[논문]엔진오일에 물이 혼합될 때 터보챠져 저어널 베어링의 열유체윤활 해석

전상명

doi:10.7467/ksae.2012.20.1.131

엔진오일에 물이 혼합될 때 터보챠져 저어널 베어링의 열유체윤활 해석
Thermohydrodynamic Lubrication Analysis of Turbocharger Journal Bearing Involving the Mixture of Water within Engine Oil 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.20 no.1, 2012년, pp.131 - 140

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In this study, using the governing equation for thermohydrodyamic lubrication involving the homogeneous mixture of incompressible fluid derived by based on the principle of continuum mechanics, it is discussed the effects of water within engine oil on the performance of high speed journal bearing of a turbocharger. The governing equations are the general equations being able to be applied on the mixture of Newtonian fluid and non- Newtonian fluid. Here, the fluid viscosity index, n of power-law non-Newtonian fluid is supposed to be 1 for the application of the journal bearing in a turbocharger lubricated with the mixture of two Newtonian fluid, for example, water within engine oil. The results related with the bearing performance are shown that the bearing friction is to decrease and the side leakage and bearing load increase as increasing the water content in an engine oil.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

일반적으로 다른 액체 내의 한 유체의 액체방울의 거동과 같은 윤활유 바탕의 유상액 유동학은 매우 관심 있는 내용이다. 여러 가지 실험과 이론적 연구들이 W/O 유상액의 윤활 특성에 대한 이해를 돕기 위해 수행되었다.^2-4)
특히, 본 연구에서는 엔진 내에서 엔진오일에 물이 섞일 경우, 단순 비-뉴턴 유체에 관련된 멱법칙 유체점성의 지수n값을 1로 놓아, 이들 두 뉴턴유체의 혼합유체로 윤활 되는 터보챠져의 고속 저어널 베어링 윤활해석을 수치해석적으로 수행하여 베어링성능에 관계된 매개변수들의 변화에 대해 분석하고자 한다.

가설 설정

유체의 유체방울들이 완전히 다른 유체 내에 용해되어, 합성된 혼합액이 균질(homogeneous)인 성질을 띤 상태로 가정하면, 혼합 상태에서 화학적 반응이 일어나지 않고, 각 유체가 그 고유의 역학적 성질들을 유지한다는 가정을 할 수 있다. 이러한 혼합유체는 기저 유체에 균일하게 퍼져있는 유체 첨가물에 속하는 입자의 지름이 작게 축소된 경우이다.
유한 길이의 베어링 양쪽 측면에서의 압력은 대기 압력과 같다고 가정한다. 즉, 게이지압력으로 0이다.

제안 방법

또한 본 논문에서 취급된 온도관련 경계조건은 다음과 같다. 즉, 베어링과 축 벽면의 온도는 일정한 상태에서 베어링과 축 벽면으로의 열전달을 고려하였으며, 주입 홈의 온도는 주입유 온도와 원주 방향으로 재순환하여 돌아오는 재 순환유의 온도와의 혼합온도로 보았다. 순환유와 주입유의 혼합현상에 대한 개념도는 Fig.
베어링 내의 윤활 홈의 형태는 1개의 축방향 그루브 형태를 고려하였다. 한편 축의 속도는 10,000, 50,000rpm의2가지 경우를 고려하였다. 오일 내에 균질하게 혼합된 물은 유상액 상태로 존재한다고 보았으며, 유상액의 물성은 두 유체의 구성분량에 의해 합성되어 표현하였다.

이론/모형

나아가 뉴턴 유체 내에 첨가된 멱법칙 유체의 혼합물에 대해 연속방정식과 간소화된 Navier-Stokes 방정식을 유막두께 방향으로 적분하여 얻은 난류인자가 포함된 레이놀즈 방정식 형태의 무차원 방정식은 다음과 같다.⁹⁾
본 논문에서 오일에 물이 혼합되었을 때의 저어널 베어링 성능에 미치는 영향을 파악하기 위해 사용한 지배방정식은 기저 유체(base fluid)가 뉴턴 유체이고, 다른 유체는단순 비 뉴턴 유체인 경우의 일반적인 윤활방정식을 사용한다. 그리고 그 혼합 유체는 균질하다고 보았다.

