180 bar 이상의 최대 폭발압과 높은 열부하를 가진 박용 디젤엔진의 분리형 피스톤은 크라운과 스커트를 각각 고강도 합금강과 연성주철을 사용한다. 피스톤의 피로설계를 위해서는 작용 하중, 표면조도 뿐만 아니라 온도영향에 의한 강도 저하를 고려해야 하며, 실린더 내부의 폭발력이 크라운을 거쳐 스커트에 전달되는 하중의 분율도 고려되어야 한다. 본 연구에서는 노치부의 피로강도 증분을 응력구배방법을 사용하여 고려하였으며, 열전달해석과 그에 따른 온도영향을 고려하였다. 하중 분율과 접촉압력은 공차해석을 통해 최적화하였으며, 프로타입 엔진에 대한 실차 시험을 통해 냉각 및 내구설계를 검증하였다.
180 bar 이상의 최대 폭발압과 높은 열부하를 가진 박용 디젤엔진의 분리형 피스톤은 크라운과 스커트를 각각 고강도 합금강과 연성주철을 사용한다. 피스톤의 피로설계를 위해서는 작용 하중, 표면조도 뿐만 아니라 온도영향에 의한 강도 저하를 고려해야 하며, 실린더 내부의 폭발력이 크라운을 거쳐 스커트에 전달되는 하중의 분율도 고려되어야 한다. 본 연구에서는 노치부의 피로강도 증분을 응력구배방법을 사용하여 고려하였으며, 열전달해석과 그에 따른 온도영향을 고려하였다. 하중 분율과 접촉압력은 공차해석을 통해 최적화하였으며, 프로타입 엔진에 대한 실차 시험을 통해 냉각 및 내구설계를 검증하였다.
A composite piston with a crown made of steel and a skirt made of NCI is used in a marine diesel engine, which has a maximum firing pressure of over 180 bar and a high thermal load. In the fatigue design of the composite piston, the fatigue is influenced by factors such as the load type, surface rou...
A composite piston with a crown made of steel and a skirt made of NCI is used in a marine diesel engine, which has a maximum firing pressure of over 180 bar and a high thermal load. In the fatigue design of the composite piston, the fatigue is influenced by factors such as the load type, surface roughness, and temperature; further, the distribution ratio of the firing force from the crown to the skirt is important for optimizing the design of the crown and skirt. In this study, the stress gradient method was used to consider the effect of the load type. The temperature field on the piston was predicted by cocktail-shaking cooling analysis, and influence of high temperature on fatigue strength was investigated. The load transfer ratio and contact pressure were optimized by design of the surface shape and accurate tolerance analysis. Finally, the cooling performance and durability design of the composite piston were verified by performing a long-term prototype test.
A composite piston with a crown made of steel and a skirt made of NCI is used in a marine diesel engine, which has a maximum firing pressure of over 180 bar and a high thermal load. In the fatigue design of the composite piston, the fatigue is influenced by factors such as the load type, surface roughness, and temperature; further, the distribution ratio of the firing force from the crown to the skirt is important for optimizing the design of the crown and skirt. In this study, the stress gradient method was used to consider the effect of the load type. The temperature field on the piston was predicted by cocktail-shaking cooling analysis, and influence of high temperature on fatigue strength was investigated. The load transfer ratio and contact pressure were optimized by design of the surface shape and accurate tolerance analysis. Finally, the cooling performance and durability design of the composite piston were verified by performing a long-term prototype test.
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문제 정의
본 연구에서는 박용 중속 디젤엔진에서 주로 사용되는 요동형 냉각 방식을 갖는 분리형 피스톤에 대한 열전달해석 및 구조해석을 통한 피로해석을 수행하였다.
제안 방법
경계 비선형 문제인 접촉해석을 위해 크라운과 스커트의 접촉면의 공차를 고려한 유한요소모델을 구성하고 접촉압력 및 slip을 살펴보았다. 접촉압력이 높고 slip량이 클 경우 프레팅 피로(fretting fatigue)에 의해 접촉면이 깨져 내마멸 성능을 떨어뜨릴 수 있기 때문에 엔진이 운전 중에 크라운과 스커트가 분리되지 않으면서 폭발하중을 견딜 수 있도록 적정한 수준에서 관리되어야 한다.
