[논문]가솔린엔진 흡기매니폴드의 흡기유량 및 분배특성

염경민; 박성영

doi:10.5762/kais.2011.12.11.4718

가솔린엔진 흡기매니폴드의 흡기유량 및 분배특성
Intake-Air Flow and Distribution Characteristics of the Gasoline Engine Intake-Manifold 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.12 no.11, 2011년, pp.4718 - 4725

염경민 (공주대학교 기계자동차공학부) , 박성영 (공주대학교 공과대학 생산기술연구소)

초록
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본 연구는 성능 해석을 통하여 1600cc급 흡기매니폴드의 흡기유량 및 분배특성에 대한 연구를 수행하였다. 일차원 엔진 성능해석 프로그램과 3차원 유동해석프로그램을 이용하여 해석을 수행하였다. 흡기 매니폴드의 정상상태 유동해석을 수행한 결과, 일차원 유동해석과 3차원 유동해석의 유량계수 표준편차는 1% 미만으로 우수한 분배특성을 나타내었다. 일차원 해석 결과가 3차원 결과 대비 미소하게 증가된 결과를 보였지만 동등한 유량계수 경향성을 나타냈다. 비정상상태 해석은 분배특성 측면에서 정상상태 해석 결과와 유사한 결과를 보였으며, 정상상태 해석결과를 통한 비정상상태 분배특성의 예측이 가능함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Intake-air flow and distribution characteristics of the 1600cc gasoline engine intake manifold have been studied using the computer simulation. Simulation has been conducted using both one-dimensional performance simulation and three-dimensional CFD software. Steady state flow simulation result of the intake manifold shows good distribution characteristics that the standard deviation of flow coefficients is below 1.0 percentage for both one- and three-dimensional simulation. Even though one-dimensional simulation result slightly overestimates compared with three-dimensional simulation result, both results show very good agreement in flow coefficient trend. Also, unsteady state simulation result shows consistent distribution characteristics with that of steady state. It is shown that unsteady state distribution characteristics might be able to be predicted through the steady state mass distribution result.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 일차원 해석 결과의 신뢰성을 확인하기 위하여 3차원 상용 해석프로그램인 CD-adapco사의 Star-CD를 활용하여 동일한 모델 및 조건에서 정상상태 유동해석을 수행하였다. 러너별 질량유량의 분배특성을 고찰하기 위하여 공기만을 작동유체로 적용하였다.
본 연구에서는 해석을 통하여 하이브리드 차량에 적용되는 1600cc급 가솔린엔진 흡기매니폴드의 유량 및 분배 특성을 예측하고자 한다. 성능 해석은 일차원 성능해석 프로그램인 GT-Power를 사용하였다[4].
비정상상태의 흡기유동 및 EGR 분배특성을 예측하기위하여 일차원 가솔린엔진 모델을 개발하였으며, 개발된 모델을 활용하여 비정상상태의 EGR 분배특성을 분석하였다. 이러한 정상 및 비정상상태의 분석을 통하여 정상상태 모델의 유용성을 확인하고자 하였다.

가설 설정

유동이 흐르지 않은 러너는 막힌 벽면으로 설정하였다. 본 연구에서는 표 1에 표기한 바와 같이, 흡기매니폴드 입구압력과 출구 압력의 차이를 절대압력기준 2.5 kPa로 설정하였다.

