[논문]복합 열전달 해석을 이용한 중속 디젤엔진 실린더 부품 온도 분포 예측

최성욱; 윤욱현; 박종일; 강정민; 박현중

doi:10.3795/ksme-b.2013.37.8.781

[국내논문] 복합 열전달 해석을 이용한 중속 디젤엔진 실린더 부품 온도 분포 예측
Temperature Prediction of Cylinder Components in Medium-Speed Diesel Engine Using Conjugate Heat Transfer Analysis 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.37 no.8 = no.335, 2013년, pp.781 - 788

최성욱 (현대중공업 엔진연구실 엔진기계연구소) , 윤욱현 (현대중공업 엔진연구실 엔진기계연구소) , 박종일 (현대중공업 엔진연구실 엔진기계연구소) , 강정민 (현대중공업 제작계측실 선박해양연구소) , 박현중 (현대중공업 엔진기계개발시험부)

초록
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엔진 설계시 실린더 주요 부품의 온도 분포 계산은 엔진 전체 구조안정성 평가시 열응력에 의한 변형을 고려하기 위해 필수적으로 수행된다. 최근 박용 및 발전용 중속엔진은 압축비 및 출력이 증대 되어 설계되고 있는 추세여서 증가된 연소실 열부하에 의한 영향을 고려하기 위해 열전달 해석의 높은 정확도가 요구되고 있다. 본 연구에서는 엔진 설계시 실린더 주요 부품의 온도 분포를 계산하고 계산된 온도 수준이 설계기준에 만족하는지를 정확히 평가 하기 위한 열전달 해석 프로세스를 정립하였다. 각 주요 열부하 영역의 경계조건 설정 과정을 1 차원 엔진 성능해석 및 3 차원 열유동 해석을 통하여 산출하여 적용하였으며 해석 결과는 해당엔진 모델의 프로토 타입엔진 주요 부품 온도를 계측하여 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Predicting the engine component temperature is a basic step to conduct structural safety evaluation in medium-speed diesel engine design. Recent trends such as increasing power density and performance necessitate more effective thermal management of the engine for achieving the desired durability and reliability. In addition, the local temperatures of several engine components must be maintained in the proper range to avoid problems such as low- or high-temperature corrosion. Therefore, it is very important to predict the temperature distribution of each engine part accurately in the design stage. In this study, the temperature of an engine component is calculated by using steady-state conjugate heat transfer analysis. A proper approach to determine the thermal load distribution on the thermal boundary area is suggested by using 1D engine system analysis, 3D transient CFD results, and previous experimental data from another developed engine model. A Hyundai HiMSEN engine having 250-mm bore size was chosen to validate the analysis procedure. The predicted results showed a reasonable agreement with experimental results.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 박용 엔진을 설계하는 과정에서 고온부 내구 평가 및 열응력 평가를 위한 온도분포를 설계 단계에서 적절히 계산하기 위하여 1 차원 성능해석 결과를 이용하여 주요 열부하 조건을 정하였고 배기포트의 경우 좀더 정확한 결과를 위하여 3 차원 CFD 결과를 이용하였다. 이러한 열전달 해석 프로세스를 당사엔진 모델에 적용하여 설계에서 예측된 온도값과 엔진 제작후 계측한 온도값을 서로 비교하여 해석절차를 검증하였다.
그러나 정상상태 해석에서는 실제 흡배기 밸브의 개폐나 연소과정 등을 직접 모사할 수 없으므로 합리적인 적절한 경계조건 분포를 정해 줄 필요가 있다. 본 연구에서는 연소실에서 흡기 밸브 시트링과 맞닿는 경사진 면에 흡기온도를 고려하여 사이클 평균 온도에서 흡기밸브 열림 구간 시의 평균 온도만큼을 감하여준 온도의 # 에 대한 비율로써 정해 주었다. 이 영역의 온도 경계조건으로 β# 를 적용한다.

가설 설정

격자 변형(Mesh deformation)을 이용하여 해석하였으므로 밸브는 완전히 닫힌 상태가 아니라 약 5 mm 정도 열린 상태에서 해석이 시작되고 닫히는 부분도 5 mm 정도 실제 열린 상태에서 해석이 끝나게 된다. 연소가스는 공기가 이상기체로 거동한다고 가정하고 압축성 유동해석으로 수행하였다. 난류모델은 k-ε모델을 적용하였고 벽면함수는 Grotjans 등⁽¹¹⁾에 의해 제시된 다음의 Scalable wall function 을 적용하였다.

