[논문]가변밸브 작동기구를 적용한 가솔린 기관의 잔류가스분율, 체적효율, 펌핑손실 예측을 위한 해석적 연구

조용석; 이성욱; 장익규; 박정권; 윤여빈; 박영준; 김현철; 나병철

가변밸브 작동기구를 적용한 가솔린 기관의 잔류가스분율, 체적효율, 펌핑손실 예측을 위한 해석적 연구
Numerical Analysis for Prediction of the Residual Gas Fraction, Volumetric Efficiency and Pumping Loss with Continuous Variable Valve Lift System in an SI Engine 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.18 no.2, 2010년, pp.7 - 13

조용석 (국민대학교 기계자동차공학부) , 이성욱 (국민대학교 기계자동차공학부) , 장익규 (국민대학교 자동차공학전문대학원) , 박정권 (국민대학교 자동차공학전문대학원) , 윤여빈 (국민대학교 자동차공학전문대학원) , 박영준 (국민대학교 자동차공학전문대학원) , 김현철 (자동차부품연구원) , 나병철 (자동차부품연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

To satisfy the needs on fuel economy and engine performance, continuous variable valve lift systems are applying to engines. In the CVVL system, fuel economy can be improved by reducing pumping loss during the induction process, and engine performance can be also improved by controlling volumetric efficiency and the residual gas fraction. Because the residual gas fraction directly affects volumetric efficiency, engine performance, combustion efficiency and emissions in SI engines, controlling residual gas fraction is one of the important things in engine development process. This analysis investigates the residual gas fraction and volumetric efficiency with changes of intake valve lifts and intake valve timings. In this study, unsteady state solutions were solved during exhaust and induction processes. Results show variation of the residual gas fraction and volumetric efficiency by changing intake valve timing and lift. Decreasing intake valve lift leads to increase the residual gas fraction and to decrease volumetric efficiency.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 가솔린 기관의 중속영역인 3000rpm에서 CFD를 이용하여 가변밸브기구를 적용한가솔린 기관에서 밸브양정 및 타이밍 변경에 따른 기관의 체적효율, 잔류 가스 분율, 펌핑손실을 예측하고자 하였다. 이를 위해 DOHC 가솔린 기관을 대상으로 밸브 및 피스톤의 움직임을 고려한 비정상상태에서의유동해석을 수행하였다.
본 연구에서는 해석적 기법을 통해, 가솔린 기관의 흡기 및 배기과정의 유동 및 신기/잔류가스의 혼합 특성을 분석하고자 하였다. 이를 위해 피스톤 및 밸브의 움직임을 고려하는 비정상 유동해석 및 다이나믹 메쉬 기법을 적용하였고, 배기 과정 동안 연소실 가스와 흡기를 통한 신기의 혼합을 해석하기 위한 질량 수송모델을 적용하였다.
이를 위해 피스톤 및 밸브의 움직임을 고려하는 비정상 유동해석 및 다이나믹 메쉬 기법을 적용하였고, 배기 과정 동안 연소실 가스와 흡기를 통한 신기의 혼합을 해석하기 위한 질량 수송모델을 적용하였다. 유동적 측면에서의 압력 분포 특성, 에너지 보존 법칙에 의한 열확산, 질량 보존에 의한 물질전달 특성을 고려하여 흡기및 배기 밸브 개폐시기 및 양정 변화에 따른 배기및 흡기 과정 특성을 분석하고자 하였다. 연구의 수치해석은 상용 코드인 FLUENT 6.

