엔진에 장착된 자동차용 연료펌프는 외부 및 내부 로터로 구성되어 있으며, 내부 로터는 입구로부터 연료를 흡입하여 출구로 배출한다. 본 연구에서는 로터가 장착된 연료펌프의 성능을 평가하기 위해 해석 및 시험을 수행하였다. 입출구 포트 각도가 0, 15, $30^{\circ}$에서 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 연료펌프의 유동 특성을 해석하였다. 가장 우수한 유동 특성을 가진 펌프를 결정한 후 진동 특성을 해석하였다. 그 결과 유량은 입출구 포트 각도가 $0^{\circ}$에서 191.0 LPH로 가장 우수하게 나타났으며, 진동은 0.866 $^m/s^2$으로 계산되었다. 진동 시험 결과를 통해 연구된 펌프가 기존의 펌프에 비해 작은 진동을 가지고 있음을 알 수 있었다. 그리고 두 펌프의 고유진동수들은 거의 일치하였다. 따라서 연구된 펌프의 성능이 우수하다는 것을 알 수 있었다.
엔진에 장착된 자동차용 연료펌프는 외부 및 내부 로터로 구성되어 있으며, 내부 로터는 입구로부터 연료를 흡입하여 출구로 배출한다. 본 연구에서는 로터가 장착된 연료펌프의 성능을 평가하기 위해 해석 및 시험을 수행하였다. 입출구 포트 각도가 0, 15, $30^{\circ}$에서 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 연료펌프의 유동 특성을 해석하였다. 가장 우수한 유동 특성을 가진 펌프를 결정한 후 진동 특성을 해석하였다. 그 결과 유량은 입출구 포트 각도가 $0^{\circ}$에서 191.0 LPH로 가장 우수하게 나타났으며, 진동은 0.866 $^m/s^2$으로 계산되었다. 진동 시험 결과를 통해 연구된 펌프가 기존의 펌프에 비해 작은 진동을 가지고 있음을 알 수 있었다. 그리고 두 펌프의 고유진동수들은 거의 일치하였다. 따라서 연구된 펌프의 성능이 우수하다는 것을 알 수 있었다.
The fuel pump mounted on the engine in the vehicle is consist of the outer and inter rotors, and which inhales fuel from the inlet port and supplies it to the outlet port. In this study, it is carried out the analysis and test of the fuel pump with rotors to evaluate its performance. It is analyzed ...
The fuel pump mounted on the engine in the vehicle is consist of the outer and inter rotors, and which inhales fuel from the inlet port and supplies it to the outlet port. In this study, it is carried out the analysis and test of the fuel pump with rotors to evaluate its performance. It is analyzed the flow characteristics of the fuel pumps with numerical simulation in their inlet-outlet angles of 0, 15, 30 degree. After it is determined whether it has the best flow characteristics, its vibration characteristics is analyzed. The flow rate of a pump in the inlet-outlet angles of 0 degree is 191.0 LPH(Liter per hour) which is the largest. and its vibration is calculated to be 0.866 $^m/s^2$. In the results of vibration test, it is known that the vibration of the research pump is smaller than that of the existing one. And the natural frequencies of two pumps is nearly same. Therefore it is known that the performance of the research pump is superior.
The fuel pump mounted on the engine in the vehicle is consist of the outer and inter rotors, and which inhales fuel from the inlet port and supplies it to the outlet port. In this study, it is carried out the analysis and test of the fuel pump with rotors to evaluate its performance. It is analyzed the flow characteristics of the fuel pumps with numerical simulation in their inlet-outlet angles of 0, 15, 30 degree. After it is determined whether it has the best flow characteristics, its vibration characteristics is analyzed. The flow rate of a pump in the inlet-outlet angles of 0 degree is 191.0 LPH(Liter per hour) which is the largest. and its vibration is calculated to be 0.866 $^m/s^2$. In the results of vibration test, it is known that the vibration of the research pump is smaller than that of the existing one. And the natural frequencies of two pumps is nearly same. Therefore it is known that the performance of the research pump is superior.
