[논문]배기압력이 배기가변밸브 면에 분포하는 압력과 속도에 관한 연구

김권세; 최두석

doi:10.5762/kais.2014.15.4.1825

초록
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최근 자동차에 대한 환경규제가 대폭 강화되고 있으며, 배기시스템은 빼놓을 수 없는 연구과제 중 하나이다. 본 연구의 목적은 배기가변밸브의 압력 위치에 따라 최대와 최소에 대한 영향 분포를 규명하는 것이다. 실험은 배기가변밸브가 열리는 측면부에 카메라를 이용하여 실시간 각도를 확인하고 내부유량, 압력, 밸브 열림 각의 데이터를 추출하여 유동해석을 통한 배기가변밸브의 압력과 속도에 대하여 위치별 특성을 분석하였다. 압력의 결과는 밸브의 최초 열림이 머플러 내부에 압력을 감소시키는 결과를 나타내었다. 속도는 압력과 반대되는 결과를 나타내었으며, 하단부의 빠른 속도로 인한 밸브의 떨림 현상이 발생된 것으로 확인되었다. 이 연구로부터 얻은 결론은 기관성능 향상을 위해서 속도의 위치가 하단부로 유인할 경우 밸브면의 압력 분포가 더욱 증가하여 최적의 배압조건을 만들 수 있는 결과를 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Environmental emission of recent automobile is drastically enhanced that it is one of the obvious assignments of exhaust system. This study is a purpose to establish of influence distribution on maxima and minima through the location of pressure on exhaust variable valve. The experiment are checked ...

Environmental emission of recent automobile is drastically enhanced that it is one of the obvious assignments of exhaust system. This study is a purpose to establish of influence distribution on maxima and minima through the location of pressure on exhaust variable valve. The experiment are checked with real angles using camera which exhaust variable valve is opened side of point. Data has extracted to opening angles with internal flow, pressure. Exhaust variable valve through the floating analysis was analyzed the characteristic of location point about pressure and velocity. The pressures indicated the reduced results internal pressure within muffler. The velocity indicated an opposite results and vibration state of valve was verified to be operated as high speed from lower section. The conclusion to obtain from this study was found out the result to make the optimum back pressure condition as more increasing pressure distribution on valve face if the velocity location attracted by bottom point in order to improve for engine performance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 밸브 면에 작용하는 유속, 압력, 각도에 대한 실험 결과를 도출하고, 이때 유동해석으로써 속도와 압력에 대한 위치별 최대와 최저 포인트를 규명하여 설계 시 고려해야할 요인들을 고찰하고자 한다.

가설 설정

각 압력 포인트별 최대와 최소의 결과를 고찰하기 위해서 해석프로그램은 ANSYS를 이용하여 재질을 정상 유동과 속도를 활용하여 25℃의 공기로 가정하였으며, 내부를 채워 격자를 생성하고 해석을 진행하였다.

제안 방법

⑤ 이때 압력발생으로 배기가변밸브는 반능동으로 열리게 된다. ⑥ 가변밸브의 각도를 측정을 위하여 카메라를 이용하여 모니터링 한다. ⑦ 컴퓨터를 통하여 실시간 열림 각을 측정한다.
또한 격자는 4면체 형상으로 부분적으로 나뉘었으며, 최대 구성요소 크기를 10mm, 최저 크기를 1mm설정하였다. 격자에 대한 교점은 380,000개 이상, 구성요소의 수는 2,000,000개 이상으로 모든 모델들에 대하여 비슷한 격자를 주어 진행하였다.
35kPa까지 측정 하였다. 또한 재연성 및 반복성을 검증하기 위하여 동일한 조건으로 10회 이상 평균화 실험 측정을 진행하였다.
실험은 Fig.3과 같이 유량, 내부압력, 각도를 측정할 수 있는 거동장치를 제작하였으며, 열림각은 최소 0°에서 12° 까지 측정하였다.
자동차 배기압력이 배기가변밸브에 미치는 영향을 분석하기 위해서 거동장치를 설계·제작하여 실험을 진행하였으며, 배기가변밸브에 대한 거동 실험과 유동해석 CFX를 활용한 압력과 속도에 대한 포인트별 해석에서 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

데이터처리

⑦ 컴퓨터를 통하여 실시간 열림 각을 측정한다. 이와 같은 순서로 실험을 약 10회 반복하여 결과를 평균화 하였다.

