[논문]터보 디젤 엔진용 배기매니폴드의 열변형 해석

김범근; 이은현; 최복록

doi:10.3795/ksme-a.2007.31.3.338

문제 정의

본 연구에서는 유한요소해석 및 실험을 통하여 터보 디젤 엔진용 배기 매니폴드의 열 변형 형상을 파악하였다. 런너가 짧은 터보 디젤 엔진에서는 길이 방향의 변형이 가장 두드러졌으며, 반복된 열 사이클 하중은 엔진 작동 중 고온으로 상승되는 터보 차져 장착 부위에서 거대한■수축 현상을 나타내었다.
。) 최근 자동차 업체에서는 배기매니폴드 플랜지면의 볼트 홀을 볼트 유효경보다 크게 하여, 배기 매니폴드의 과도한 변형에 의한 크랙현상을 줄이고 있다. 본 연구에서는 터보 디젤 엔진용 배기 매니폴드에서 발생되는 플랜지면의 미끄러짐 현상을 해석적으로 재현하고 시험 결과와 비교하여, 시험적으로 검증된 해석 모델을 제시하고자 한다.

가설 설정

해석을 수행하였다.") 배기 매니폴드에서 유동하는 배기가스는 비압축성 공기로 가정하였으며, 상용 프로그램인 STAR-CD를 이용하여 계산하였다. 시험에서 측정된 배기가스의 온도와 다음의 식에서 계산된 유량을 입구 경계 조건으로 지정하였다.

