[논문]수치해석적 접근을 통한 불꽃점화 엔진의 냉각수 유동특성 개선

이상인; 박성영

doi:10.5762/kais.2009.10.12.3553

수치해석적 접근을 통한 불꽃점화 엔진의 냉각수 유동특성 개선
Computational Approach to Improve Coolant Flow Characteristics for the SI Engine 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.10 no.12, 2009년, pp.3553 - 3558

이상인 (공주대학교 일반대학원 기계공학부) , 박성영 (공주대학교 기계자동차공학부)

초록
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불꽃점화 엔진의 냉각수 유동 특성을 개선하기위하여 본 연구가 수행되었다. 배기밸브와 배기 포트의 냉각수 유로에서의 유동특성이 중점적으로 고려되었다. 베이스 모델의 수치해석적 분석에서 2번 실린더의 배기 밸브사이에 유동 정체가 발견되었다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 관련된 냉각수 통로를 재설계하고 최적화 하였다. 또한 배기가스의 온도를 낮추는 냉각수 코어 모델을 설계하기 위하여 배기매니폴드 하부의 냉각수 통로를 보강 설계하였다. 본 연구를 통하여 실린더 헤드와 블록사이의 냉각수 유동을 제어하는 가스킷의 중요성을 확인하였으며, 질량분포의 개선을 통하여 배기밸브 사이와 실린더헤드에서의 유동 특성을 개선하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study has been conducted to improve coolant flow pattern in the gasoline engine. Flow field has been calculated for the coolant passage mainly around the exhaust ports and valves. For the original model, a flow stagnant region has existed between exhaust valves of the second cylinder. To improve coolant flow characteristics, coolant passage area has been re-modeled and optimized. Furthermore, for the improved coolant core model, coolant passage under the exhaust manifold has been added to reduce exhaust-gas temperature. It was found that the flow through a gasket plays a critical role for the flow in the cylinder head and around exhaust valves. Finally, coolant flow around exhaust valves and in the cylinder head has been improved in terms of flow rate distribution.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 냉각수 유동 방향을 제어하고, 냉각수 유동의 개선을 도모하였다. 냉각수 유동 질량 및 방향의 제어는 모델의 냉각수 통로 유동 단면적을 변수로 하여 수치적 계산을 수행하였다.
본 연구에서는 해석적인 기법을 이용하여 불꽃점화 엔진의 블록과 헤드에서의 냉각수 유동 특성을 분석하고 개선하고자 하였다. 최종 사양은 배기포트의 온도를 저감 하기 위한 냉각수 돌출부를 포함한 사양으로, 특히 열집 중이 발생되는 배기 포트주위의 냉각수 유동을 중심으로 유동 특성을 개선하였다.

가설 설정

냉각수 유동은 정상상태의 난류 유동을 가정하였으며 본 해석에서 사용된 상용소프트웨어의 연속방정식, 운동량방정식, 에너지 방정식 및 난류운동에너지 방정식과 난류운동에너지 소산방정식은 식 (1) ~ (4)와 같이 표현된다.