제안 방법

5를 적용하여 해석을 수행하였다. EGR을 적용한 비정상상태 해석조건은 EGR율 10%를 적용하였다. 이때 EGR율은 한 사이클에 흡입된 배기가스 질량(m_EGR)과 흡입총질량(m_IN)의 비로 정의된다[7].
비정상상태의 유동해석은 EGR이 공급되는 경우와 공급되지 않는 경우에 대하여 해석을 수행하였다[6]. 두 경우 모두, 해석 조건은 엔진 회전수 2000RPM, 공연비 12.5 및 압축비 10.5를 적용하여 해석을 수행하였다. EGR을 적용한 비정상상태 해석조건은 EGR율 10%를 적용하였다.
85mm의 최대 밸브리프트와 242℃A의 열림구간을 가진다. 또한 기통의 점화순서는 일반적인inline 4기통 엔진에서 적용되는 1-3-4-2순으로 연소가 진행되도록 하였으며 부하조건은 전부하(Wide Open Throttle)조건을 사 용하였다.
본 연구에서는 일차원 해석 결과의 신뢰성을 확인하기 위하여 3차원 상용 해석프로그램인 CD-adapco사의 Star-CD를 활용하여 동일한 모델 및 조건에서 정상상태 유동해석을 수행하였다. 러너별 질량유량의 분배특성을 고찰하기 위하여 공기만을 작동유체로 적용하였다. 정상상태 해석을 위한 GT-Power 일차원 모델과 Star-CD 3차원 모델은 각각 그림 3 및 4와 같다.
본 연구는 일차원 엔진 성능해석 프로그램과 3차원 유동해석프로그램을 이용하여 흡기매니폴드의 분배특성 및 EGR 분배특성을 파악하였다. 흡기 매니폴드의 정상상태 유동해석을 수행한 결과, 일차원해석에서 유량계수의 표준편차는 0.
본 연구에서는 초기값을 시작으로 수렴 될 때까지 반복 계산을 진행하는 방식의 수렴조건을 사용하였다. 해석을 수행할 때에는 각 사이클에서의 변화를 세밀히 관찰하여 수렴의 여부를 결정 하여야 한다.
비정상상태의 유동해석은 EGR이 공급되는 경우와 공급되지 않는 경우에 대하여 해석을 수행하였다[6]. 두 경우 모두, 해석 조건은 엔진 회전수 2000RPM, 공연비 12.
GT-Power를 통하여 획득된 흡기매니폴드의 일차원 정상유동 결과를 3차원 해석결과와 비교하였다. 비정상상태의 흡기유동 및 EGR 분배특성을 예측하기위하여 일차원 가솔린엔진 모델을 개발하였으며, 개발된 모델을 활용하여 비정상상태의 EGR 분배특성을 분석하였다. 이러한 정상 및 비정상상태의 분석을 통하여 정상상태 모델의 유용성을 확인하고자 하였다.
여러 가지 상태량 계산을 모두 수렴시키기 위해 최소 10사이클, 최대 200사이클로 수렴조건을 부여하였으며, 엔진의 운전상태가 정상 상태(Steady state)로 진입하여 오차가 1.0×10-4이내의 범위에 들어오도록 총괄적인 수렴조건을 설정하였다.
정상상태 해석은 실제 양산차 업체에서 수행하는 흡기 매니폴드 시험조건과 동일한 조건으로 수행하였다. 정상상태 시험조건은 플로우 테스트리그에서 4개의 러너 중에서 대상이 되는 하나의 러너 출구만을 개방한 상태에서 일정 압력조건을 적용하여 수행된다. 유동이 흐르지 않은 러너는 막힌 벽면으로 설정하였다.
정상상태 해석은 실제 양산차 업체에서 수행하는 흡기 매니폴드 시험조건과 동일한 조건으로 수행하였다. 정상상태 시험조건은 플로우 테스트리그에서 4개의 러너 중에서 대상이 되는 하나의 러너 출구만을 개방한 상태에서 일정 압력조건을 적용하여 수행된다.
그림 4는 3차원 유동해석을 위하여 계산격자를 형성한 그림을 보여주고 있다. 총 계산격자의 수는 약 25만개이며, 벽면 근처의 해석 정밀도 향상을 위하여 다수의 prism-layer를 비선형으로 적용하였다. 난류모델은 Standard k-ε모델을 사용하였으며, 벽면은 단열조건을 적용하였다.
해석을 수행할 때에는 각 사이클에서의 변화를 세밀히 관찰하여 수렴의 여부를 결정 하여야 한다. 해석결과의 수렴 조건으로는 엔진의 사이클을 기본단위로 하여 최대 및 최소 엔진 사이클 수를 지정하였다. 여러 가지 상태량 계산을 모두 수렴시키기 위해 최소 10사이클, 최대 200사이클로 수렴조건을 부여하였으며, 엔진의 운전상태가 정상 상태(Steady state)로 진입하여 오차가 1.