구조해석에서 변동응력과 평균응력이 계산되면 Fig. 3에 보이는 Haigh 선도에 넣어 평균응력이 있을 때 감소한 피로한도를 계산하고 이 값을 변동응력으로 나누어 주어 피로안전율을 계산하였다.
구조해석을 위한 유한요소모델에는 피스톤 어셈블리 외에 커넥팅 로드와 피스톤 핀을 포함하여 피스톤 핀과 커넥팅 로드의 변형에 의해 피스톤 스커트로의 불균일한 하중 전달을 고려하였다. 구조해석은 3개 단계로 나누었으며, 이전 단계의 응력과 변형을 유지한 상태에서 다음 단계의 하중의 가하는 비선형 해석을 수행하였다.
6은 분리형 피스톤의 구조해석을 위한 유한요소모델을 보여주며, 크라운과 스커트의 접촉면 형상 및 간극의 정의를 나타내었다. 구조해석을 위한 유한요소모델에는 피스톤 어셈블리 외에 커넥팅 로드와 피스톤 핀을 포함하여 피스톤 핀과 커넥팅 로드의 변형에 의해 피스톤 스커트로의 불균일한 하중 전달을 고려하였다. 구조해석은 3개 단계로 나누었으며, 이전 단계의 응력과 변형을 유지한 상태에서 다음 단계의 하중의 가하는 비선형 해석을 수행하였다.
연소실로부터 발생한 열은 크라운 상부로 전달되며, 이는 일반적으로 연소성능해석 결과를 사용하여 1 사이클 동안의 평균값인 가스 온도와 열전달계수를 사용하여 경계조건으로 적용한다. 본 연구에서는 연소성능해석을 통해 구해진 값을 사용하여 열전달해석을 수행한 후 시제품 제작 후 엔진 운전 중에 Vernolab사의 Templug를 사용하여 온도를 계측하였고, 이 값을 크라운 상면에 반경 방향으로 15 등분하여 적용하여 열전달해석을 통한 온도분포를 재계산하였다.
본 연구에서는 피스톤의 내구설계를 위해 요동형 냉각에 따른 피스톤의 열전달해석 및 온도 예측을 수행하였으며, 피스톤의 온도분포를 이용한 열응력 해석을 포함한 재료 및 접촉 비선형 구조해석을 통한 공차 설계를 수행하였다. 피스톤의 내구성은 구조해석으로부터 구한 응력을 사용하여 피로해석을 수행함으로써 시제품 제작 전 단계에서 검증하였으며, 시제품에 대한 내구성 시험을 통해 최종적인 내구설계를 확정하였다.
시제품 제작 후 Fujifilm사의 고압(HS, 30~130 MPa) 및 저압(LLLW, 0.2~0.6 MPa)용 Prescale film을 이용하여 접촉압력과 접촉 패턴을 살펴보았으며, 그 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 체결단계에서 내부 서포트 안쪽에서 접촉압력이 발생토록 하였으나, 실제로 바깥쪽이 먼저 접촉하는 것으로 나타나 가공단계에서 공차를 수정하여 개선하였다.
인장-압축 피로한도를 기준으로 응력구배 효과에 따른 피로한도를 구한 다음 표면조도계수와 온도계수를 곱하여 평가 지점의 평균응력이 없는 국부 피로한도를 계산하였다. 크라운과 스커트의 인장-압축 피로한도로 각각 405 MPa와 204 MPa을 사용하였다.
피스톤 크라운과 스커트의 응력은 고온에서 강도 저하를 고려한다 하더라도 모두 탄성영역에 놓이게 되며, 본 연구에서는 고주기 피로해석만을 수행하였다. 고주기 피로의 변동응력 성분은 폭발에 의해 발생하고 열부하에 의한 응력은 평균응력에 기여한다.