성능/효과

1) 배기가변밸브는 약 2° 이하 구간에서 밸브의 최초 열림이 발생하였고, 밸브의 최초 열림은 머플러 내부에 압력을 감소시키는 결과를 나타내었으며, 감소된 압력의 영향은 기관 연소실로부터 발생되는 연료소비율을 향상시킬 수 있는 방안으로 사료된다.
3) 6°에서의 해석적 분석결과 상단부에서 발생된 압력 분포로 인하여 밸브의 열림을 유지하는 것으로 확인되었으며, 속도는 압력과 반대되는 결과를 나타내었다.
4) 12°에서의 해석적 분석결과 6°와 동일한 결과를 나타내었다. 또한 압력의 분포는 다소 증가 되었고, 기관성능 향상을 위해서 속도의 위치를 하단부로 유인할 경우 압력의 분포는 더욱 증가하여 최적의 배압을 만들 수 있는 결과를 얻을 수 있었다.
2) 0°에서의 해석적 분석결과 밸브면 전체에 동일하게 발생되었다. 속도는 밸브면의 중앙부에서 가장 적은 영향을 주었으며, 밸브면의 측면부에서는 미세한 속도의 영향이 발생되었다. 밸브 측면부에 타공을 할 경우, 밸브의 최초 열림으로부터 발생되는 진동현상을 제거하고, 기관 출력성능을 향상 시킬 수 있는 방안이라 사료된다.
속도에 대한 해석결과는 Fig.5(d)와 같이 밸브면 중심을 5개의 포인트로 기준하여 상단부에서 하단부까지 발생하는 속도의 영향을 나타낸 것으로, 속도의 세기는 ④<②③⑤<① 순서로 나타났으며, 속도는 밸브면의 중앙부에서 가장 적은 세기로 영향을 주었고, 밸브면의 상단부근 보다 하단부근에서 다소 적은 8m/s의 속도를 발생하였다.
약 2° 이상으로는 유량이 증가하면서 내부압력 또한 증가되며 각도가 열리게 됨을 확인 할 수 있었다.

후속연구

5) 위와 같은 결론으로부터 실험적인 부분과 해석적인 부분을 세밀하게 추출하기 위한 체계적인 전문 기법을 활용한다면 좀 더 개선된 결과를 기대할 수 있을 것이라 사료됩니다. 앞으로 가변밸브의 스프링상수를 고려하여 다양한 시료들에 대한 연구를 진행할 예정입니다.
5) 위와 같은 결론으로부터 실험적인 부분과 해석적인 부분을 세밀하게 추출하기 위한 체계적인 전문 기법을 활용한다면 좀 더 개선된 결과를 기대할 수 있을 것이라 사료됩니다. 앞으로 가변밸브의 스프링상수를 고려하여 다양한 시료들에 대한 연구를 진행할 예정입니다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차에서 발생되는 배출 가스의 이동경로는 어떻게 된는가?	자동차에서 발생되는 배출 가스는 기관의 연소실로부터 배기매니폴드, 촉매변환기, 공명기, 배기파이프, DPF, 머플러 순으로 운반되며 최종적으로 머플러를 통해서 배기소음을 감소시켜 준다[3,4].
	능동형 방식의 배기가변밸브의 작동원리는 무엇인가?	이러한 효과를 가지고 있는 장치로써 머플러 내의 배기가변밸브(Exhaustvariablevalve,EVV)가 있으며, 최근 연구가 활발히 진행되고 있다. 배기가변밸브에 대한 연구는 크게 4가지로 반 능동형, 다중형, 압력 가변형, 전자형이 있으며, 대표적으로 상용화된 방식인 반 능동형 방식은 머플러 내부에 발생되는 압력에 의해서 밸브가 열리고 스프링의 장력에 의해 닫히게 되는 원리이다[2].
	배기가변밸브의 열림 각이 12°인 구간에서 압력의 분포는 어떠한가?	4) 12°에서의 해석적 분석결과 6°와 동일한 결과를 나타내었다. 또한 압력의 분포는 다소 증가 되었고, 기관성능 향상을 위해서 속도의 위치를 하단부로 유인할 경우 압력의 분포는 더욱 증가하여 최적의 배압을 만들 수 있는 결과를 얻을 수 있었다.

참고문헌 (7)

L. H. Bell and D. H. Bell, "Industrial Noise Control", Marcel Dekker, 1994.
P. H. Smith and J. C. Morrison, "The Scientific Design of Exhaust and Intake Systems", Robert Bentley Inc., 1971.
J. F. Dowling and K. S. Peat, "An Algorithm for the Efficient acoustic analysis of Silencers of Any General Geometry", Journal of Sound and Vibration, Vol. 65, pp.211-227, 2004. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.apacoust.2003.10.002

상세보기
R. Kirby, "Simplified Techniques for Predicting the Transmission Loss of a Circular Dissipative Silencer", Journal of Sound and Vibration, Vol. 243, No. 3, pp.403-426, 2001. DOI: http://dx.doi.org/10.1006/jsvi.2000.3425

상세보기
M. L. Munjal, "Analysis and Design of Mufflers -An Overview of Research at the Indian Institute of Science", Journal of Sound and Vibration, Vol. 211, No. 3, pp.425-433, 1998. DOI: http://dx.doi.org/10.1006/jsvi.1997.1309

상세보기
M. H. Kim, W. I. Jung, I. B. Cheon, "A Study of the Flow Characteristics and Pressure Loss of a Muffler for the Variation of Volumetric Rate and Offset" Transactions of KSAE Vol. 8, No. 4, pp93-99, 2000.
Lee. J. K, "Acoustic Analysis and Design of the Exhaust Silencer: II. Representation of Acoustic Performance", Transaction of KSAE, Vol. 16, No. 5, pp.10-19, 1994.

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