제안 방법

Time step size는 연소실과 포트의 압력차, 피스톤 속도, 밸브 양정을 고려하여, 유속에 따라0.025°CA에서0.5°CA까지 조절하였으며, 최대 5,200개의 time step에 대하여 계산하였다.
가솔린 기관의 중속 고부하 영역에서 연소실, 흡기관, 밸브 형상 및 피스톤과 밸브의 움직임을 구현하여, 밸브 개폐 시기 및 양정 변화에 따른 체적효율, 잔류가스분율, 펌핑손실 등을 예측하기 위하여 흡●배기과정 간 연소실 내부 유동해석을 진행하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
그러므로 WOT 조건에서의 낮은 펌핑손실을 유지하기 위해서 흡기밸브는 상사점 혹은 상사점 이전에 열려야 한다는 결론을 낼 수 있었다. 따라서 흡기밸브 양정 변경 시 흡기밸브 열림 시기는 잔류가스 분율, 체적효율 그리고 펌핑손실을 고려하여 상사점으로설정하였다.
흡·배기 포트의 곡면부는 사면체격자로 구성하였고, 밸브의움직임이 고려되는 영역에서는 육면체격자로 구성하였다. 또한 실린더 헤드 부분은 사면체격자로 구성하였고, 연소실과 피스톤의 접합부는 육면체격자와 프리즘격자로 구성하였다. 해석을 수행하기 이전에 격자만을 움직여 1°CA마다 사면체격자의 skewness가 0.
주요 경계조건 및 초기 조건을 Table 1에 나타내었다. 본 연구에서는 가변밸브기구 적용에 따른 펌핑손실 변화를 비교하기 위하여 WOT(Wide Open Throttle)조건에서 해석을 수행하였으며, 이때 흡기관 입구 압력은 0.9 bar로 설정하였다. 흡기밸브 개폐 시기는 흡기밸브 양정을 동일하게 한 조건에서 열림 시기를 변경하여 사용하였으며, 흡기밸브 양정은 흡기밸브 열림 시기가 동일한 조건에서 5.
본 연구에서는 흡기밸브의 양정이 9.2 mm인 조건에서 흡기밸브 열림시기 변경에 따른 잔류가스분율과 체적효율 그리고 펌핑손실을파악하였다.
수치해석을 위한 모델을 구성하기 위한 절차는 다음과 같다. 연소실 형상 데이터를 FLUENT 내 모델링 프로그램인 GAMBIT으로 불러들인 후 격자를 생성하였다. Half-cylinder 모델을 이용하였으며, 격자수는 상사점에서 약 10만개 정도이며, 하사점에서 약 16만개 정도이다.
본 연구에서는 가솔린 기관의 중속영역인 3000rpm에서 CFD를 이용하여 가변밸브기구를 적용한가솔린 기관에서 밸브양정 및 타이밍 변경에 따른 기관의 체적효율, 잔류 가스 분율, 펌핑손실을 예측하고자 하였다. 이를 위해 DOHC 가솔린 기관을 대상으로 밸브 및 피스톤의 움직임을 고려한 비정상상태에서의유동해석을 수행하였다.
본 연구에서는 해석적 기법을 통해, 가솔린 기관의 흡기 및 배기과정의 유동 및 신기/잔류가스의 혼합 특성을 분석하고자 하였다. 이를 위해 피스톤 및 밸브의 움직임을 고려하는 비정상 유동해석 및 다이나믹 메쉬 기법을 적용하였고, 배기 과정 동안 연소실 가스와 흡기를 통한 신기의 혼합을 해석하기 위한 질량 수송모델을 적용하였다. 유동적 측면에서의 압력 분포 특성, 에너지 보존 법칙에 의한 열확산, 질량 보존에 의한 물질전달 특성을 고려하여 흡기및 배기 밸브 개폐시기 및 양정 변화에 따른 배기및 흡기 과정 특성을 분석하고자 하였다.
잔류가스 분율과 체적효율을 계산하기 위하여 초기조건에서 연소실 및 배기포트 영역의 유체와 흡기관의 유체를 각각 지정하여 난류확산 방정식으로 기연가스와 신기의 혼합을 계산하였다. Time step size는 연소실과 포트의 압력차, 피스톤 속도, 밸브 양정을 고려하여, 유속에 따라0.
해석을 수행하기 이전에 격자만을 움직여 1°CA마다 사면체격자의 skewness가 0.85이하인 것을 확인한 이후 유동해석을 수행하였다.
9 bar로 설정하였다. 흡기밸브 개폐 시기는 흡기밸브 양정을 동일하게 한 조건에서 열림 시기를 변경하여 사용하였으며, 흡기밸브 양정은 흡기밸브 열림 시기가 동일한 조건에서 5.2~9.2 mm까지 1 mm 간격으로 변경하였다. Fig.

대상 데이터

연소실 형상 데이터를 FLUENT 내 모델링 프로그램인 GAMBIT으로 불러들인 후 격자를 생성하였다. Half-cylinder 모델을 이용하였으며, 격자수는 상사점에서 약 10만개 정도이며, 하사점에서 약 16만개 정도이다. Fig.

데이터처리

유동적 측면에서의 압력 분포 특성, 에너지 보존 법칙에 의한 열확산, 질량 보존에 의한 물질전달 특성을 고려하여 흡기및 배기 밸브 개폐시기 및 양정 변화에 따른 배기및 흡기 과정 특성을 분석하고자 하였다. 연구의 수치해석은 상용 코드인 FLUENT 6.3을 사용하였다. FLUENT에서 사용하는 지배방정식 및 난류모델을 간략히 요약하면 다음과 같다.