제안 방법

이는 ③ 홀이 1번 실린더의 배기 포트 하면에 위치하고 있기 때문이다. 개선된 냉각수 코어에서는 그림 10의 ③홀 주위의 냉각수 통로 단면적을 설계 변경하여 ③홀을 통한 유동이 배기포트 외측으로 편향되어 유동하도록 하였다. 그 결과 1번 실린더 배기포트사이의 유동방향이 수정되었다.
베이스 모델의 두 문제점을 해결하기 위해 새로운 냉각수 코어를 설계하였다. 개선모델은 냉각수의 균등한 분배 외에도 배기의 온도를 낮추기 위해서 배기 포트 코어 하면에 냉각수 돌출 유로를 구성하여 냉각수에 의한 배기온도 저감을 시도하였다. 또한 제안된 모델은 균등한 유량의 분배를 위해 다양한 유동 단면적 모델을 설계 및 해석하였다.
본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 냉각수 유동 방향을 제어하고, 냉각수 유동의 개선을 도모하였다. 냉각수 유동 질량 및 방향의 제어는 모델의 냉각수 통로 유동 단면적을 변수로 하여 수치적 계산을 수행하였다.
냉각수의 유동해석을 통하여 열 집중이 예상되는 배기 포트 주위의 유동 특성을 개선하였다. 특히, 1번 실린더 배기포트사이의 역류 현상을 개선하고, 2번 실린더 배기 포트 사이의 부족하던 냉각수 유량을 확보하였다.
개선모델은 냉각수의 균등한 분배 외에도 배기의 온도를 낮추기 위해서 배기 포트 코어 하면에 냉각수 돌출 유로를 구성하여 냉각수에 의한 배기온도 저감을 시도하였다. 또한 제안된 모델은 균등한 유량의 분배를 위해 다양한 유동 단면적 모델을 설계 및 해석하였다. 제안된 모델은 가장 우수한 냉각수 유동 특성을 보이고 있다.
베이스 모델의 두 문제점을 해결하기 위해 새로운 냉각수 코어를 설계하였다. 개선모델은 냉각수의 균등한 분배 외에도 배기의 온도를 낮추기 위해서 배기 포트 코어 하면에 냉각수 돌출 유로를 구성하여 냉각수에 의한 배기온도 저감을 시도하였다.
본 연구에서 유동해석은 상용유동해석 소프트웨어 (STAR-CCM+)를 사용하였으며, 약 300,000 여개의 poly-hederal 격자를 구성하였다. 코어의 벽면에 벽법칙을 적용하기위하여 벽면에 2개의 격자를 추가로 삽입하여 해석을 수행하였다.
냉각수는 비압축성의 순수한 물로 고려하였으며, 이에 대한 물성치를 사용하였다. 본 연구에서는 순수 유동에 의한 효과만을 고려하여 유동해석을 수행하였으며, 연소실 벽면의 온도관련 데이터의 부재로 열전달은 고려하지 않았다.
본 연구에서 유동해석은 상용유동해석 소프트웨어 (STAR-CCM+)를 사용하였으며, 약 300,000 여개의 poly-hederal 격자를 구성하였다. 코어의 벽면에 벽법칙을 적용하기위하여 벽면에 2개의 격자를 추가로 삽입하여 해석을 수행하였다. 난류 모델은 Standard k - ε모델을 사용하였으며, 냉각수 펌프를 포함하지 않고 170L/min의 평균 냉각수 체적 유량을 입구 경계 조건으로 부여하였다.
냉각수의 유동해석을 통하여 열 집중이 예상되는 배기 포트 주위의 유동 특성을 개선하였다. 특히, 1번 실린더 배기포트사이의 역류 현상을 개선하고, 2번 실린더 배기 포트 사이의 부족하던 냉각수 유량을 확보하였다. 이러한 유동의 개선은 배기포트의 열 집중 방지에 효과가 있을 것으로 예상된다.

대상 데이터

흡기 포트부가 삽입되는 좌측면 엔진블럭 냉각수 유로 전면 하단에는 냉각수유로의 입구가 있고, 후면 상단에는 출구가 있다. 본 모델에서는 냉각수 펌프를 제외한 코어 부분만을 해석의 대상으로 고려하였다. 실린더 헤드부에는 점화플러그 및 흡배기 밸브 주위 냉각수 유동을 위한 코어를 구성하고 있다.
본 연구에서 사용한 엔진 모델은 4밸브 직렬 4기통 불꽃점화 엔진으로 배기량은 1800cc이다. 그림 1은 엔진의 냉각수 코어 모델을 보여주고 있다.
그림 1은 엔진의 냉각수 코어 모델을 보여주고 있다. 해석 모델의 구조는 상부의 실린더 헤드의 냉각수 코어와 하부의 실린더 블록 코어부로 나뉘고, 그 사이에는 실린더 헤드부와 실린더 블록부를 나누어 주는 가스켓 부가 있다. 흡기 포트부가 삽입되는 좌측면 엔진블럭 냉각수 유로 전면 하단에는 냉각수유로의 입구가 있고, 후면 상단에는 출구가 있다.

이론/모형

난류 모델은 Standard k - ε모델을 사용하였으며, 냉각수 펌프를 포함하지 않고 170L/min의 평균 냉각수 체적 유량을 입구 경계 조건으로 부여하였다.

성능/효과

그림 8은 배기밸브사이의 유동 속도 벡터, 유동유량 및 유동 방향을 나타내고 있다. 개선된 포트 코어의 3번 및 4번 실린더부에서 더욱 많은 통과 유량을 가지며, 2번 실린더부의 0.0023kg/s에서 0.0281kg/s로의 유량 증대와 1번 실린더부의 유동방향 개선을 확인할 수 있다.
이러한 유동의 개선은 배기포트의 열 집중 방지에 효과가 있을 것으로 예상된다. 또한 실린더 헤드내의 주 유동도 더불어 개선되었음을 확인하였다.
0244kg/s)과 대등한 것을 확인 할 수 있으며, 1번 실린더 ⓐ 단면의 유동방향이 개선된 것을 확인하였다. 반면에 1번 실린더 ⓑ단면의 유량(0.0407kg/s)이 타 실린더 동일 부위(0.1053kg/s) 대비 40% 정도 감소하였으나, 1번실린더 ⓔ 단면의 유량이 0.24 kg/s로 충분한 유량 및 유속이 확보되어 1번 실린더 배기포트의 냉각이 가능할 것으로 예상된다.
또한 제안된 모델은 균등한 유량의 분배를 위해 다양한 유동 단면적 모델을 설계 및 해석하였다. 제안된 모델은 가장 우수한 냉각수 유동 특성을 보이고 있다. 그림 6의 배기 포트 하면의 돌출부는 돌출된 측면의 형태가 동일하지 않다.
본 연구에서는 해석적인 기법을 이용하여 불꽃점화 엔진의 블록과 헤드에서의 냉각수 유동 특성을 분석하고 개선하고자 하였다. 최종 사양은 배기포트의 온도를 저감 하기 위한 냉각수 돌출부를 포함한 사양으로, 특히 열집 중이 발생되는 배기 포트주위의 냉각수 유동을 중심으로 유동 특성을 개선하였다.