성능/효과

1) 오일 내 수분함량이 증가할수록 베어링 내 혼합 유의 압력은 감소하였고, 온도는 증가하였다.
2) 또한 수분이 함유된 혼합유의 합성점도는 수분의 함량이 증가함에 따라 감소하였으며, 합성밀도와 합성비열은 증가하였다.
3) 오일 내 수분 함량이 증가하면 실 측면유량은 증가하였으며, 실 마찰력은 감소하였고, 실 하중은 저 회전 상태에서 크게 증가하였다. 한편, 축 회전수가 증가하면 실 측면유량과 실 마찰력은 증가하나, 실하중은 감소하였다.
즉, 극단적인 경우에 그 지름은 0에 가까워진다. 결과적으로 두 구성체 간에 저항력(drag force)에 의하여 특성 지어지는 상호작용 계수는 무한히 크게 나타날 것이다. 그러므로 각 구성체에 속한 유체 입자들은 혼합 영역 내의 각 지점에서 같은 속도를 가져야만 한다.
14에 도시된 바와 같이 무차원 측면유량은 축 회전수가 증가할수록 감소하였으나 실 유량은 회전수가 증가함에 따라 증가함을 보였다. 또한 측면유량은 물의 체적분율이 증가할수록 증가함을 보였다. 즉 무차원 측면유량은 10,000rpm에서는 수분이 없을 때 0.
베어링 무차원 마찰력 및 실 마찰력은 Fig. 15에 도시되었고, 수분함량이 많을수록 감소하였으며, 축 회전수가 증가할수록 무차원 마찰력은 감소하였으며, 실 마찰력은 증가하였다. 즉, 무차원 마찰력은 10,000rpm에서는 수분이 없을 때 9.
베어링 무차원 측면유량 및 실 유량은 Fig. 14에 도시된 바와 같이 무차원 측면유량은 축 회전수가 증가할수록 감소하였으나 실 유량은 회전수가 증가함에 따라 증가함을 보였다. 또한 측면유량은 물의 체적분율이 증가할수록 증가함을 보였다.
베어링 무차원 하중 및 실 하중은 Fig. 16에 도시된 바와 같이 축 회전수가 감소할수록 증가하였고, 저 회전수에서는 수분함량이 많을수록 증가하였으나, 고회전수에서는감소하였다. 즉, 무차원하중은 10,000rpm에서는 수분이 없을 때 0.
8에 도시되었다. 오일 내 수분의 체적분율이 증가함에 따라 혼합물의 밀도는 증가함을 보였다. 즉, 수분이 없을 때 최고밀도가755.
10에 도시되었다. 오일 내 수분의 체적분율이 증가함에 따라 혼합물의 비열은 증가함을 보였다. 즉, 수분이 없을 때 최저 비열이 2445.
2에 도시되었다. 오일 내 수분의 체적분율이 증가함에 따라 혼합물의 압력이 증가함을 보였다. 즉, 수분이 없을 때 최고 압력이 0.
4에 도시되었다. 오일 내 수분의 체적분율이 증가함에 따라 혼합물의 온도는 증가함을 보였다. 즉, 수분이 없을 때 최고 온도가 204.
12에 도시되었다. 저속보다 고속에서 최고 압력이 증가했으나, 수분 함량이 증가할수록 감소함을 나타냈다. 즉 50,000rpm에서는 수분이 없을 때 0.
저속보다 고속에서 최고 압력이 증가했으나, 수분 함량이 증가할수록 감소함을 나타냈다. 즉 50,000rpm에서는 수분이 없을 때 0.171MPa에서 수분이 25%일 때는 0.127MPa로 감소하였고, 반면 같은 수분함량 조건에서 10,000rpm에서는 0.067MPa에서 0.051MPa로 감소폭이 비교적 적었다. 또한 오일 혼합물의 수분 함량 및 베어링회전축의 속도에 따른 최고 온도의 변화는 Fig.
오일 내 수분의 체적분율이 증가함에 따라 혼합물의 압력이 증가함을 보였다. 즉, 수분이 없을 때 최고 압력이 0.171MPa이었던 것이 수분체적분율이 10% 및 25%일 경우에는 0.152 및 0.127MPa로 감소하였다. 이는 수분 증가로 점도가 감소하여 혼합물의 베어링 하중 지지능력이 감소했음을 말한다.

후속연구

향후 본 개발된 프로그램을 사용하여 엔진오일용 기유와 첨가제가 혼합되어 제조된 엔진오일의 성능을 기유성분과 첨가제성분의 물성만 가지고 미리 예측할 수 있는 방법을 연구하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차 엔진오일이 물과 섞이는 원인은 무엇인가?	자동차 엔진오일은 겨울철 결로 현상 및 냉각수 유입 등으로 물이 섞일 수있다. 이는오일에 분산된 물(W/O)의 형태로 전형적인 유상액(emulsion) 상태의 혼합물이 된다.
	엔진오일 내 물이 혼합된 경우 고의로 사용되는 이유는?	이와 같이 엔진오일 내 물이 혼합된 경우는 오염된 혼합물이나, 금속작업 등의 적용에서는 W/O 유상액은 화염저항력 때문에 고의로 사용 된다. 즉 비연소 합성액체가 광유보다 더 독성이 많고 더 비싸기 때문에 이러한 종류의 유상액에 관심을 갖는다.
	자동차 엔진오일과 물이 섞이면 어떻게 되는가?	자동차 엔진오일은 겨울철 결로 현상 및 냉각수 유입 등으로 물이 섞일 수있다. 이는오일에 분산된 물(W/O)의 형태로 전형적인 유상액(emulsion) 상태의 혼합물이 된다.

참고문헌 (17)

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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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