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문제 정의
본 연구에서는 연료펌프의 성능을 평가하기 위해 유동 및 진동 해석을 수행하였다. 유동 해석에서는 입출구 포트각이 각각 0, 15, 30°인 3가지 모델에서 유량과 그 맥동을 예측하였다.
제안 방법
0 LPH(Liter Per Hour)을 모두 만족하는지를 평가하였다. 3가지 모델 중에서 큰 유량을 가지면서 그 맥동이 적은 가장 만족할 만한 모델을 결정하였다. 진동 해석에서는 결정된 모델에서 발생되는 일정주기의 가속도 값을 예측하였다.
고유진동수 해석의 모델은 그림 4에서처럼 바닥면에 구속시키지 않았으며, 탄성계수 1.41× 106 MPa, 푸와송비 0.3, 밀도 7152 kg/㎥의 물성치를 부여하여 해석하였다.
유동 해석에서는 입출구 포트각이 각각 0, 15, 30°인 3가지 모델에서 유량과 그 맥동을 예측하였다. 그리고 그 유량값들이 요구 토출량 190.0 LPH(Liter Per Hour)을 모두 만족하는지를 평가하였다. 3가지 모델 중에서 큰 유량을 가지면서 그 맥동이 적은 가장 만족할 만한 모델을 결정하였다.
진동 해석에서는 결정된 모델에서 발생되는 일정주기의 가속도 값을 예측하였다. 그리고 기존의 펌프 A와 그 성능 개선을 위해 유동과 진동특성을 해석한 펌프 B의 진동 및 고유진동수 비교 시험을 통해 진동 성능 개선을 검증하였다. 따라서 자동차 연료펌프의 유동 및 진동 해석과 성능시험에 관한 연구를 통해 그 성능이 개선되었음을 알 수 있었다.
입출구 포트, 작동 유체, 내부 로터의 요소 수(element)는 각각 78300, 180540, 145962 개로 하였으며, 작동유체는 디젤유로 설정하였다. 그리고 내부 및 외부 로터의 회전속도는 각각 4800, 4325 rpm으로 설정하여 해석하였다.
시험에는 기존의 펌프A와 연구된 펌프B가 사용되었으며, 연료펌프에 공급되는 전원 조건 12, 13V에서 실시하였다. 그리고 작동유 미공급 상태인 악조건에서도 진동 성능을 확인하였다.
그림 10과 같이 암소음 14 dBA의 소음 반무향실 시험 환경에서 가속도계(Rion: PV-90B)를 연료 펌프의 본체에 부착한 후 주파수분석기(LMS Test Lab)로 진동시험하였다. 시험에는 기존의 펌프A와 연구된 펌프B가 사용되었으며, 연료펌프에 공급되는 전원 조건 12, 13V에서 실시하였다.
그림 13과 같이 축 및 반경의 2가지 방향에서 로터를 충격 가진하고, 방사되는 음압을 측정하여 고유진동수와 감쇠 계수를 계산하였다. 임팩트 헤머 및 콘덴서 마이크로폰을 사용하여 시험하였으며, 가속도 오버올(overall) 분석[12]을 통하여 고유진동수를 추출하였다.
대상제품을 유동 해석하기 위해 그림 2와 같이 입출구 포트각을 0, 15, 30°로 변화시켜 3가지 유형으로 모델링하였다.
본 연구에서는 자동차 연료펌프의 유동 및 진동특성 해석을 하였고, 기존의 펌프A와 연구된 펌프B의 비교 시험을 통해 성능을 검증하였다. 입출구 포트각 0, 15, 30°에서 유량과 그 맥동을 예측한 결과 포트각 0°에서 가장 만족할 만한 모델을 도출할 수 있었고 허용 유량값을 만족하였다.
유동 해석에서는 입출구 포트각이 각각 0, 15, 30°인 3가지 모델에서 유량과 그 맥동을 예측하였다.
대상제품을 유동 해석하기 위해 그림 2와 같이 입출구 포트각을 0, 15, 30°로 변화시켜 3가지 유형으로 모델링하였다. 유한요소 생성은 ANSYS ICEM CFD를 이용하였으며, 속도구배가 클 것으로 예상되는 작동유체의 경계층 부분은 요소분할(mesh) 층을 세밀하게 구성하였다. 입출구 포트, 작동 유체, 내부 로터의 요소 수(element)는 각각 78300, 180540, 145962 개로 하였으며, 작동유체는 디젤유로 설정하였다.