대상 데이터

본 연구에서 개발된 GT-Power 모델은 배기량 1600cc 급 직렬 4기통 가솔린 엔진과 엔진에 적용되는 자연흡기 방식의 흡기매니폴드이다. 형상은 그림 1과 같이 트로틀 밸브가 장착되는 입구부와 각각의 흡기포트로 연결되는 네 개의 러너로 구성되어 있다.
그림 5(a)는 정상상태 해석을 위한 가솔린엔진의 개략도를 보여주고 있으며, 이를 일차원 모델로 전환한 GT-Power모델을 그림 5(b)에 보여주고 있다. 해석의 대상이 되는 엔진은 4개의 실린더를 가지는 1600cc급 가솔린엔진이다. 전자식 포트 연료분사방식을 적용하고 있으며, 트로틀 밸브에 의해 공기량이 제어된다.

데이터처리

성능 해석은 일차원 성능해석 프로그램인 GT-Power를 사용하였다[4]. GT-Power를 통하여 획득된 흡기매니폴드의 일차원 정상유동 결과를 3차원 해석결과와 비교하였다. 비정상상태의 흡기유동 및 EGR 분배특성을 예측하기위하여 일차원 가솔린엔진 모델을 개발하였으며, 개발된 모델을 활용하여 비정상상태의 EGR 분배특성을 분석하였다.

이론/모형

난류모델은 Standard k-ε모델을 사용하였으며, 벽면은 단열조건을 적용하였다.
본 연구에서는 해석을 통하여 하이브리드 차량에 적용되는 1600cc급 가솔린엔진 흡기매니폴드의 유량 및 분배 특성을 예측하고자 한다. 성능 해석은 일차원 성능해석 프로그램인 GT-Power를 사용하였다[4]. GT-Power를 통하여 획득된 흡기매니폴드의 일차원 정상유동 결과를 3차원 해석결과와 비교하였다.
전자식 포트 연료분사방식을 적용하고 있으며, 트로틀 밸브에 의해 공기량이 제어된다. 해석을 위한 연소모델은 범용적인 가솔린엔진의 연소모델인 Spark-Ignition Wiebe 모델을 사용하였다[4]. 해석에 사용된 가솔린 엔진의 제원은 표 2에 나타내었다.