제안 방법

본 연구에서는 박용 엔진을 설계하는 과정에서 고온부 내구 평가 및 열응력 평가를 위한 온도분포를 설계 단계에서 적절히 계산하기 위하여 1 차원 성능해석 결과를 이용하여 주요 열부하 조건을 정하였고 배기포트의 경우 좀더 정확한 결과를 위하여 3 차원 CFD 결과를 이용하였다. 이러한 열전달 해석 프로세스를 당사엔진 모델에 적용하여 설계에서 예측된 온도값과 엔진 제작후 계측한 온도값을 서로 비교하여 해석절차를 검증하였다. 열전달 해석은 ANSYS 사의 범용 CFD S/W 인 CFX^[7]를 사용하였다.
위 Woschni 상관식에 필요한 실린더 압력 P, 온도 T 등의 데이터들은 AVL 사의 Boost S/W^[9]를 이용한 1-D 엔진 시스템 성능 해석을 통해 구하였다. 위 식 (3)을 이용하여 구해진 크랭크 각도에 따른 h 를 식 (1)에 적용하여 # 를 구할수 있다.
그러므로 엔진 설계시 이러한 배기포트 벽면온도가 항상 산노점 이상으로 유지되도록 냉각수 유로를 설계해야 한다. 본 연구에서 배기포트 벽면의 가스 온도 경계조건은 성능해석 결과 값인 410 ℃로 고정하고 벽면에서의 열전달 계수는 3-D 비정상(Unsteady)열유동 해석을 수행한 결과를 이용한 평균 벽면 열전달 계수 분포를 적용 하였다.
CFD 해석시 입출구에서의 경계조건은 크랭크 각도에 따른 연소실 내의 압력과 온도, 배기포트 출구에서의 압력 등을 성능해석을 통하여 구하여 설정하였다. Fig.
라이너 벽면의 경계조건은 1-D 성능해석 결과와 기존 힘센엔진 라이너온도 계측값을 비교 종합하여 라이너 내멱면의 열전달 계수와 온도를 스트로크의 6 등분에 따라 경험식으로 표현 하였다.
스트로크의 각 등분 구간별로 연소실 싸이클 평균 열전달 계수에 적절한 가중치가 적용된 열전달 계수의 분포를 라이너 높이방향에 따른 구간별 선형 함수로 나타내었고 BDC 이하 구간에서는 윤활오일의 벽면 접촉 온도와 접촉 열전달 계수의 개략치를 적용하였다. 라이너 벽면에서의 온도는 열전달 계수 선형함수의 동일한 각 구간에서 연소실 싸이클 평균 온도의 적절한 비율로 계산된 고정값을 적용하였다.
스트로크의 각 등분 구간별로 연소실 싸이클 평균 열전달 계수에 적절한 가중치가 적용된 열전달 계수의 분포를 라이너 높이방향에 따른 구간별 선형 함수로 나타내었고 BDC 이하 구간에서는 윤활오일의 벽면 접촉 온도와 접촉 열전달 계수의 개략치를 적용하였다. 라이너 벽면에서의 온도는 열전달 계수 선형함수의 동일한 각 구간에서 연소실 싸이클 평균 온도의 적절한 비율로 계산된 고정값을 적용하였다. Fig.
주요 열부하 영역외의 경계조건에서 흡기포트 내벽면의 열전달 계수 경계조건은 배기포트 3-D CFD 해석의 시간 면적 평균값을 적용하였고 흡기 온도는 40℃로 하였다. 밸브 시트링 안쪽과 스핀들 가스 접촉면 열전달 계수 또한 배기포트 CFD 해석을 통한 사이클 평균 면적 평균값을 적용하였다.
이상으로 살펴본 경계조건을 적용하여 전체 엔진 실린더의 정상상태 열전달 해석을 수행하였다.
이와 같이 계산된 연소실 주요 부품의 온도 예측값을 검증하기 위하여 열전대(Thermocouple) 및 템플러그(Templug)를 이용한 온도 계측을 수행하였다. 열전대를 이용한 온도 계측의 경우 유리섬유 피복으로 보호된 K 타입 열전대를 실린더 헤드의 배기포트 벽면 등에 적용하였고 스테인리스강으로 코팅된 K 타입 열전대를 이용하여 라이너 온도를 계측하였다.
이와 같이 계산된 연소실 주요 부품의 온도 예측값을 검증하기 위하여 열전대(Thermocouple) 및 템플러그(Templug)를 이용한 온도 계측을 수행하였다. 열전대를 이용한 온도 계측의 경우 유리섬유 피복으로 보호된 K 타입 열전대를 실린더 헤드의 배기포트 벽면 등에 적용하였고 스테인리스강으로 코팅된 K 타입 열전대를 이용하여 라이너 온도를 계측하였다. 열전대는 각각 엔진 부품별로 열전대 홀을 가공하여 설치하였다.
배기포트 벽면의 경우 주조 오차를 감안하여 벽면에서 6 mm 거리의 위치까지 홀을 가공하여 열전대를 설치하였다. 따라서 예측값과 실험값을 비교할 때 예측값은 벽면에서 안쪽으로 6 mm 인 위치의 값을 기준으로 비교하였다.
라이너의 경우 냉각수 입구 방향으로 정해진 각 네 방향 A,B,C,D 에서 라이너 각 높이에 따라 7 개의 계측위치에서 열전대를 이용하여 온도를 계측 하였다.
(1) 1-D 엔진 성능해석으로부터 연소실 내부 싸이클 평균 열전달 계수와 싸이클 평균 온도를 계산하여 연소실의 열부하 경계조건으로 적용하였고 정상상태 냉각수 복합 열전달 해석을 수행하여 엔진 주요 실린더 부품의 온도를 계산할 수 있었다.
템플러그는 계측된 값이 템플러그 깊이(4 mm)의 위치의 값으로 대표되기 때문에 해석값과 비교시 계산값도 표면에서 4 mm 아래 위치의 값을 가지고 비교 하였다. 연소실 상면의 경우 전체적인 온도분포를 잘 예측하였으나 최대 15 % 오차가 있는 위치가 존재하였다(오차는 계측값과 예측값의 차이를 계측값으로 나눈 수치의 백분위).

