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문제 정의
- 6) 본 연구를 통하여 seat-ring 마모 관점에서 강건설계 인자를 발굴/검증하고, 가속계수를 적용하여 내구시험 종료시점의 field 주행거리를 예측 함으로서, 내구/신뢰성 목표 대비 내구성능의 판정을 통한 설계 최적화 판단을 위한 guide를 제시하고자 하였다.
제안 방법
- 1) Valve-train의 exhaust valve seat-ring 마모 개선을 위하여, 고속카메라 system을 이용한 valve 동 특성 관찰을 통해 weak point를 발굴하고, 개선 방향을 제시/유효성을 확인하였다.
- 1 및 Photo. 2의 valve 상/하부의 motion에서 lateral force에 의한 영향으로 판단되는 미세변위를 확인하였다.
- head 배기밸브 seat-ring width를 Photo. 3과 같이 비접촉 현미경을 이용하여 측정하여 seat-ring wear depth를 상호 비교하였다.
- Fig. 1은 본 연구의 valve-train system의 layout으로 DOHC 방식의 RFF (Roller Finger Follower)와 HLA (Hydraulic Lash Adjuster)를 통한 valve 구동 방식을 사용한다. valve-train은 작동 메커니즘 상 valve 작동 방향으로 valve seat부와 cyl.
- 2절에서 결정한 강건설계 사양을 투입하여 엔진의 내구성 평가를 위하여 동일 lot의 cyl. head 및 동일 EMS S/W 조건에서 Base 조건의 valve-train과 개선 Sample B+C 조건의 valve-train 사양에 대한 엔진 내구 시험 500(hr)을 수행하였으며, 완료 후 엔진의 분해검사를 수행하였다. Cyl.
- 따라서 lateral force에 의한 valve의 side motion을 개선하기 위한 접근으로 ①motion 자체를 개선하기 위해 valve-train system의 구성품인 valve, cotter, upper retainer, spring과 lower retainer의 fitting을 개선하는 방안과 ② motion 발생시 valve를 구속하여 motion을 억제하기 위해 valve stem과 valve guide clearance를 축소하는 방안의 두 가지 측면에서 개선을 시도하였으며, 각 구성품의 측정 및 설계검토를 통하여 하기의 강건설계 인자를 발굴한 후, 발굴된 개선 인자를 바탕으로 Table 4와 같이 variant sample을 제작하여 rig test를 재수행하였다.
- 카메라의 valve head 촬영 각도의 setting에 따라서 valve opening/closing시 발생하는 변위의 횟수를 확인 하였으며, valve close 조건에서 변위량을 분석하여 lateral force에 의한motion을 판정하였다.
성능/효과
- 1) 그러나 주행거리/시간 별 배기밸브의 seat-ring 마모량 관측결과 분석 시 초기 마모경향이 뚜렷하게 나타났으며, 마모 메커니즘 측면에서는 논리적이지 못하므로 가공/조립측면의 누적 공차에 의한 현상이거나 valve의 동 특성에 weak point를 가지고 있는 것으로 판단했었다.
- 2) 그 결과 lateral forced 대한 system 강건 설계인자를 ①valve stem과 valve guide의clearance의 축소와 ②valve와 cotter / cotter와 upper retainer / upper retainer와 spring / valve spring과 lower retainer의 Fitting 강화로 발굴하였으며, Rig Test 조건에서 valve stem과 valve guide의 clearance 축소 항목의 기여도가 높음을 확인 하였다.
- 3) Rig Test 결과를 바탕으로 강건 설계사양을 투입한 엔진 내구시험 500(hr) 수행을 통하여 Base 사양 대비 lateral force 개선 사양의 seat-ring wear depth를 비접촉 현미경 관찰을 통하여 비교하고 Base 사양대비 약70% 개선을 확인하였다.
- 3.1절의 결과를 Table 5의 기 진행하였던 valvetarin 가속/가혹계수factor1)에 적용하여 개선사양의 valve-train system의 “C” 엔진내구 500(hr) 결과로부터 일반 field 주행조건 30만 km 주행 시의 seat-ring wear depth 결과를 예측하면 394(μm)수준이 되며, 내구/신뢰성 측면에서 매우 우수한 결과를 보이고 있다.
- 4) 개선 결과는 Base 사양대비 내구성 측면에서 약 3배의 개선효과를 가질 것으로 판단되며, 가속. 가혹 factor를 적용하여 일반 field 주행 패턴으로 30만(km) 주행시 exhaust valve seat-ring wear depth로 환산 시 약 0.
- 5) 본 engine을 base로 GDI/Turbo Engine개발 시, seat-ring wear 관점에서 우수한 내구/신뢰성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
- Base 조건과 5회의 개선사양 조건의 500hr 엔진 내구 시험 종료 후 seat-ring wear depth 결과는 Fig. 6과 같으며, 개선품 투입결과는 Base valve-train 사양 대비 wear depth는 Fig. 7과 같이 평균은 30(%) 수준의 결과를 보이며, Fig. 8과 같이 표준편차는 90(%) 수준의 결과를 보였다.
- 4) 개선 결과는 Base 사양대비 내구성 측면에서 약 3배의 개선효과를 가질 것으로 판단되며, 가속. 가혹 factor를 적용하여 일반 field 주행 패턴으로 30만(km) 주행시 exhaust valve seat-ring wear depth로 환산 시 약 0.4(mm) 수준으로 높은 내구/신뢰성을 가질 것으로 판단하였다.
- 따라서 30% 수준의 평균 wear depth 결과는 seat-ring 마모발생 인자 중 valve의 lateral moving의 기여도가 높음을 알 수 있으며, wear depth 편차의 저감은 낮은 것으로 보아 lateral force의 저감이 기통 간(valve 간) wear depth의 편차에는 둔감한 영향을 주는 것으로 판단할 수 있다.
- 따라서 rig test 결과로는 valve의 stem clearance를 축소하여 valve를 구속하는 방법이 더욱 효과적인 방법으로 판단할 수 있으나, 내구성 측면에서 valvetrain system 작동 메커니즘을 고려한다면, 지속적인 lateral motion의 영향 하에서는 valve stem부와 stem guide부의 마모발생에 의하여 clearance가 증대될 것으로 판단된다. 따라서 강건설계를 위하여 최종 개선 사양으로는 Sample B와 C를 동시 적용해야 할 것으로 판단하였다.
후속연구
- 따라서 배기밸브 seat-ring의 마모개선을 위한 후속 연구로 ①weak point 발굴 및 개선점 파악, ②개선품 투입 내구시험 진행, ③seat-ring 마모량 분석 및 비교를 통한 개선품 검증의 순서로 추가 연구를 진행하였다.
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