그림 13과 같이 축 및 반경의 2가지 방향에서 로터를 충격 가진하고, 방사되는 음압을 측정하여 고유진동수와 감쇠 계수를 계산하였다. 임팩트 헤머 및 콘덴서 마이크로폰을 사용하여 시험하였으며, 가속도 오버올(overall) 분석[12]을 통하여 고유진동수를 추출하였다.
3가지 모델 중에서 큰 유량을 가지면서 그 맥동이 적은 가장 만족할 만한 모델을 결정하였다. 진동 해석에서는 결정된 모델에서 발생되는 일정주기의 가속도 값을 예측하였다. 그리고 기존의 펌프 A와 그 성능 개선을 위해 유동과 진동특성을 해석한 펌프 B의 진동 및 고유진동수 비교 시험을 통해 진동 성능 개선을 검증하였다.
대상 데이터
대상제품은 자동차 뒤쪽 하부에 위치한 연료탱크에 부착된 연료펌프로서 그림 1과 같이 내부 및 외부 로터로 구성되어 있다.
그림 10과 같이 암소음 14 dBA의 소음 반무향실 시험 환경에서 가속도계(Rion: PV-90B)를 연료 펌프의 본체에 부착한 후 주파수분석기(LMS Test Lab)로 진동시험하였다. 시험에는 기존의 펌프A와 연구된 펌프B가 사용되었으며, 연료펌프에 공급되는 전원 조건 12, 13V에서 실시하였다. 그리고 작동유 미공급 상태인 악조건에서도 진동 성능을 확인하였다.
유한요소 생성은 ANSYS ICEM CFD를 이용하였으며, 속도구배가 클 것으로 예상되는 작동유체의 경계층 부분은 요소분할(mesh) 층을 세밀하게 구성하였다. 입출구 포트, 작동 유체, 내부 로터의 요소 수(element)는 각각 78300, 180540, 145962 개로 하였으며, 작동유체는 디젤유로 설정하였다. 그리고 내부 및 외부 로터의 회전속도는 각각 4800, 4325 rpm으로 설정하여 해석하였다.
진동 해석에 사용된 모델은 그림 3과 같으며, 내부 및 외부 로터와 이를 감싸고 있는 모터 케이스, 커버 등으로 구성되어 있다. 외부 커버 위에서 아래 방향으로 중력 방향을 작용시켰다.
성능/효과
그리고 개발된 펌프B의 최대진동 시험값 0.71 ㎨은 해석값 0.866 ㎨보다 작게 나타나며, 그 차이는 22.0%로 해석과 시험 조건들을 일치시키기 어렵다는 점을 고려해볼 때 비교적 우수한 해석 검증이 이루어졌다고 판단된다. 또한 그 시험값은 허용 가속도 1.
또한 펌프B의 진동 및 고유진동수 시험을 통하여 비교적 우수한 해석 검증이 이루어졌을 뿐 아니라 허용치 값을 만족하였다. 따라서 연료펌프의 성능을 결정하는 유량과 맥동, 최대 가속도, 그리고 고유진동수 관점에서 볼 때 연구된 펌프B의 성능이 우수하다는 것을 판단할 수 있었다.
그리고 기존의 펌프 A와 그 성능 개선을 위해 유동과 진동특성을 해석한 펌프 B의 진동 및 고유진동수 비교 시험을 통해 진동 성능 개선을 검증하였다. 따라서 자동차 연료펌프의 유동 및 진동 해석과 성능시험에 관한 연구를 통해 그 성능이 개선되었음을 알 수 있었다.
그리고 펌프B와 같은 구조물의 경우 반경방향으로 힘을 받으므로 그 방향의 1차 모드의 고유진동수가 큰 영향을 미친다. 따라서 해당 고유진동수 8258 ㎐는 표 2의 해석치 9140 ㎐와 10.7 %의 차이를 보이고 있어 해석과 시험 조건들을 일치시키기 어렵다는 점을 고려해 볼 때 비교적 우수한 해석 검증이 이루어졌다고 판단된다. 또한, 연료펌프 운전주파수 80 ㎐의 하모닉(harmonic) 성분과 일치하지 않으므로 공진은 일어나지 않는다고 판단된다.