이론/모형

물질전달에 관한 난류확산 모델은 다음과 같은 Fick’s law에 근거한 모델을 적용하였다.

성능/효과

1) 흡기밸브 열림 시기를 지각시킬 경우 밸브 오버랩 구간의 증가로 흡기관으로의 기연가스 역류량이 감소하여 잔류가스양을 감소시킨다.
2) 흡기밸브 열림 시기를 진각시킬 경우 피스톤이 상향행정 중 흡기관으로 신기의 역류량을 감소시켜 체적효율을 증가시킨다.
기관 회전 속도에 맞는 흡기행정 간 밸브 양정을 변화하여 흡입되는 혼합기량을 늘리고, 밸브의 열림 시기를 제어하여 잔류 가스 분율을 조절하고 체적효율을 증가시키면 기관출력향상,연비 개선, 완전연소를 통한 유해배출물 저감이 가능하다.^2,3) 이러한 가변밸브 작동 기구는 기구의 형상이나 작동방식에 따라 밸브양정과 타이밍제어가 제한적이다. 따라서 실제 기술의 개발 단계에서 밸브양정과 열림시기의 제어범위를 설정하여 가변밸브 작동기구를 설계하는 것이 바람직하다.
3) 흡기밸브 개폐시기를 고정한 상태에서, 흡기밸브 양정만을 조절하여 잔류가스량은 크게 변하지 않으면서, 체적효율을 제어할 수 있다.
4) 스로틀 밸브와 가변 밸브 작동 기구를 이용하여 가솔린 기관의 출력을 조절하게 되면, 펌핑손실을 줄이고 체적효율과 잔류가스분율의 독립적인제어가가능하다.
7) 특히 흡기밸브 열림 시기가 ATDC 10°CA인 경우, 오버랩 구간이 매우 적어 펌핑손실이 매우 크게 증가한 것을 볼수 있다.
가솔린 기관의 중속 WOT 조건에서 흡기밸브의 양정이 9.2 mm일 때의 흡기밸브 열림 시기 변경에 따른 잔류가스 분율과 체적효율을 예측한 결과 밸브 오버랩 구간이 증가할수록 잔류가스의 양은 약간의 증가추세를 보이며, 체적효율은 흡기행정 말기에 흡기밸브 닫힘 시기의 변경으로 연소실에서 흡기포트로 역류하는 공기의 양이 변화함에 따라 영향을 받는다. 그러므로 WOT 조건에서의 낮은 펌핑손실을 유지하기 위해서 흡기밸브는 상사점 혹은 상사점 이전에 열려야 한다는 결론을 낼 수 있었다.
2 mm일 때의 흡기밸브 열림 시기 변경에 따른 잔류가스 분율과 체적효율을 예측한 결과 밸브 오버랩 구간이 증가할수록 잔류가스의 양은 약간의 증가추세를 보이며, 체적효율은 흡기행정 말기에 흡기밸브 닫힘 시기의 변경으로 연소실에서 흡기포트로 역류하는 공기의 양이 변화함에 따라 영향을 받는다. 그러므로 WOT 조건에서의 낮은 펌핑손실을 유지하기 위해서 흡기밸브는 상사점 혹은 상사점 이전에 열려야 한다는 결론을 낼 수 있었다. 따라서 흡기밸브 양정 변경 시 흡기밸브 열림 시기는 잔류가스 분율, 체적효율 그리고 펌핑손실을 고려하여 상사점으로설정하였다.
또한 흡기밸브 열림시기가 ATDC 10°CA로 지각된 경우 하사점근방에서 연소실로 유입된 공기의 질량이 낮은 것을 볼 수있으며, 이로 인하여 체적효율이 급격히 저하됨을 확인할 수 있다.
9는 밸브 양정 변화에 따른 연소실 내 압력변화를 나타내었고, Table 7은 밸브 양정 변화에 따른 PMEP의 변화를 나타내었다. 밸브 양정이 감소함에 따라 흡기 밸브의 통로면적이 줄어 펌핑손실이 다소 증가함을 확인할 수 있었다. 현재 해석 조건이 WOT인 상태로 흡기관의 압력이 높아 전체적인 펌핑손실이 낮게 형성됨을 알 수 있으며, 이는 가솔린기관의 출력조절을 스로틀 개도 뿐만 아니라 밸브 양정을 동시에 조절할 경우 흡입공기의 양을 제어하면서도 기관의 펌핑손실을 낮게 형성할 수 있음을 의미한다.
밸브 양정이 감소함에 따라 흡기 밸브의 통로면적이 줄어 펌핑손실이 다소 증가함을 확인할 수 있었다. 현재 해석 조건이 WOT인 상태로 흡기관의 압력이 높아 전체적인 펌핑손실이 낮게 형성됨을 알 수 있으며, 이는 가솔린기관의 출력조절을 스로틀 개도 뿐만 아니라 밸브 양정을 동시에 조절할 경우 흡입공기의 양을 제어하면서도 기관의 펌핑손실을 낮게 형성할 수 있음을 의미한다.
