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문제 정의
- 본 연구의 목표는 해석과 실험에 의한 최적화를 통하여 비순정품 머플러의 고질적인 문제점인 압력손실을 최소화하고, 소음 및 진동 부문에서 개선된 새로운 모델을 제시하는데 있다.
- 천공의 갯수는 90개로 한정하였으며 지름4mm의 9×10열로 가공되었다. 이러한 천공 배치의 변경은 최적화된 형상에서 추가적인 소음 효과 유무를 파악하기 위한 것이다.
가설 설정
- 머플러 내부의 배기가스 유동은 정상 상태의 난류유동으로 가정하였으며, 난류 모델은 표준 -ε 모델을 사용하였다[13].
제안 방법
- 본 연구에서는 그림 1의 3-D 모델을 직접 적용하여 유동해석을 수행하였다. SolidWorks의 통합 환경을 지원하는 유동해석 소프트웨어(FloWorks)를 사용하였으며[13], 약 30만 개의 유체 계산격자를 구성하여 유동 해석을 수행하였다.
- 머플러 내부의 배기가스 유동은 정상 상태의 난류유동으로 가정하였으며, 난류 모델은 표준 -ε 모델을 사용하였다[13]. 아이들 엔진 조건인 700rpm과 최고 빈도 운전조건인 2000rpm 그리고 최대출력 엔진 회전 수인 6000rpm에 대한 해석을 진행하였다. 각각의 엔진 운전조건에서 체적효율을 100%로 가정하여, 0.
- 아이들 엔진 조건인 700rpm과 최고 빈도 운전조건인 2000rpm 그리고 최대출력 엔진 회전 수인 6000rpm에 대한 해석을 진행하였다. 각각의 엔진 운전조건에서 체적효율을 100%로 가정하여, 0.01kg/s, 0.03kg/s, 0.09kg/s의 질량유량을 입구조건으로 적용하였다. 이때의 배기가스 온도는 500K으로 설정하였으며 출구부는 대기압 조건으로 설정하였다.
- 이는 일정 수렴기간동안 목표치의 최대값과 최소값의 차로서 정의되는 분산값을 계산하여 수렴의 여부를 결정하는 방식이다. 본 연구에서는 출구의 질량 유동율, 정압력을 목표치로 설정하여 수렴 조건을 제어하였다.
- 소음해석은 Gamma Technology사의 상용 소프트웨어(GT-Power)를 사용하여 전달손실(Transmission Loss, TL)을 계산하였다[14]. 전달손실은 소음기에 입사된 음향파워레벨(Sound power level)에서 하류의 음향파워레벨을 뺀 값이며, 그림 2는 전달손실의 개념도를 보이고 있다.
- 그림 3은 머플러의 소음 해석을 위한 1-D 모델을 보이고 있다. GT-Power 내의 모델링 툴인 GT-Muffler를 통해 모델링을 수행하였으며 GT-ISE 6.2를 통해 맵핑과 성능 해석을 수행하였다.
- 해석결과를 검증하기 위하여 각 모델의 시제품을 제작하고 실험적 연구를 수행하였다. 그림 4는 그림 1의 모델을 기준으로 제작된 시제품의 내부 형상을 보여주고 있다.
- 그림 5는 압력강하량 측정을 위한 실험장치의 개략도이다. 일정 유량을 제어, 공급할 수 있는 Flow-System 을 이용하여 유동해석의 입구 경계조건과 동일한 유량을 공급하면서 입구부와 출구부의 압력차이를 마노미터를 통하여 측정하였다. 이때 사용한 Flow-system은 슈퍼차져와 유량계로 구성되어 있으며, 인버터로 수퍼차져와 연결된 모터의 회전수를 제어하여 일정 유량을 공급하였다.
- 이때 유량측정은 KC-MASS 사의 KC-2110S 유량계를 사용하였다. 제어 유량값은 체적유량 30, 60, 90, 120 및 150 Nm3/h로 실험을 수행하였다.
- 소음과 진동 실험은 머플러의 탈․부착이 용이하도록 차량용 리프트를 이용하여 실차에 장착 후 진행하였다. 그림 6은 차량의 소음 및 진동 측정 장치의 개략도를 보여주고 있다.
- 머플러의 소음은 KS표준인 KSR 1045에 의거하여 측정하였으며, 소음측정기(Digital Sound Level Meter AR824)를 사용하였다. 진동측정은 3축 가속도센서와 Data Acquisition system을 사용하여 머플러의 가속도 성분을 측정하였다. 소음 및 진동 실험은 아이들 상태(700rpm) 및 2000rpm에서 3회 반복 실험하여 평균값을 분석하였다.
- 진동측정은 3축 가속도센서와 Data Acquisition system을 사용하여 머플러의 가속도 성분을 측정하였다. 소음 및 진동 실험은 아이들 상태(700rpm) 및 2000rpm에서 3회 반복 실험하여 평균값을 분석하였다.
- 1500cc 가솔린 엔진에 장착되는 머플러의 배기가스 유동해석, 소음 해석, 배압 실험 및 실차 실험을 통하여 신규 비순정품 머플러 모델을 제안하였으며, 다음과 같은 결론 및 효과를 얻을 수 있었다.
- 1) 동등한 흡음효과를 가지면서, 우수한 압력강하량을 가지는 비순정품 머플러 모델을 개발하였다. 제안된 신규 머플러는 엔진의 고속 운전조건에서 기존 제품대비 50%이상의 압력강하량 저감 효과를 가진다.
