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문제 정의
- 본 연구에서는 수치 해석방법을 도입하여 엔진 각 개발 단계별 윤활 시스템의 오일 소모량을 예측하고 최적화를수행하여 연비를 향상시키는 작업을 소개하고자 한다. 엔진 초기 개발 시 dual CVVT 로계획된 엔진은 오일 소모량이 많았으나 유로의 저항으로 펌프의 공급효율은 매우 떨어지는 상태였다.
제안 방법
- 1) 시작 이전 단계에서는 기 개발된 동종의 엔진을 기본 모델로 하여 시스템 해석 이 수행되 었고 그 결과 윤활 회로의 오일 유량과 각 부 오일압을 선행 예측하여 설계 된 펌프의 사이즈 적정성을 평가하였다. 이때 오일펌프 사이즈(10.
- 마찰이 발생하는 곳에 오일을 공급하여 윤활 시킴으로써 엔진의 마찰손실을 줄이고 내구성과 신뢰성을 증가시킨다. 또한 냉각수와 더불어, 베어 링을 포함한 엔진 고온 발생영역의 냉각에 참여하여 엔진을 정상 온도에서 작동하도록 한다. 그 구성은 일반적으로 오일을 공급하는 용적식오일펌프와 과다한 오일 공급을 막는 릴리프 밸브 (relief val.
- 수 있게 된다. 또한 정확한 오일 소모량 예측은 설계된 오일 펌프의 용량 적정성을 평가하여 그용량을 필요에 맞게 줄이거나 늘리도록 하여 압력작동기구를 원활히 작동시키면서 동시에 불필요한오일 공급으로 에너지를 소모하지 않도록 한다.
- 먼저 설계변경 사양에 대한 시스템 해석 지원을통해 소모유량 변동과 유압변동을 파악하여 설계자들에 게 올바른 정보를 제공토록 하였다.
- 상용 코드인 Flowmaster 를 사용하여 엔진 개발각 단계별로 1D 시스템 해석을 수행하였다. 일반적으로 시작 이전 단계에서는 기 개발된 동종 엔진의 모델을 수정하여 구성하게 된다.
- 설계 보완 단계에서는 설계 변경 사-양에 대한 해석지원을 통해 오일 소모 유량과 펌프 소요 동력을 감소 시 키 고 국부의 유압을 상승시 키는 작업을 수행하였다
- 시작 이전 단계에서 흡입포트 개선 작업을 통해 오일 펌프의 공동현상을 지연시키는 작업을 수행하였다. 하지만 고립 챔버 내에 공동이 없이 오일만 가득 차 있는 경우 챔버의 수축기간 동안 유체가 빠져나갈 틈이 없고, 버블 압축에 의한 완충작용도 없게 된다.
- 이때 오일펌프 사이즈(10.5 cc/rev, 효율 75%)는 약10% 초과 설계 된 것으로 예측되 었다 또한 3D CFD 해석을 통해 오일펌프의 성 능을 예측하였고(효율 83%) 문제가 되는 흡배기 포트의 형상을 개선하여 공동현상 발생을 늦추었다
- 이를 방지하여 펌프의 체적효율을 높이기 위해토출 포트부에 압력 완화홈(Pressure relief groove)를음각하고, 흡입/토출부 유로의 각진 부분에 round 처리를 하였다(Fig. 8-Var. 2). 그 결과, 챔버 수축 시 보이던 오일의 leak 발생은 현저히 줄어들어(Fig.
- 이후 추가적으로, 개발 엔진의 non-CVVT 사양에대한 오일펌프 사이즈를 추가 축소하는 것이 요구되어졌다 시스템 해석을 이용하여 설계 요구 (0.7bar@1000RPM)에 맞는 결과는, 로터 높이를 Hmm 로 하는 것이 타당한 것으로 예상되 었고 마진을 고려하여 14mm 사양을 검토하였다. In-CVVT 사양 엔진 대상 5점 연비 시험결과 16.
대상 데이터
- 대상 엔진의 오일펌프가HPDC 주조방식의 블록 전단에 성형되어 있는 관계로 오일펌프 사이즈와 형상의 변동은 일반적인 단품 형태의 펌프를 채택한 타 엔진과 달리 쉽게 이루어질 수 없다. 고로 이러한 형태의 오일펌프는 예측의 정확도를 충분히 확보하여야 하며 이는 해석적인 방법을 통해 이루어 질 수 있다
- 일반적으로 시작 이전 단계에서는 기 개발된 동종 엔진의 모델을 수정하여 구성하게 된다. 본 해석은 기 개발된 14 엔진을 참조 하였다.