Table 5는 흡기밸브 양정 변경에 따른 잔류가스분율을 나타내었다. 흡기밸브 열림 시기를 상사점으로 고정하고 밸브 양정을 변경한 결과, 7.2 mm 이상의 양정의 경우 잔류가스분율에는 큰 차이를 보이지 않으나 그 이하의 경우 잔류가스분율이 다소 증가함을 알 수 있다. 이는 오버랩 구간이 작고 흡·배기관의 압력차가 크지 않아 잔류가스분율이 낮은 상태로 형성되어야 하나, 밸브 양정이 감소함에 따라 흡기밸브가 각각 하사점을 지난 직후에 닫히게 되면서 공기가 연소실로 유입되고 있는 도중에 흡기밸브가 닫혀 체적효율이 감소되고 잔류가스분율이 상대적으로 증가하는 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 기관 기술 개발의 추세는 무엇인가?	최근 기관 기술 개발의 추세는 정밀한 기관 제어를 통한 성능 향상과 동시에 유해배기배출물 저감에 관한 기술과 연비개선에 중점을 두고 있다. 기관의 출력은 연소실 체적효율과 마찰손실, 펌핑손실 등에 따라 영향을 받는다.
	가솔린 기관의 중속 고부하 영역에서 효율 등을 예측하기 위해 흡·배기과정 간 연소실 내부 유동해석을 진행한 결과는 무엇인가?	1) 흡기밸브 열림 시기를 지각시킬 경우 밸브 오버랩 구간의 증가로 흡기관으로의 기연가스 역류량이 감소하여 잔류가스양을 감소시킨다. 2) 흡기밸브 열림 시기를 진각시킬 경우 피스톤이 상향행정 중 흡기관으로 신기의 역류량을 감소시켜 체적효율을 증가시킨다. 3) 흡기밸브 개폐시기를 고정한 상태에서, 흡기밸브 양정만을 조절하여 잔류가스량은 크게 변하지 않으면서, 체적효율을 제어할 수 있다. 4) 스로틀 밸브와 가변 밸브 작동 기구를 이용하여 가솔린 기관의 출력을 조절하게 되면, 펌핑손실을 줄이고 체적효율과 잔류가스분율의 독립적인제어가가능하다.
	기관의 출력은 무엇에 따라 영향을 받는가?	최근 기관 기술 개발의 추세는 정밀한 기관 제어를 통한 성능 향상과 동시에 유해배기배출물 저감에 관한 기술과 연비개선에 중점을 두고 있다. 기관의 출력은 연소실 체적효율과 마찰손실, 펌핑손실 등에 따라 영향을 받는다. 체적효율은 기관의 형상, 기관회전속도, 밸브 이벤트에 의존하며, 가솔린 기관의 경우 펌핑손실에 의하여 연비가 저하된다.

참고문헌 (7)

T. Sugiyama, R. Hiyoshi, S. Takemura and S. Aoyama, "Technology for Improving Engine Performance using Variable Mechanisms," SAE 2007-01-1290, 2007.
S. Kiga, Y. Mae, Y. Akasaka and K. Tomogane, "Development of Innovative Variable Valve Event and Lift (VVEL) System," SAE 2007-01-3548, 2007.
H. B. Lee, H. Kwon and K. Min, "Effects of Various VVA Systems on the Engine Fuel Economy and Optimization of a CVVT-VVL SI Engine using 1D Simulation," Int. J. Automotive Technology, Vol.8, No.6, pp.675- 685, 2007.
J. Koo and C. Bae, "Effects of Variable Valve Timing Operation Modes on Engine Performance," Transactions of KSAE, Vol.9, No.6, pp.24-29, 2001.

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H. Temekes and J. L. Lumley, A First Course in Turbulence, The MIT Press, pp.50-73, 1972.
FLUENT Manual V.6.3, FLUENT Inc., 2006.
G. B. Parvate-Patil, H. Hong and B. Gordon, "An Assessment of Intake and Exhaust Philosophies for Variable Valve Timing," SAE 2003-32-0078, 2003.

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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