대상 데이터

이러한 열전달 해석 프로세스를 당사엔진 모델에 적용하여 설계에서 예측된 온도값과 엔진 제작후 계측한 온도값을 서로 비교하여 해석절차를 검증하였다. 열전달 해석은 ANSYS 사의 범용 CFD S/W 인 CFX^[7]를 사용하였다.
전 해석 모델의 격자 수는 336 만개 이고, 냉각수 유동영역에는 벽면 프리즘 격자(Prism mesh)를 포함하여 총 182 만개로 구성하였다. 난류모델은 k-ε 모델을 적용하고 벽함수는 Scalable Wall function 을 사용하였다.

데이터처리

주요 열부하 영역외의 경계조건에서 흡기포트 내벽면의 열전달 계수 경계조건은 배기포트 3-D CFD 해석의 시간 면적 평균값을 적용하였고 흡기 온도는 40℃로 하였다. 밸브 시트링 안쪽과 스핀들 가스 접촉면 열전달 계수 또한 배기포트 CFD 해석을 통한 사이클 평균 면적 평균값을 적용하였다. 기타 외부와 접촉하거나 엔진 내부의 접촉면들은 자연 대류 수준의 열전달 계수값과 단열 조건을 적용하였다.

이론/모형

를 구하기 위하여 Woschni^[8]가 제안한 다음의 상관식을 사용하였다.
그러나 Dent 등⁽¹⁰⁾ 은 스월이 강한 디젤 엔진 시험을 통해 이러한 상관식이 실제 측정된 열유속과 오차가 존재함을 보였다. 그러나 본 연구에서는 열부하 수준의 기준을 Woschni 식에 의한 연소실 평균 열전달 계수를 그대로 적용하였다.
난류모델은 k-ε모델을 적용하였고 벽면함수는 Grotjans 등(11)에 의해 제시된 다음의 Scalable wall function 을 적용하였다.
난류모델은 k-ε 모델을 적용하고 벽함수는 Scalable Wall function 을 사용하였다.

성능/효과

마지막 세번째 유체-고체 접촉 및 고체 접촉간 열전달은 복합 열전달 해석 과정 내에서 계산되게 되므로 직접적인 경계조건 설정이 필요 없는 부분이고 두번째 또한 대기 접촉 등의 자연대류에 의한 영향은 전체 결과에 크게 영향을 못 미치므로 흡기 포트 내부 영역에 대한 대류 경계조건 정도가 관건이 된다. 결국 첫번째 열부하와 관련된 영역의 경계조건을 어떻게 결정해 주느냐에 따라 해석 결과에 큰 영향을 주게 된다.
전체적으로 예측값이 계측값보다 높은 분포를 보였다.
13 에 나타나 있다. 최대오차는 국부적으로 12 % 정도 되며 전체적인 계측값과 예측값의 경향은 비교적 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다.
해석 결과를 통해 볼 때 설계 단계에서 수행한 냉각수 열전달 해석으로 연소실 주요 부품과 영역에 대한 온도 분포와 경향을 적절히 예측하고 있다고 판단된다. 그러나 국부적으로 오차율이 15 %정도 보이는 위치가 존재하므로 이러한 오차를 줄이기 연구가 좀 더 필요한 것으로 판단된다.
(3) 위와 같은 경계조건 설정으로 열전달 해석을 수행한 결과 계측값과 비교하여 평균적으로 10 % 정확도로 온도를 예측할 수 있었다.

