[논문]엔진 윤활용 제로터 오일펌프 유동해석

조석현; 박재인; 남경우

doi:10.3795/ksme-b.2006.30.10.1019

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Numerical simulations were conducted on the gerotor type oil pump. Three oil pump models having different port and groove shape were considered. Firstly, two original models (baseline & variant.1 model) were simulated in order to validate the accuracy of the simulation results and to better understa...

Numerical simulations were conducted on the gerotor type oil pump. Three oil pump models having different port and groove shape were considered. Firstly, two original models (baseline & variant.1 model) were simulated in order to validate the accuracy of the simulation results and to better understand the flow characteristics in the pump. It was found that the cavitation phenomenon as well as the teeth tip leakage is most important parameter on the pump performance. Based on the simulation results of the original models, final model (variant.2 model) which has improved port shape and pressure relief valve is suggested to enhance pump performance and to reduce driving torque. The volumetric efficiency and the hydraulic torque of the Variant.2 model is improved 4% and reduced 6.1% each at 2000RPM in experiment.

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문제 정의

본 연구에서는 IC엔진 윤활용 오일펌프를 대상으로 최근에 개발된 수치해석방법을 적용하여 캐 비테이션을 포함하는 3차원 비정상상태 유동해석을 수행하고 그 결과를 시험결과와 비교 검증함으 로써 그 유용성을 확인하였다. 또한 펌프 체적효 율을 향상시키기 위한 개선모델을 제안하고 그 효과를 시험과 비교 확인하였다.

가설 설정

본 계산에서는 Table 1과 같이 정해 주었다. 이때 오 일 내 잔류가스 농도는 사전에 파악하기 어려운 물성치로 계산에는 오일부피의 10%•정도 녹아있다고 가정하여 적용하였다.(5)

제안 방법

본 연구에서는 IC엔진 윤활용 오일펌프를 대상으로 최근에 개발된 수치해석방법을 적용하여 캐 비테이션을 포함하는 3차원 비정상상태 유동해석을 수행하고 그 결과를 시험결과와 비교 검증함으 로써 그 유용성을 확인하였다. 또한 펌프 체적효 율을 향상시키기 위한 개선모델을 제안하고 그 효과를 시험과 비교 확인하였다.
펌핑 챔버의 격자는 시계방향으로 회전과 동시에 deforming된다. 실제 로터 팁 간극은 lOOem 내외 이나 계산시 수렴성 증진 및 누설량 보정을 위해 200~250“m로 모델링 하였다.
엔진 윤활용 오일펌프(Fig. 1)에 동일한 사양의 내/외측 로터를 끼우고 총 3개의 포트형상에 대해 2차에 걸쳐서 유동해석을 수행하였다. 1차 해석eBaseline[Fig.
엔진 윤활용 제로터 오일펌프에 대해 캐비테이 션을 고려한 유동해석을 수행한 후 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

계산에 사용된 격자는 Fig. 4에서 보이는 것과 같이 육면체 격자이며 총 격자수는 약 14만개이다. 펌핑 챔버의 격자는 시계방향으로 회전과 동시에 deforming된다.

데이터처리

상용 유동해석 프로그램(CFD-ACE+)을 이용하여 제로터 펌프 내부의 유동장 및 압력장을 계산하였다.(2) 이때 난류모델은 standard k-e 난류모델을 이 용하였고, 저압 영역의 상변화를 계산하기 위해 캐비테이션 모델를 적용하였다.

이론/모형

상용 유동해석 프로그램(CFD-ACE+)을 이용하여 제로터 펌프 내부의 유동장 및 압력장을 계산하였다.(2) 이때 난류모델은 standard k-e 난류모델을 이 용하였고, 저압 영역의 상변화를 계산하기 위해 캐비테이션 모델를 적용하였다. 사용된 캐비테이션 모델은 bubble dynamics, turbulent fluctuation, 유체 내부 non-condensible gas의 영향이 모델링 된 것이다.
사용된 캐비테이션 모델은 bubble dynamics, turbulent fluctuation, 유체 내부 non-condensible gas의 영향이 모델링 된 것이다. 발생된 증기의 수송방정식 (1)은 N-S 방정 식과 couple되어 계산되며, 증기의 생성과 시간 평 균된 상변화율을 계산하기 위해 reduced Rayleigh- PlessetModel«)이 사용되었다.

성능/효과

(3) 최종 모델(Variant.2)에 적용된 토출 포트부의 압력 완화홈(Pressure relief groove)은 고립된 펌핑 챔버의 압력을 조기에 완화함으로써 teeth tip leakage를 줄여 시험결과 펌프 회전수 2000rpm에서 체적효율을 최대 4% 향상시키고, 수력토크를 최대 6.1% 저감시킬 수 있었다.
2모델의 시험결과로서 전 펌프 회전수에서 체적효율이 향상되고, 구동토크(수력토크+기계토 크)가 저감된 것을 볼 수 있다. 계산 값과 비교하 면 전체적으로 그 향상 폭이 크고, 특히 6000rpm 에서도 Variant」에 비해 체적효율이 향상 되었다. 이는 Variant.
6000ipm에서 이처럼 오차 범위 가 커지게 된 이유는 캐비테이션 모델이 캐비테이 션 발생량을 정확하게 예측하는데 한계가 있기 때 문인 것으로 판단된다. 그러나 비교적 오차가 작 고, 추세선을 고려하였을 때 캐비테이션 발생 시점 (cavitation inception point)을 시험값에 근사한 위치에서 예측하므로 본 해석 방법을 통한 계산결과는 비교적 높은 신뢰도를 보인다고 할 수 있다. 펌프 회전수 3000rpm~4000rpm에서 펌프 체적효 율 선도가 꺾이게 되는데 이 지점이 캐비테이션 발생 시점이다.

참고문헌 (9)

Manco, S. and Nervegna, N., 2000, 'Effects of Timing ad Odd/Even Number of Teeth on Noise Generation of Gerotor Lubricating Pumps for IC Engines,' SAE 2000-01-2630
CFD-ACE manual
Singhal, A. K., Li, H. Y., Athavale, M. M. and Jiang, Y., 2001 'Mathematical Basis and Validation of the Full Cavitation Model,' Preceedings of ASME FEDSM
Brennen, C. E., 1995, 'Cavitation and Bubble Dynamics,' Oxford Univertisy Press
Svedberg, G. C., Totten, G. E., Sun, Y. H. and Bishop, R. J. Jr., 1999, 'Hydraulic System Cavitation: Part II - A Review of Hardware Design-Related Effects,' SAE 1999-01-2857
Totten, G. E. and Bishop, R. J. Jr., 1999, 'The Hydraulic Pump Inlet Condition: Ill!pact on Hydraulic Pump Cavitation Potential,' SAE 1999-01-1877
Yu Jiang and Chin-Yuan Pemg, 1997, 'An Efficient 3D Transient Computational Model for Vane Oil Pump and Gerotor Oil Pump Simulations,' SAE 970841
Athavale, M. M. and Singhal, A. K., 2001, 'Numerical Analysis of Cavitating Flows in Rocket Turbopump Elements,' AIAA-2001-3400
Athavale, M. M., Jiang, Y. and Singhal, A. K., 2000, 'Application of the Full Cavitation Model to Pumps and Inducers,' ISROMAC 2000

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