 횡방향 흔들림을 동시에 측정하는 방법을 개발하였다. 실험결과 캠 축 회전각도에 따른 미세한 밸브 회전도 측정할 수 있음을 확인하였다.
- 밸브의 회전 및 요동운동을 측정하기 위하여 밸브트레인을 모터로 구동하는 동특성 실험 장치를 이용하였다. Fig. 1과 같이 밸브 스템 부위에 나선형 단면을 가공한 다음 3개의 변위 센서를 이용하여 밸브의 횡방향 흔들림뿐만 아니라 회전각을 함께 측정하였다. 밸브 요동운동의 영향을 최소화시키기 위하여 스템의 가공부위는 밸브가 닫혔을 때 밸브 가이드에 최대한 근접시켰다.
- 밸브트레인의 운전조건 즉, 캠 축의 회전 속도, 오일의 온도, 밸브 스프링의 하중, 코타의 형태 등이 밸브회전에 미치는 영향을 관찰해보기 위하여 다양한 실험을 수행하였다. 각각의 조건에 대하여 밸브 변위, 속도, 캠/태핏 하중, 스프링 하중, 밸브 회전각 등이 측정되었다.
- 센서가 한 점의 변위를 측정하는 것이 아니라 어느 정도 영역의 변위를 측정하기 때문에 밸브 스템 나선형 단면의 단 부위가 센서에 영향을 미칠 때는 정확한 측정이 이루어지지 않는다. 의미 있는 데이터의 범위를 알아보기 위하여 밸브가 90도 회전하는 진 구간에 대하여 연속적으로 밸브 회전각을 측정해보았다. Fig.
- 4mm의 나 선형 단을 가공하였다. 이때 밸브 단면 중심으로부터 스템 가공면까지의 거리 r, 즉 가공후 반경은 밸브 회전각에 선형적으로 비례하도록 하였다. 가공 전 밸브 스템의 반경을 ra, 가공 후 최소반경을 #라 하면 가공 후 임의 지점의 반경은 식 (1)과 같이 회전 각 θ의 함수로 표현된다.
대상 데이터
- 밸브의 회전 및 요동운동을 측정하기 위하여 밸브트레인을 모터로 구동하는 동특성 실험 장치를 이용하였다. Fig.
- 본 연구에서 사용된 밸브의 스템 반경은 3.5mm이다. 밸브 스템에 90도 간격으로 깊이 0.
- 2의 나선과 나선이 연결되는 구간 즉, 단 부위가 센서에 영향을 미치는 구간이므로 아무런 의미가 없는 신호이다. 실제 밸브 회 전을 측정할 때 이러한 상황을 고려하여 단 효과가 배제된 측정 데이터, 즉 상승구간의 중심부를 의미있는 데이터로 선택하였다. 밸브가 90도 회전하는 동안 밸브의 개폐 회수를 확인해보면 약 88회 정도로 관찰된다.
성능/효과
- 2) 운전중인 밸브가 지속적으로 회전하는 것은 밸브가 열리는 과정에서 발생하는 비틀림각과 닫히는 과정에서 복원되는 비틀림각의 차이가 원인이다.
- 3) 밸브가 의미있는 회전을 하기 위해서는 순방향 회전이 지속적으로 누적되어야 하는데, 밸브의 비틀림 관성모멘트가 마찰 모멘트를 충분히 능가하는 속도가 되어야 한다. 한계속도 부근에서는 순방향 회전과 역방향 회전이 불규칙하게 혼재함으로서 결과적으로는 느리게 회전하는 속도구간이 존재한다.
- 4) 접촉부위의 정지 마찰모멘트에 영향을 미칠 수 있는 요인들 즉, 오일 온도, 스프링의 장착하중 등은 밸브회전에 영향을 미치기는 하지만 일관성 있는 영향을 미치지는 못한다. 왜냐하면 낮은 마찰이 밸브 자체의 회전을 용이하게 하는 측면이 있는 반면, 스프링의 비틀림 모멘트가 다른 부품으로 전달되는 것을 제한하는 원인도 되기 때문이다.