대상 데이터
- 천공의 갯수는 90개로 한정하였으며 지름4mm의 9×10열로 가공되었다.
- 본 연구의 개발 대상이 되는 머플러는 1500cc 가솔린 엔진에 장착되는 비순정품이다. 비순정품은 경험에 의존하여 개발하는 경우가 다수이며, 국내에서는 그 해석과 평가가 미흡한 실정이다.
- 그림 1은 본 연구의 대상이 되는 1500cc급 자동차 머플러의 3-D 모델이다. 특히, (a)의 베이스 모델은 현재 생산되어 시중에 판매되고 있는 제품이다.
- 그림 4는 그림 1의 모델을 기준으로 제작된 시제품의 내부 형상을 보여주고 있다. 각 모델별 3개의 시제품을 제작하여 실험을 수행하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 그림 1의 3-D 모델을 직접 적용하여 유동해석을 수행하였다. SolidWorks의 통합 환경을 지원하는 유동해석 소프트웨어(FloWorks)를 사용하였으며[13], 약 30만 개의 유체 계산격자를 구성하여 유동 해석을 수행하였다.
- 수렴 조건은 FloWorks에서 제공되는 자동 목표치 수렴방식을 사용하였다. 이는 일정 수렴기간동안 목표치의 최대값과 최소값의 차로서 정의되는 분산값을 계산하여 수렴의 여부를 결정하는 방식이다.
- 그림 6은 차량의 소음 및 진동 측정 장치의 개략도를 보여주고 있다. 머플러의 소음은 KS표준인 KSR 1045에 의거하여 측정하였으며, 소음측정기(Digital Sound Level Meter AR824)를 사용하였다. 진동측정은 3축 가속도센서와 Data Acquisition system을 사용하여 머플러의 가속도 성분을 측정하였다.
성능/효과
- 그림 7은 본 연구에서 제안하는 머플러 모델의 유동해석 결과인 유선과 압력 강하량을 보여주고 있다. 실험에 적용된 엔진운전 조건 모두에서 베이스모델 대비 제안된 모델의 압력강하량이 감소하였음을 확인할 수 있고, 이는 제안된 모델들의 유동 조건이 개선되었음을 나타낸다. 특히, P-2 모델이 가장 낮은 압력강하량을 보였으며, P-1 모델, P-3 모델 순으로 압력강하량이 증가한다.
- 본 연구에서 소음해석을 위하여 사용한 상용 소프트웨어는 절대적인 음압을 예측하기보다는 소음 저감특성을 분석하는 상대적인 비교에 유용하다. 전달손실 분석에서 아이들 상태는 0∼300Hz에서의 성능이 일반적으로 비교된다.
- 300Hz ∼ 500Hz에서 기존 비순정품 머플러와 P-3 모델이 유사한 전달손실 값의 크기를 보이고 있다. 전달손실의 관점에서 볼 때, 제안된 신규 사양이 아이들시의 소음을 악화시키지 않음을 알 수 있다.
- 그림 9는 압력강하량 실험 결과와 해석치의 비교를 보여주고 있다. 유량이 증가할수록 압력 강하량이 증가하며, 각 제안모델에서 비순정품 머플러대비 40~60% 압력강하량 저감효과를 보인다. 이는 압력강 하량 측면에서 제안모델의 내부 구조가 비순정품 머플러보다 우수함을 알 수 있다.
- 약 75, 280 및 400Hz 근처에서 가속도 성분이 증가함을 알 수 있다. 각 영역으로 나누어 살펴보면, 그림 11(a)영역의 최대값에서 베이스모델 대비 P-3 모델이 약 3배의 값을 보이며, P-1, P-2 모델은 절반 이하의 값을 보이고 있다. 이와 같이 P-3 모델이 낮은 주파수에서 큰 진폭으로 진동하는 것은 입구로부터 2번째 격벽사이 공간이 천공없이 폐쇄되어 엔진 배기가스의 압력펄스를 머플러 외부로 직접 전달하기 때문인 것으로 판단된다.
- 이와 같이 P-3 모델이 낮은 주파수에서 큰 진폭으로 진동하는 것은 입구로부터 2번째 격벽사이 공간이 천공없이 폐쇄되어 엔진 배기가스의 압력펄스를 머플러 외부로 직접 전달하기 때문인 것으로 판단된다. 그림 11(b)영역에서 베이스모델의 최대값이 각 제안모델에서 80%이상 감소하였다. 이는 머플러 입구 파이프를 이분화하면서 입구로부터 2번째 와 4번째 공간으로 배기가스의 압력펄스가 분산되기 때문인 것으로 판단된다.
- 1) 동등한 흡음효과를 가지면서, 우수한 압력강하량을 가지는 비순정품 머플러 모델을 개발하였다. 제안된 신규 머플러는 엔진의 고속 운전조건에서 기존 제품대비 50%이상의 압력강하량 저감 효과를 가진다. 이는 엔진의 배기저항을 감소시켜 출력 성능을 향상시킬 것으로 판단된다.
- 2) 가속도 성분을 분석한 결과, 압력펄스에 기인하여 진동을 발생시키는 폐쇄된 공간을 배제하고 입구파이프를 이분화하는 것이 진동을 감쇠하는데 유리한 것으로 판단된다. 이를 적용한 P-1 모델은 270∼300Hz 영역에서는 기존의 모델대비 80%이상의 감쇠효과를 나타내었다.
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