후속연구

해석 결과를 통해 볼 때 설계 단계에서 수행한 냉각수 열전달 해석으로 연소실 주요 부품과 영역에 대한 온도 분포와 경향을 적절히 예측하고 있다고 판단된다. 그러나 국부적으로 오차율이 15 %정도 보이는 위치가 존재하므로 이러한 오차를 줄이기 연구가 좀 더 필요한 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	육상발전 및 선박추진용 중속디젤엔진의 개발추세는 어떠한가?	최근 육상발전 및 선박추진용 중속디젤엔진의 개발추세는 친환경, 고출력, 고효율화를 지향하며 실린더내 압력과 실린더당 출력을 높여 설계되고 있다. 그러므로 높아진 열부하 조건에서 엔진 구성요소들이 적절한 온도 분포를 가지도록 엔진을 설계하는 것이 더욱 중요해지고 있으며 이러한 엔진의 적절한 냉각성능 평가를 위해 필수적인 열전달 해석의 높은 정확도가 요구되고 있다.
	높아진 열부하 조건에서 엔진 구성요소들이 적절한 온도 분포를 가지도록 엔진을 설계하는 것이 더욱 중요해지는 배경은 무엇인가?	최근 육상발전 및 선박추진용 중속디젤엔진의 개발추세는 친환경, 고출력, 고효율화를 지향하며 실린더내 압력과 실린더당 출력을 높여 설계되고 있다. 그러므로 높아진 열부하 조건에서 엔진 구성요소들이 적절한 온도 분포를 가지도록 엔진을 설계하는 것이 더욱 중요해지고 있으며 이러한 엔진의 적절한 냉각성능 평가를 위해 필수적인 열전달 해석의 높은 정확도가 요구되고 있다.
	기존 엔진의 냉각수 유동 해석을 통한 평가은 어떻게 수행되었었나?	기존 엔진의 냉각수 유동 해석을 통한 평가는 실린더 부품으로의 열전달을 고려하지 않고 최적 냉각을 위한 유동 분배를 평가하기 위한 유로 개선 연구가 주로 수행되었으나(1~4) 최근에는 CFDFEM 연성해석을 이용하여 엔진 부품의 구조평가와 열피로 평가를 수행하고 있고(5) 또한 CFD-FEM 연성해석시 연소실 내부의 열부하 경계조건 설정을 위하여 CFD 연소해석까지 연계하여 계산한 연구도 수행되었다.(6) 그러나 엔진을 설계하는 단계에서 비정상 해석인 연소해석까지 연계하여 열전달 해석을 할 경우, 냉각수 유로 평가, 고온부 내구성 및 피로 평가등을 수행하여 몇 번의 반복적인 설계수정을 거쳐야 하는 과정에서 자원과 시간이 많이 소요되어 설계과정상에는 경제적이지 못하다.

참고문헌 (12)

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Lee, D.K., Lee, K.S. and Lee, J.H., 1999 "Numerical Analysis of 3-D Flow Filed in the Engine Block Coolant Passage," Transaction of KSAE, Vol. 7, No. 2, pp. 134-152.
Baek, K.U., Lee, B.H., Lee, S.H. and Cho, N. H., 1999 "CFD Simulation of Coolant Flow in a Large Diesel Engine," Fall Conference Proceedings, KSAE, pp. 270-274
Suh Y.-K., Heo, S. G., Chung, S. S., 2008,"Numerical and Theoretical Study on the Fluid Flow in the Cooling System of a Marine Diesel Engine," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol.32 No. 1, pp. 119-130.

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Cho, N. H., Lee, S. U., Lee, S. K. and Lee, S. H., 2004 "Finite Element Analysis of Thermal Fatigue Safety for a Heavy-Duty Diesel Engine," Transactions of KSAE, Vol.12, No.1, pp. 122-129.
Kim, H.S. and Min, K., 2008 "Application of CFDFEM Coupling Methodology to Thermal Analysis on the Large-size Marine Diesel Engine," Transaction of KSAE, Vol. 16, No. 1 pp. 64-70.
ANSYS CFX Solver User Guide
Woschni, G., 1967, "Universally Applicable Equation for the Instantaneous Heat Transfer Coefficient in Internal Combustion Engine," SAE paper 670931 SAE Trans., Vol. 76.
AVL LIST GMBH, AVL BOOST - USER'S GUIDE
Dent, J.C. and Sulaiman, S. J., s1977, "Convective and Radiative Heat Transfer in a High Swirl Direct Injection Diesel Engine," SAE paper 770407, SAE Trans., Vol. 86.
Grotjans H. and Menter F.,1998, "Wall Functions for General Application CFD Codes.', ECCPMAS 98, Proceeding s of 4th Computational Fluid Dynamics Conference, John Wiley & Sons, pp. 1112-1117.
Kader, B.A.,1981"Temperature and Concentration Profiles in Fully Turbulent Boundary Layers" International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.24, Issue 9, pp. 1541-1544.

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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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