제안 방법

또한, 좁은 엔진룸에 위치하기 때문에 런너(Runner)의 길이가 짧아 열 피로 즉면에서도 불리하다. Delprete와 Rosso는 터보 디젤 엔진용 배기 매니폴드에 대한 실험 및 유한 요소 해석을 실시하여, 배기 매니폴드의 플랜 지면이 실린더 헤드면을 따라 미끄러지는 량이크다는 것을 제시하였으며, 실린더 헤드 크랙의 발생 위치를 예측하였다.。) 최근 자동차 업체에서는 배기매니폴드 플랜지면의 볼트 홀을 볼트 유효경보다 크게 하여, 배기 매니폴드의 과도한 변형에 의한 크랙현상을 줄이고 있다.
입력하였다. 다음으로 각 절점에 상온의 온도분포를 입력하여 열 사이클 내구 시험에서 상온으로 냉각되는 과정을 구현하였다. 마지막 두 하중 조건을 반복함으로써, 사이클 수 증가에 따른 배기 매니폴드의 변형을 파악하였다.
있도록 하였다. 또한 커넥터 요소에는 볼트의 장력에 의한 마찰력에 상응하는 탄성계수를 부여하여, 배기 매니폴드의 변형이 볼트의 장력을 초과할 때에만 미끄러질 수 있도록 하였다.
런너및 플랜지의 외벽 면에는 영역별로 구분하여, 대류형 열 경계 조건인, 시험에 의하여 측정된 배기 매니폴드 주위의 온도와 열전달 계수를 부여하였다(Table 2). 온도 분포 파악을 위한 해석 모델에는 포함되어 있지 않은 실린더 헤드로의 열전도를 고려하기 위하여 입구 플랜지 벽면의 열전달 계수를 높게 설정하였다.
다음으로 각 절점에 상온의 온도분포를 입력하여 열 사이클 내구 시험에서 상온으로 냉각되는 과정을 구현하였다. 마지막 두 하중 조건을 반복함으로써, 사이클 수 증가에 따른 배기 매니폴드의 변형을 파악하였다.
3은 본 연구에서 사용된 유한 요소 해석 모델을 나타낸다. 배기 매니폴드는 사면체 2차 요소(Parabolic tetra element)를 이용하여 구성하였으며, 실린더 헤드는 배기 매니폴드와의 접촉면을 포함한 판재의 형상으로 단순화시켰다. 배기 매니폴드를 조립할 때 체결되는 볼트의 초기 장력은 변위로 환산하여 플랜지의 볼트 접촉면에 적용시키고 볼트는 유한 요소 해석 모델에서 제외 시 켰다.
배기 매니폴드와 실린더 헤드 사이의 경계면에는 접촉 조건을 주어, 열팽창률이 다른 두 개의 금속이 서로 미끄러질 수 있도록 하였으며, 실린더 헤드는 변위를 고정시켰다. 본 연구에 사용된 배기 매니폴드는 축방향 변형 구속을 풀어주기 위하여, Fig.
배기 매니폴드의 열 변형을 예측하기 위하여, CAD 형상을 바탕으로 유한 요소 모델을 생성하였다. 가스켓, 볼트 및 실린더 헤드까지 해석 모델에 모두 포함시켜 배기 매니폴드 해석을 실시하는 경우, 실제 구속 조건을 모두 표현시킬 수는 있지만, 해석 모델의 크기가 과대해져 많은 계산 시간이 소요된다.
가스켓, 볼트 및 실린더 헤드까지 해석 모델에 모두 포함시켜 배기 매니폴드 해석을 실시하는 경우, 실제 구속 조건을 모두 표현시킬 수는 있지만, 해석 모델의 크기가 과대해져 많은 계산 시간이 소요된다. 본 연구에서는 실제의 구속 조건을 표현하는 경계조건이 부여된 단순화된 해석 모델을 구성하여 해석을 실시하였다°)Fig. 3은 본 연구에서 사용된 유한 요소 해석 모델을 나타낸다.
상온 상태에서 볼트의 초기 장력을 입력한 배기 매니폴드의 조립 상태를 첫 번째 하중 조건으로, 엔진의 작동 중 발생하는 온도 분포를 각 절점에 입력한 고온의 온도 상태를 두 번째 하중 조건으로 입력하였다. 다음으로 각 절점에 상온의 온도분포를 입력하여 열 사이클 내구 시험에서 상온으로 냉각되는 과정을 구현하였다.
헤드의 재질에 대해서는.상온의 특성을 해석에 이용하였다.
엔진이 작동할 때 배기 매니폴드에 형성되는 온도 분포를 파악하기 위하여, 최 등의 연구 방법을 따라 배기 가스 유동장과 배기 매니폴드의 온도 분포를 동시에 계산하는 Conjugate Heat Transfer(CHT) 해석을 수행하였다.") 배기 매니폴드에서 유동하는 배기가스는 비압축성 공기로 가정하였으며, 상용 프로그램인 STAR-CD를 이용하여 계산하였다.
런너및 플랜지의 외벽 면에는 영역별로 구분하여, 대류형 열 경계 조건인, 시험에 의하여 측정된 배기 매니폴드 주위의 온도와 열전달 계수를 부여하였다(Table 2). 온도 분포 파악을 위한 해석 모델에는 포함되어 있지 않은 실린더 헤드로의 열전도를 고려하기 위하여 입구 플랜지 벽면의 열전달 계수를 높게 설정하였다.
파악된 온도분포는 측정된 온도와 비교 검증한 후, 엔진 작동 중 배기 매니폴드의 온도 조건으로 입 력하였다. 온도에 따른 비선형 물성치를 고려하여 구조해석을 실시한 후, 내구시 험 조건에서 의 배기매니폴드의 변형을 예측하였다.
우선 해석 모델을 구성 한 후, Heat transfer analysis를 수행하여 온도분포를 파악하였다. 파악된 온도분포는 측정된 온도와 비교 검증한 후, 엔진 작동 중 배기 매니폴드의 온도 조건으로 입 력하였다.
유한 요소 해석 모델에서는 배기 매니폴드의 볼트 홀 중심과 실린더 헤드 볼트 체결 면 중심 사이를 커넥터 요소 (Connector element)로 연결하여, 배기 매니폴드 플랜지의 볼트 홀 부위가 볼트 홀과 볼트 유효경의 공차 범위 내에서 움직일 수 있도록 하였다. 또한 커넥터 요소에는 볼트의 장력에 의한 마찰력에 상응하는 탄성계수를 부여하여, 배기 매니폴드의 변형이 볼트의 장력을 초과할 때에만 미끄러질 수 있도록 하였다.
엔진에서연소된 가스는 배기 매니폴드의 입구 측 플랜지를 통하여 유입되어 짧은 런너를 통하여 합쳐진 후, 배기가스 순화 시스템으로 유입되거나 터보차저(Turbo charger)로 흘러가게 된다. 이러한 배기 매니폴드의 열변형을 해석적으로 예측하기 위하여 Fig. 2의 절차로 비선형 해석을 수행하였다.
온도분포를 파악하였다. 파악된 온도분포는 측정된 온도와 비교 검증한 후, 엔진 작동 중 배기 매니폴드의 온도 조건으로 입 력하였다. 온도에 따른 비선형 물성치를 고려하여 구조해석을 실시한 후, 내구시 험 조건에서 의 배기매니폴드의 변형을 예측하였다.