성능/효과
- 2) 설계 보완 단계에서는 시스템 해석을 통해 추가 구상된 여러 오일 회로 변경 사양에 대한 해석적으로 예측 되어진 정보를 전달하였다. 최종 선정된 오일 유로에 대한 해석 결과, 오일펌프 사이즈는 10-20% 초과 설계 된 것으로 예측되었다.
- 3) 트러블 슈팅 단계에서는, 시험된 결과를 반영하여 시스템 해석의 정확도를 확보 한후 효율이 향상(92.8%)된 펌프의 사이즈를 줄이는 작업을 수행 하였다 시스템 해석을 통해 펌프의 로터 높이를, 유압 마진을 고려해 4mm 줄이는 것으로 검토하였고 소요동력은 100W 가량 감소할 것으로 예측되 었다. 추가적인 3D 해석을 통해 펌프 수력 토크의 감소는 2000RPM 에서 23%가량으로 예측되 었고 실제 적 으로 구동토크는 12% 감소하였다
- 최종 선정된 오일 유로에 대한 해석 결과, 오일펌프 사이즈는 10-20% 초과 설계 된 것으로 예측되었다. 3D 해석을 통해서는 펌프의 효율을 높이고 동력 소모를 줄이는 작업을 수행하여 실제적으로 2000RPM에서 펌프효율은4%가상숭하고, 구동 토크는 6.1%가 감소하는 효과를 얻었다.
- 최초의 feasibility 용 해석의 결과는Fig. 4와 같고 CVVT 기 구 작동을 위한 Main Gallery부 요구 압력 (Ibar @1000RPM, 110도) 이나 HLA 작동 요구압 (0.7bar@700RPM, 120도)를 상회하는 수준으로 펌프의 최초 설계 유량(10.5cc/rev, 효율 75% 이상)이비교적 많은 편으로 예측되어 펌프 사이즈 감소 필요성이 예측되었다.
- 7bar@1000RPM)에 맞는 결과는, 로터 높이를 Hmm 로 하는 것이 타당한 것으로 예상되 었고 마진을 고려하여 14mm 사양을 검토하였다. In-CVVT 사양 엔진 대상 5점 연비 시험결과 16.5mm 로 축소 시초기 사양 대비 연비는 약 1%가 향상 되었고 14mm 으로 추가 축소 시 약 0.5% 의 추가 향상 효과가 있는것으로 나타났다.
- 2). 그 결과, 챔버 수축 시 보이던 오일의 leak 발생은 현저히 줄어들어(Fig. 7- var. 2) 체적 효율의 증대 뿐만 아니라 오일 펌핑에소모되는 에너지도 감소하여 오일 펌프의 회전을위 한 수력토크도 감소되 었다(Table 2).
- 9) 오일 펌프 사이즈를 축소하며 설계 요구압을 만족하는지를 살폈다. 그 결과설 계 요구조건을 만족하는 최 소의 사이 즈는 최 초의 rotor 높이에 비해 6mm가 축소된 14.5mm였고 최종적으로는 유압 마진을 고려하여 16.5mm를 검토하는 것으로 결정되었다(Table 3). 이때 단품 시험 된 펌프 동력 소모는 2000RPM 기준으로 33OW 정도에서 228W로 약 100W 정도의 소요동력 감소를 얻을 수 있을 것으로 예상 되 었고 1mm를 추가 감소하면 (15.
- 대상 엔진의 오일펌프 초기 단계 흡입 포트 형상은 유로가 협소하고 유선화 되어 있지 않아 오일흡입에 문제가 있을 것으로 예상되었고 또한 토출포트에 일반적으로 도입되는 pressure relief groove 도 성 형되어 있지 않아 토출 시 압력 완화도 문제가있을 것으로 예측되 었다
- 사이즈 축소 사양 펌프에 대한 성능 변화와 수력토크 변화를 살펴보기 위해 3차원 CFD 해석을 수행한 결과, 2000RPM에서 23%의 수력 토크 감소를 얻을 수 있었다. 이때 펌프의 흡입/토출 포트의 형상은 유지된 상태이므로 체적효율 변화는 미미하였다.
- 베어링 더블보어 삭제(case 6) 등이다. 선행 해석 단계의 결과와 마찬가지로 검토사양 모두 필요요구압 보다 10~20% 높은 결과가 나와서 연비 향상을 위해 펌프의 사이즈 감소가 필요함을 보였다. 각각에 대한 해석 결과는 Table 1과 같고 설계 적용 사양은 case 3이 되었다.