본 연구에서는 피스톤의 내구설계를 위해 요동형 냉각에 따른 피스톤의 열전달해석 및 온도 예측을 수행하였으며, 피스톤의 온도분포를 이용한 열응력 해석을 포함한 재료 및 접촉 비선형 구조해석을 통한 공차 설계를 수행하였다. 피스톤의 내구성은 구조해석으로부터 구한 응력을 사용하여 피로해석을 수행함으로써 시제품 제작 전 단계에서 검증하였으며, 시제품에 대한 내구성 시험을 통해 최종적인 내구설계를 확정하였다.
피스톤의 온도분포를 예측하기 위해 엔진 연소성능해석과 경험식을 적용한 뒤, 시제품의 온도 계측을 통해 그 신뢰성을 높였다. 계측된 온도가 피스톤 상면에서 모두 450 ℃ 미만으로 고온에 의한 부식 현상은 없을 것으로 나타났다.
대상 데이터
(3) 크라운의 재질은 SCM440이며, 스커트의 재질은 FCD700이다. 각 재질에 대한 기계적 성질은 Table 1에 나타낸 바와 같다.
평균응력의 영향을 고려하기 위해 인장 및 압축 평균응력에 따른 피로시험을 통해 얻을 수 있으며, 피로시험을 통해 Haigh 선도를 만들기 위해서는 응력비(stress ratio) R=-1지점 외에 R=0지점에서의 값이 필요로 한다. 본 연구에서 사용한 크라운의 재질인 SCM440과 스커트 재질인 FCD700의 Haigh 선도는 Fig. 3에 보이는 바와 같다.
인장-압축 피로한도를 기준으로 응력구배 효과에 따른 피로한도를 구한 다음 표면조도계수와 온도계수를 곱하여 평가 지점의 평균응력이 없는 국부 피로한도를 계산하였다. 크라운과 스커트의 인장-압축 피로한도로 각각 405 MPa와 204 MPa을 사용하였다.
데이터처리
5 는 열전달해석으로부터 계산된 피스톤의 온도분포와 계측 결과를 보여준다. 계측값과 해석 값은 피스톤의 중심을 기준하여 비교하였다. 열전달해석으로부터 얻어진 피스톤의 온도 중에 크라운의 온도가 피스톤의 냉각성능을 좌우하는 인자가 되며, 크라운에서 주요 온도 기준은 바울 림 끝단(bowl rim edge, 파란 원)에서 450℃ 미만, 피스톤 링 그루브(붉은 원)에서 150℃미만이 되어야 한다.
이론/모형
가장 적용하기에 애매한 피로영향계수는 하중계수로 기존의 방법(3)은 굽힘 또는 인장압축 하중 및 비틀림 하중으로 구분하여 초기 피로한도를 추정한다. 본 연구에서는 응력구배방법(stress gradient method)을 사용하여 하중의 영향을 평가하였다.(4) 응력구배방법은 식 (1)과 정의되는 것으로 인장압축 피로시험으로부터 얻어진 피로한도를 계측이나 구조해석을 통해 얻어진 2 개 지점 사이의 응력구배를 계산하여 응력구배가 크면 피로한도를 증가시키는 방법이다.
성능/효과
2(a)에 보이는 바와 같다.(4) FCD700이 SCM440보다 표면조도의 영향을 상대적으로 적게 받음을 알 수 있다. 따라서, 크라운은 가공 정도에 따라 피로강도의 증감을 크게할 수 있다.
피스톤의 온도분포를 예측하기 위해 엔진 연소성능해석과 경험식을 적용한 뒤, 시제품의 온도 계측을 통해 그 신뢰성을 높였다. 계측된 온도가 피스톤 상면에서 모두 450 ℃ 미만으로 고온에 의한 부식 현상은 없을 것으로 나타났다.
피스톤과 스커트의 접촉면에서의 접촉면압은 폭발하중이 작용할 때 접촉면 전체가 고루 접촉하여 최대 320 MPa의 접촉면압을 보여주었으며, 접촉에 의한 내마멸 성능은 지속적인 내구시험을 통해 검증할 예정이다. 구조해석을 통해 접촉면의 공차뿐만 아니라 형상도 결정할 수 있었다.