데이터처리

온도에 따른 비선형 물성치가 고려된 구조해석을 위해서는 상용 프로그램인 ABAQUS* 이용하였다. 배기 매니폴드와 실린더 헤드 사이의 경계면에는 접촉 조건을 주어, 열팽창률이 다른 두 개의 금속이 서로 미끄러질 수 있도록 하였으며, 실린더 헤드는 변위를 고정시켰다.

성능/효과

열 사이클 해석을 88회 실시한 후 파악된 변형 형상은 터보 차져 장착 부위에서의 수축 현상이 가장 두드러진 것으로 파악되었다. 1800 회의 열 사이클 실험을 실시한 후 측정된 플랜지 볼트 홀 간의 거리도 해석에서 예측된 바와 같이 줄어드는 것으로 파악되었으며, 터보 차져 장착부 위인 b와 e에서 가장 수축이 큰 것으로 나타났다.
배기 매니폴드와 실린더 헤드 사이의 경계면에는 접촉 조건을 주어, 열팽창률이 다른 두 개의 금속이 서로 미끄러질 수 있도록 하였으며, 실린더 헤드는 변위를 고정시켰다. 본 연구에 사용된 배기 매니폴드는 축방향 변형 구속을 풀어주기 위하여, Fig. 5와 같이 플랜지면의 볼트 홀 중, 하나의 볼트 홀을 제외한 나머지를 모두 볼트 유효경보다 크게 하였다.
열 사이클 해석을 88회 실시한 후 파악된 변형 형상은 터보 차져 장착 부위에서의 수축 현상이 가장 두드러진 것으로 파악되었다. 1800 회의 열 사이클 실험을 실시한 후 측정된 플랜지 볼트 홀 간의 거리도 해석에서 예측된 바와 같이 줄어드는 것으로 파악되었으며, 터보 차져 장착부 위인 b와 e에서 가장 수축이 큰 것으로 나타났다.
9에 나타내었다. 해석 결과의 경우, 사이클 수가 88회로서 1800 사이클인 시험 결과와 큰 차이를 나타내었으나, 볼트 홀간의 거리가 b에서 가장 클 것으로 예측되고, 다음으로는 e, d, f 순으로 클 것으로 예측되어, b에서 가장 큰 수축을 보이고, 다음으로 e, f, d 순이었던 내구 시험 결과와 유사한 경향을 나타내었다.
해석을 실시한 결과, 본 연구에서 사용된 배기 매니폴드와 같이 런너의 길이가 짧고 연소 가스가 합류되는 부위가 긴 배기 매니폴드는, 고온상태에서 플랜지의 축 방향(Z-axis in Fig. 1) 변형이 크게 나타나는 것으로 파악되었다. 재질의열팽창에 의한 축방향 변형으로 인하여, 공차가 부여된 볼트 홀에 접한 플랜지 면들은 실린더 헤드 면을 따라 미끄러짐 현상을 일으켰다.
해석을 통하여 예측된 열변형 현상은 시험 결과와 유사한 경향을 나타내는 것으로 파악되었다. 배기 매니폴드의 변형량을 좀 더 정확하게 예측하기 위해서는 좀 더 복합적인 응력-변형률 거동을 나타내는 해석 모델의 구성이 필요할 것으로 파악된다.

후속연구

배기 매니폴드의 변형량을 좀 더 정확하게 예측하기 위해서는 좀 더 복합적인 응력-변형률 거동을 나타내는 해석 모델의 구성이 필요할 것으로 파악된다.
런너가 짧은 터보 디젤 엔진에서는 길이 방향의 변형이 가장 두드러졌으며, 반복된 열 사이클 하중은 엔진 작동 중 고온으로 상승되는 터보 차져 장착 부위에서 거대한■수축 현상을 나타내었다. 본 연구에 사용된 배기 매니폴드와 같이 플랜지면의 볼트 홀을 볼트 유효경보다 크게 하는 새로운 디자인은 배기 매니폴드 가공차 범위 내에서 움직일 수 있도록 하여, 배기 매니폴드 내의 열응력을 감소시킬 수 있을 것으로 파악된다.

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