0%로 해석과 시험 조건들을 일치시키기 어렵다는 점을 고려해볼 때 비교적 우수한 해석 검증이 이루어졌다고 판단된다. 또한 그 시험값은 허용 가속도 1.3 ㎨ 이내로, 우수한 진동 성능을 얻을 수 있었다.
또한 진동 해석을 통해 계산된 최대 가속도가 허용가속도 이내로 평가되었다. 또한 진동 시험에서는 본 연구에서 개발된 펌프B의 최대 진동값이 기존의 펌프A 보다 작게 나타나 그 성능이 우수하게 평가되었다. 고유 진동수 시험에서는 펌프B와 펌프A의 고유진동수가 동등한 수준을 가지고 있음을 알 수 있었다.
고유 진동수 시험에서는 펌프B와 펌프A의 고유진동수가 동등한 수준을 가지고 있음을 알 수 있었다. 또한 펌프B의 진동 및 고유진동수 시험을 통하여 비교적 우수한 해석 검증이 이루어졌을 뿐 아니라 허용치 값을 만족하였다. 따라서 연료펌프의 성능을 결정하는 유량과 맥동, 최대 가속도, 그리고 고유진동수 관점에서 볼 때 연구된 펌프B의 성능이 우수하다는 것을 판단할 수 있었다.
시험 결과 작동유 공급 유무에 관계없이 펌프 B의 최대 진동이 펌프A에 비해 작게 나타났다. 작동유 미공급 상태에서도 펌프B의 최대 진동은 0.
이 중 입출구 포트각 0°에서 시간당 유량과 그에 대한 맥동률은 각각 191.0 LPH, 5.6 %로 가장 우수한 결과가 도출되었다.
입출구 포트각 0, 15, 30°에서 유량과 그 맥동을 예측한 결과 포트각 0°에서 가장 만족할 만한 모델을 도출할 수 있었고 허용 유량값을 만족하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
자동차용 연료펌프는 어떻게 구성되어 있는가?
엔진에 장착된 자동차용 연료펌프는 외부 및 내부 로터로 구성되어 있으며, 내부 로터는 입구로부터 연료를 흡입하여 출구로 배출한다. 본 연구에서는 로터가 장착된 연료펌프의 성능을 평가하기 위해 해석 및 시험을 수행하였다.
Colbourne가 한 연구는?
Colbourne[1]은 내부 로터와 외부 로터의 접촉을 시뮬 레이션 하여 내부 로터 치형 형상에 대해 연구하였고, 내부 로터와 외부 로터의 치형 곡선으로 폐쇄되는 챔버(chamber)의 면적을 계산하였다. Sae-gusa[2] 등은 내부로터를 고정시키고 외부 로터를 회전시켜 외부 로터 치 형의 궤적을 구하였고, 내부 로터와 외부 로터의 물림 특성으로부터 내부 로터의 치형을 구하는 식을 유도하였다.
연료펌프(fuel pump)는 유량이 원활히 공급되어야 하며 진동으로 인한 성능저하가 방지되어야하기에 요구되는 것은?
내부 로터와 외부 로터로 구성된 자동차의 연료펌프(fuel pump)는 유량이 원활히 공급되어야 하며 진동으로 인한 성능저하가 방지되어야 한다. 따라서 큰 유량(flow rate)을 가지면서 그 맥동(pulsation)은 최소화되어야 한다. 그리고 연료의 흡․배출시 발생되는 진동도 억제되어야 한다.
참고문헌 (12)
Colbourne, J. R., "Gear Shape and Theoretical Flow Rate in Internal Gear Pump," Transactions of the CSME, Vol. 3, No. 4, pp. 215-223, 1975.
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Kim, C. H., Kim, D. I., Ahn, H. S. and Chong, T. H., "Analysis of Tooth Contact Stress of Gerotor Hydraulic Motors," Journal of KSTLE, Vol. 15, No. 2, pp. 164-170, 1999.
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