이 기준을 초과할 경우 냉각 갤러리 내부와 링 그루브에 윤활유 내부에 포함된 탄소가 침착(carbon deposit)이 발생하여 크라운의 고온 부식과 링 그루브의 과대 마모의 원인이 된다. 본 연구에서 바울 림 끝단과 링 그루브에서 예측된 온도는 각각 380℃와 140℃로 나타났다.
피로해석에서 예측된 크라운과 스커트의 최소 피로안전율은 각각 1.89 와 1.76 으로 강도 상 문제는 없을 것으로 판단하여 시제품을 제작하여 하여 내구시험을 수행하였으며, 엔진 회전수 900 rpm 기준으로 시간당 27,000 사이클의 폭발력이 작용하며 총 1,400 시간의 내구시험 후에도 안전성에 문제없는 것으로 나타나 본 연구에서 적용한 방법이 충분히 신뢰성을 갖는 것으로 판단하였다.
피스톤 링과 랜드에서 라이너로의 열전달은 전도이며 열저항 모델을 사용한 총합 열전달계수를 사용하며 여기에는 냉각수에 의한 실린더 라이너의 대류열전달을 포함한다. 피스톤 링과 랜드에 적용한 열전달계수는 각각 1,080 W/m2K와 387 W/m2K을 적용하였으며, 피스톤 링을 통한 전열량이 더 큼을 알 수 있다.
후속연구
피스톤과 스커트의 접촉면에서의 접촉면압은 폭발하중이 작용할 때 접촉면 전체가 고루 접촉하여 최대 320 MPa의 접촉면압을 보여주었으며, 접촉에 의한 내마멸 성능은 지속적인 내구시험을 통해 검증할 예정이다. 구조해석을 통해 접촉면의 공차뿐만 아니라 형상도 결정할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
분리형 피스톤은 무엇으로 구성되는가?
박용 디젤엔진에서 주로 사용되는 분리형 피스톤(composite piston)은 고온, 고압에 노출되는 크라운(crown)과 피스톤으로 전달된 폭발력을 피스톤 핀을 통해 커넥팅 로드로 전달하는 스커트(skirt), 크라운과 스커트를 조립하는 결합하는 볼트로 구성된다. 고온, 고압에 노출되는 크라운은 고강도의 저합금강(low alloy steel)을 사용하며, 폭발압력을 주로 받는 스커트는 높은 압축강도를 가지며 복잡한 형상 구현이 가능한 구상흑연주철(NCI, nodular cast iron)이 사용된다.
분리형 피스톤을 구성하는 구성품의 재질은 무엇인가?
박용 디젤엔진에서 주로 사용되는 분리형 피스톤(composite piston)은 고온, 고압에 노출되는 크라운(crown)과 피스톤으로 전달된 폭발력을 피스톤 핀을 통해 커넥팅 로드로 전달하는 스커트(skirt), 크라운과 스커트를 조립하는 결합하는 볼트로 구성된다. 고온, 고압에 노출되는 크라운은 고강도의 저합금강(low alloy steel)을 사용하며, 폭발압력을 주로 받는 스커트는 높은 압축강도를 가지며 복잡한 형상 구현이 가능한 구상흑연주철(NCI, nodular cast iron)이 사용된다.
박용 디젤엔진은 어떠한 조건에서 운전되는가?
박용 디젤엔진은 상용차(commercial vehicle)이나 발전용으로 쓰이는 엔진과 달리 엔진 회전속도가 600 ~ 1,200 rpm 미만에서 운전되며, 이러한 경우 피스톤의 냉각은 Fig. 1 에서 볼 수 있듯이 커넥팅 로드를 통해 공급된 윤활유를 피스톤으로 유입시켜 냉각 갤러리(cooling gallery)에 채우고 이를 상하 왕복운동에 따른 출렁이게 하여 냉각하는 요동형 냉각방식(cocktail-shaking)을 채택하고 있다.
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