후속연구

배기포트 하면의 돌출부는 배기온도 저감에 효과가 있을 것으로 예상되며, 추후 이에 대한 심도 깊은 열전달실험과 해석을 진행할 예정이다.
이상과 같이 냉각수 유로의 유동특성 해석을 통하여 냉각수 코어 모델의 문제점을 파악하고, 신규모델에 그 개선 방안을 적용하여 냉각효율을 개선할 수 있을 것으로 예상되는 냉각수 코어 모델을 제안하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	냉각수는 무엇을 위한 중요한 인자인가?	냉각수는 엔진의 성능 및 부품의 신뢰성 확보를 위한 중요한 인자로, 엔진의 출력과 운전조건을 고려한 최적의 냉각수 유로 설계는 엔진 성능 증대와 배기가스 저감을 위해 필수적인 엔진 개발의 단계이다[1].
	연비저감 및 배기가스 저감에 관련된 냉각수 공급기술의 중요성이 증대되는 이유는?	고성능, 고출력 그리고 경량화된 엔진을 설계하는 요즘 추세에 따라 엔진의 최적냉각온도의 제어는 점점 더 어려워지고 있다. 그리고 최근 들어 연비규제와 배기가스 규제가 강화됨에 따라, 연비저감 및 배기가스 저감에 관련된 냉각수 공급기술의 중요성이 증대되고 있다. 이러한 냉각수 기술의 필요성에 따라 가변 냉각, 전자제어 서모스탯 및 분리냉각 등의 신 냉각기술의 개발이 활발히 진행되고 있다[2-5].
	냉각수 유로의 유동특성 해석을 통하여 냉각수 코어 모델의 문제점을 파악하고, 신규모델에 그 개선 방안을 적용하여 냉각효율을 개선할 수 있을 것으로 예상되는 냉각수 코어 모델을 제안한 본 연구의 결과는?	냉각수의 유동해석을 통하여 열 집중이 예상되는 배기 포트 주위의 유동 특성을 개선하였다. 특히, 1번 실린더 배기포트사이의 역류 현상을 개선하고, 2번 실린더 배기 포트 사이의 부족하던 냉각수 유량을 확보하였다. 이러한 유동의 개선은 배기포트의 열 집중 방지에 효과가 있을 것으로 예상된다. 또한 실린더 헤드내의 주 유동도 더불어 개선되었음을 확인하였다.

참고문헌 (6)

김성수, "가솔린 기관의 시동조건에 따른 HC의 배출 특성," Transactions of KSAE, Vol. 12, No. 3, 2004.

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위신환, 민영대, 이종태, "냉각수 공급방식 및 국부적인 물통로의 형상 변화에 따른 냉각수 유동특성 및 연소실 벽면의 냉각효과," Transactions of KSAE, Vol. 11, No. 1, 2003.

원문보기 상세보기
이동균, 이교승, 이진호, "Numerical Analysis of 3-D Flow Field in the Engine Block Coolant Passage", SAE-99370048, 2003.
백경욱, 이상호, 조남효, "CFD 기법을 이용한 실린더헤드 가스켓홀 통과 유량의 최적화," 한국자동차공학회논문집, 제8권, 제5호, pp. 121-128, 2000.

원문보기 상세보기
오창석, 이재헌, 유택용, 신승용, 김우태, "분리냉각시스템을 도입한 신엔진의 연비향상 및 배기저감에 관한 실험적 연구," 한국자동차공학회 2002년도 춘계학술대회논문집, pp. 118-123, 2002.
Shoji Adachi, Kimihide Horio, Yoshikatsu Nakamura, Kazuo Nakano and Akihito Tanke, "Development of Toyota 1ZZ-FE Engine", SAE-981087, 1998.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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