성능/효과

4%이다. 두 결과 모두 만족스러운 흡기공기의 분배성능을 예측하고 있으며 러너간의 편차는 우수한 수준이다. 이때 유량계수의 표준편차는 유량 계수 평균치를 기준으로 다음 식으로 정의하였다.
일차원 해석결과가 3차원 해석결과 대비 약 5% 우세하게 나타나 있는데, 이는 일차원 모델링으로 인한 유동손실부분의 일부가 누락되었기 때문으로 판단된다. 두 결과 모두, 1번 러너의 유량계수가 가장 우수하였고, 상대적으로 4번 러너의 유량계수가 열세임을 확인하였다. 4번 러너의 유량계수가 열세인 이유는 트로틀 밸브 입구부에서 러너 입구부로 이어지는 유동의 곡률이 타 러너 대비 매우 급격하기 때문이다.
일차원 해석 결과가 3차원 결과 대비 약 5%정도 과도한 결과를 보였지만 유사한 유량 분배 경향을 나타냈다. 미소하지만 1번 러너의 유량계수가 가장 우수하였으며, 4번 러너가 상대적으로 가장 열세였다. 4번 러너의 유량계수가 열세인 이유는 트로틀 밸브 입구부에서 러너 입구부로 이어지는 유동의 곡률이 매우 급격하기 때문이다.
비정상상태 유동을 분석한 결과, 유동의 분배율은 표준편차 2% 미만의 양호한 분배특성을 보였다. 비정상상태 및 정상상태의 결과는 경향성과 기통별 편차에서 유사한 결과를 예측하고 있으며, 정상상태의 해석결과를 통한 비정상상태의 분배특성 예측의 가능성을 보여주고 있다.
이상과 같이 정상상태와 비정상상태의 분배특성분석 결과를 종합하면, 정상상태의 분배특성 예측 결과가 비정상상태의 예측결과와 경향성 측면과 기통별 분배율 면에서 상당히 유사한 특성을 보이고 있음을 알 수 있다. 이러한 결과는 단순한 정상유동의 해석으로도 비정상유동의 분배특성에 대한 예측이 가능할 수 있음을 보여주고 있다.
4%로 우수한 분배특성을 나타내었다. 일차원 해석 결과가 3차원 결과 대비 약 5%정도 과도한 결과를 보였지만 유사한 유량 분배 경향을 나타냈다. 미소하지만 1번 러너의 유량계수가 가장 우수하였으며, 4번 러너가 상대적으로 가장 열세였다.
2%였으며, 엔진 적용에 문제없는 수준이다. 특히 정상상태 해석에서 가장 열세였던 4번 러너로의 흡기공기량이 비정상상태의 엔진 구동에서는 양호하게 나타났다.
본 연구는 일차원 엔진 성능해석 프로그램과 3차원 유동해석프로그램을 이용하여 흡기매니폴드의 분배특성 및 EGR 분배특성을 파악하였다. 흡기 매니폴드의 정상상태 유동해석을 수행한 결과, 일차원해석에서 유량계수의 표준편차는 0.7%이며, 3차원해석에서 유량계수의 표준편차는 0.4%로 우수한 분배특성을 나타내었다. 일차원 해석 결과가 3차원 결과 대비 약 5%정도 과도한 결과를 보였지만 유사한 유량 분배 경향을 나타냈다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	EGR 기술은 어떤 기능을 위해 도입되었는가?	질소산화물을 감소시키기 위하여 연소온도를 낮추게 되면 연소성능과 연비를 저하시키는 문제가 발생한다. 엔진의 연소성능과 연비 저하를 최소로 하면서 질소산화물을 저감시키기 위 하여 도입된 기술이 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 기 술이다[1].
	본 연구에서 개발된 GT-Power 모델의 특징은?	본 연구에서 개발된 GT-Power 모델은 배기량 1600cc 급 직렬 4기통 가솔린 엔진과 엔진에 적용되는 자연흡기 방식의 흡기매니폴드이다. 형상은 그림 1과 같이 트로틀 밸브가 장착되는 입구부와 각각의 흡기포트로 연결되는 네 개의 러너로 구성되어 있다.
	정상상태의 흡기 유량계수가 엔진에 장착 되어서 작동할 때의 비정상상태의 성능특성을 대표하지는 못하는 이유는?	정상상태의 흡기 유량계수는 흡기매니폴드들의 성능 을 비교할 수 있는 유용한 무차원 계수이나, 엔진에 장착 되어서 작동할 때의 비정상상태의 성능특성을 대표하지는 못한다. 흡기매니폴드가 엔진에 장착되면 공기의 관성 효과, 맥동효과 및 공명효과가 종합적으로 작용하기 때문 이다. 따라서 엔진운전 상태의 성능 파악을 위해서는 흡기 및 배기밸브가 열리고 닫히는 효과를 적용할 수 있는 비정상상태의 엔진 모델이 필요하다.

참고문헌 (7)

J. Kim, et al., "The Flow and Distribution Characteristics for Various Configurations of Individual EGR Supply System", KSAE 2005 Fall, KSAE05-F0003, pp.15 -21, 2005.
C. Park, et al., "A Study on Application of On/Off Type EGR and Optimal EGR Rate for Gasoline-Hybrid Engine", Transactions of KSAE, Vol. 16, No. 4, pp.143-150, 2008.
C. Kim, et al., "A Study for Distribution of Gasoline Engine Using CFD", KSAE 2006 Fall, KSAE06-F0016, pp.106-111, 2006.
Gamma Technologies, "GT-Power User's Manual version 7.0", 2010.
Y. Kang, et al., "Shape Optimization of Intake Manifold for Improving the EGR Distribution by Using Computational Fluid Dynamics in Diesel Engine", KSAE 2008, KSAE08-S0067, pp.410-415, 2008.
N. Park, et al., "Coupled 1-D/3-D Analysis of Cylinder -to-Cylinder EGR Distribution of Intake Manifolds in a HSDI Diesel Engine", KSAE 2004 Spring, KSAE04 -S0071, pp.441-446, 2004.
J. B. Heywood, "Internal Combustion Engine Fundamentals", McGraw Hill, 1988.

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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