- 시작 이전 단계에서 오일 소모유량과 국부의 압력을 확인하는 시스템해석과 더불어 펌프의 단품 성능을 확인하는 3차원 유동 해석을 동시 수행하였다 대상 엔진의 초기 오일펌프에 대한 3차원 CFD 해석 결과, 저속 영역에서 체적효율이 83% 로 설계 유량에 충분히 만족하지만 흡입포트 유로가 협소하여(Fig. 5-baseline) 공동 현상이 비교적 이른 시기인 3000 RPM에서부터 발생하는 것으로 나타났다(Fig. 6). 이의 해결을 위해 흡입 포트부 유로를 확장 했으며(Fig.
- 이는 실험적으로도 확인되었는데 해석 결과보다 더 많은 효율 증대와 구동토크(수력토크+기계적 마찰 토크)의 감소를 보여서 해석적 접근에 의한 개선작업 이 오일 펌프 소요 동력 감소에 큰 도움이 될 수 있다는 걸 보여 주었다. 이때 시험값은 sharp edge (Fig.
- 5mm를 검토하는 것으로 결정되었다(Table 3). 이때 단품 시험 된 펌프 동력 소모는 2000RPM 기준으로 33OW 정도에서 228W로 약 100W 정도의 소요동력 감소를 얻을 수 있을 것으로 예상 되 었고 1mm를 추가 감소하면 (15.5mm 사양) 25W의 추가적인 소요동력 감소를 얻을 수 있을 것으로 예상되었다
- 수행 할 수 있었다. 이러한 결과로 오일 펌프의 동력 소모를 최소화 하였고 그 결과 엔진 연비는 최초 설계 사양 대비 in-CVVT 사양이 약 1%, non- CVVT 사양이 약 1.5% 가량 높아졌다.
- 이상의 엔진 개발 단계별 1D/3D 해석의 병행 지원을 통해 각 단계별로 설계자에 게 필요한 정보를 빠르게 선행 지원할 수 있었고 이 정보를 바탕으로 설계자는 대상 엔진 윤활 시스템의 개발을 효율적으로 수행 할 수 있었다. 이러한 결과로 오일 펌프의 동력 소모를 최소화 하였고 그 결과 엔진 연비는 최초 설계 사양 대비 in-CVVT 사양이 약 1%, non- CVVT 사양이 약 1.
- 엔진 초기 개발 시 dual CVVT 로계획된 엔진은 오일 소모량이 많았으나 유로의 저항으로 펌프의 공급효율은 매우 떨어지는 상태였다. 이에 3D 수치 해석방법을 도입하여 유로 형상의 최적화를 통해 오일펌프 공급효율을 향상시켰으며과잉된 오일은 1D 시스템 해석을 통해 최적 펌프 사이즈를 예측 후 설계 변경하여 결과적으로 in-CVVT 사양은 약 1%, non-CVVT 사양은 약 1.5% 의 연비 향상을 이루었다.
- 6). 이의 해결을 위해 흡입 포트부 유로를 확장 했으며(Fig. 5-var.l) 급격한 곡률부분은 유선화 하였다그 결과, 흡입 포트 내 공동 현상이 약 4000RPM 이후에서 발생하여 고속 구간에서도 원활히 오일을 공급하게 되었다. 공동화 현상의 발생은 소음과 펌프 내 고체부 침식(erosion)의 원인이 되기도 하므로상기의 형상변경에 의한 공동화 감소는 소음 감소와 내구성 향상에도 도움이 된다.
- 예측 되어진 정보를 전달하였다. 최종 선정된 오일 유로에 대한 해석 결과, 오일펌프 사이즈는 10-20% 초과 설계 된 것으로 예측되었다. 3D 해석을 통해서는 펌프의 효율을 높이고 동력 소모를 줄이는 작업을 수행하여 실제적으로 2000RPM에서 펌프효율은4%가상숭하고, 구동 토크는 6.
- 8%)된 펌프의 사이즈를 줄이는 작업을 수행 하였다 시스템 해석을 통해 펌프의 로터 높이를, 유압 마진을 고려해 4mm 줄이는 것으로 검토하였고 소요동력은 100W 가량 감소할 것으로 예측되 었다. 추가적인 3D 해석을 통해 펌프 수력 토크의 감소는 2000RPM 에서 23%가량으로 예측되 었고 실제 적 으로 구동토크는 12% 감소하였다
- 이때 펌프의 흡입/토출 포트의 형상은 유지된 상태이므로 체적효율 변화는 미미하였다. 하지만 고속영역에서는 흡입 유량의 절대적인감소로 인해 그 효율이 17% 이상 상승하는 결과를 얻어서 공동현상 또한 크게 감소하는 것으로 나타났다(Table 4). 시험적으로 나타난 저속에서의 효율 저하는 설계 변경 시 흡입 포트의 유로를 막는 구조가 첨가되어 유로 저항을 일부 증가 시켜서 나타난 것이다
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