- 5) 다홈코타를 사용할 경우 단홈코타에 비하여 일관성 있게 밸브회전에 유리한 영향을 미친다. 더 낮은 운전속도에서 본격적인 회전이 일어나며, 회전속도도 일관성 있게 빠른 경향을 보이고 있다.
- 고러므로 대형 디젤 엔진의 경우에는 밸브 스 프링 좌면에 롤러 베어링을 장착시키거나 별도 기구를 이용한 강제적인 회전 방식을 사용하기도 한다.5) 본 연구의 대상이 되는 중소형 승용 디젤 엔진의 경우에는 밸브 회전이 밸브 스프링 설계 및 밸브 트레인 동특성에 매우 민감하게 반응하는 특징을 지니고 있다. 그러나 아직까지 밸브 회 전에 대한 정확한 메커니즘은 밝혀지지 못하고 있는 실정이다.
- 단홈코타를 사용하는 경우 본격적인 밸브 회 전 시기에는 변화가 없었지만, 시트를 제거한 경우 약 3000rpm에서 느린 회전이 관측되었다. 또한 다홈코타의 경우에도 본격적인 회전 시기에는 큰 변화가 없었지만 회전 속도는 상대적으로 더 빨라지는 것이 관측되었다. 스프링의 장착하중이 줄어들면 밸브회전에 대한 마찰저항이 밸브트레인 전체에서 감소하게 됨으로써 밸브회전이 크게 개선될 것으로 예상했지만 기대만큼의 개선효과는 발견되지 않았다.
- 71rpm)이 이루어지는 것을 의미한다. 사이클들 사이의 회 전양상 차이는 상대적으로 적으며, 한 사이클 내부의 회 전특성이 단홈코타의 경우에 비하여 사이클 내부에서 회전각의 변동이 더 심한 것으로 나타났다. 이는 다홈코타의 경우 밸브와 리테이너 사이의 마찰력이 상대적으로 적고 독립적인 운동이 가능하기 때문으로 판단된다.
- 1) 3개의 비접촉 변위센서를 이용하여 운전중인 밸브트레인의 밸브 회전각과 횡방향 흔들림을 동시에 측정하는 방법을 개발하였다. 실험결과 캠 축 회전각도에 따른 미세한 밸브 회전도 측정할 수 있음을 확인하였다.
- 측정 신호의 노이즈, 실험 결과의 재현성 부족 등으로 인하여 약 1-2 rpm 이하의 회전은 현상 자체로는 의미가 있겠지만 비교 대상으로는 큰 의미를 가지지 못한다. 약 5 rpm 이상의 회전속도를 가지는 비교적 빠른 회전에 대한 결과만으로 판단할 때, 단홈코타의 경우에는 오일온도가 높을수록 회전 경향이 증가함을 알 수 있다. 이는 엔진 오일의 온도가 높아짐에 따라 오일 점성이 감소하고 마찰 저항이 줄어 들어 더 잘 회전하는 경향을 보이는 것으로 판단된다.
- 7의 단홈코타의 경우와 비교할 때, 동일한 운전속도임에도 불구하고 비교적 빠른 밸브회전 양상을 보이며 사이클 사이의 변화가 적은 것으로 관찰되었다. 전체적으로 90도 회전하는데 밸브가 약 73회 개폐되었는데, 이는 매 사이클 당 평균 약 1.23도 정도의 비교적 빠른 회전(7.71rpm)이 이루어지는 것을 의미한다. 사이클들 사이의 회 전양상 차이는 상대적으로 적으며, 한 사이클 내부의 회 전특성이 단홈코타의 경우에 비하여 사이클 내부에서 회전각의 변동이 더 심한 것으로 나타났다.
- 이 경우에는 역회전 양상은 보이지 않지만 매 사이클 마다 동일한 회전각을 보이는 것은 아니다. 전체적으로 90도 회전하는데 밸브가 약 87회 개폐된 것으로 관측되며, 이는 사이클 당 평균 약 1.04도 정도의 비교적 빠른 회전(7.2rpm)이 이루어진 것을 의미한다. 그러나 Fig.
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