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문제 정의
- 작동여부는 단순히 밸브의 변위 측정만으로 확인 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 2단 가변밸브 구동장치에서 스위칭 시스템의 작동 여부를 실제 리그시험을 통하여 알아보았다.
- 본 연구에서는 직접구동방식의 밸브트레인에 적용할 수 있는 2단 가변 밸브 구동장치의 스위칭 시스템에 대한 동적 거동을 실험적으로 분석하고, 그 결과를 바탕으로 시뮬레이션 모델을 구성하여 시스템의 동적 안정성을 개선하는 모델을 개발하였다.
- 따라서 낮은 변위모드에서 높은 변위모드로 전환되는 시간차를 단축시키기 위하여 리턴 스프링의 장착하중과 강성을 감소시키면, 높은 변위모드에 낮은 변위모드로 전환되는 시간차는 오히려 증가하게 된다. 이에 따라 본 연구에서는 엔진의 출력과 응답성 측면에서 더 많은 개선을 하고자 latching 시 발생하는 시간차를 개선하는것을 목표로 설계변경을 수행하였다.
가설 설정
- 운동방정식에서 FLP과 FSP는 핀과 태핏 사이에 작용하는 마찰력을 나타낸 것으로서 일정한 마찰력이 작용하는 것으로 가정하였다.
제안 방법
- 2단 가변밸브 구동장치에서 스위칭 시스템의 운동 특성을 해석하기 위하여 Fig. 7과 같이 2개의 집중 질량을 가지는 모델을 구성하였다. 록 핀의 질량을 MLP, 스위칭 핀의 질량을 MSP라 할 때, 각각의 질량에 대한 운동방정식은 다음과 같이 유도된다.
- 3) 스위칭 시스템의 록 핀과 스위칭 핀의 동적 거동에 영향을 미치는 설계 인자들을 추적하기 위하여 스위칭 시스템에 대한 동특성 시뮬레이션 모델을 구성하고, 실험결과와 비교하여 그 타당성을 검증하였다.
- 4) 모드 전환 시 발생하는 시간차를 단축하기 위하여 설계변경이 가능한 인자들을 이용하여 록 핀의 동적 거동에 미치는 영향도를 분석하였다. 주어진 공간 제약조건에서 변경이 가능한 변수, 즉 리턴 스프링의 장착하중 및 강성, 록 핀과 스위칭 핀의 질량 등을 변경하여 모델 최적화를 수행하였다.
- 그러나 부품들 사이에 접촉 시 발생하는 등가 강성과 댐핑, 마찰력 등은 직접적인 측정이 어려울 뿐만 아니라 오일의 점성, 충격속도 등에도 영향을 받는다. 그러므로 이러한 변수들은 시뮬레이션 결과가 시험결과를 모사할 수 있도록 모델 튜닝과정을 통하여 결정하였다.
- 하지만 이러한 설계변경으로는 latching 시 발생하는 시간차가 단축되더라도 unlatching 시에는 오히려 시간차가 증가하게 될 것이다. 따라서 latching 시 발생하는 시간차는 두 경우(latching/unlatching) 모두 동일한 경향을 보이는 록 핀과 스위칭 핀의 질량을 각각 증가 및 감소시키는 설계변경을 하였으며, unlatching 시 발생하는 시간차는 그 영향도가 높은 리턴 스프링의 장착하중을 증가시키는 방향으로 설계변경을 하였다. 리턴 스프링의 강성은 두 경우 모두 비슷한 영향을 주고 있으므로 나머지 3개의 변수를 고정하고 리턴 스프링의 강성을 증가 또는 감소시켜가며 최적화를 수행하였다.
- 여기서 마찰력은 각 부품의 표면조도를 통하여 변경이 가능하지만, 마찰면에 수직한 하중이 작용하지 않고 양호한 윤활상태를 유지하기 때문에 그 영향은 상대적으로 적은 편이다. 따라서 마찰력을 제외한 리턴 스프링의 강성 및 장착하중, 록 핀과 스위칭 핀의 질량 등을 이용하여 설계변경을 수행하였다.
- 그러나 실링 캡과 스위칭 핀, 스토퍼와 록 핀 사이의 강성 및 댐핑은 모드전환 시 소요되는 시간보다는 모드전환이 끝나는 시점에서의 동적 거동에 영향을 미친다. 따라서 모드전환 시 소요되는 시간은 록 핀과 스위칭핀에 관련된 변수를 이용하고, 모드전환이 끝나는 시점에서의 동적 거동은 실링캡과 스토퍼에 관련된 변수를 이용하여 모델 튜닝을 수행하였다.
- 이 시간차는 오일의 온도 및 압력에 따라 다르게 나타나는데, 앞선 시험에서 검증되었듯이 오일온도가 30℃인 경우에 시간차가 가장 크게 나타난다. 따라서 본 연구에서는 오일온도 30℃에서 압력조건에 따른 시간차와 압력이 공급되는 순간부터 일정 압력에 도달할 때까지의 기울기를 실제 시험을 통하여 측정하였다. 이 결과를 바탕으로 Fig.
- 록 핀(lock pin)의 거동은 갭 센서(gap sensor)를 이용하여 측정하였으며, 측정을 위하여 갭 센서의 초기 위치를 중심으로 록 핀의 변위에 따라 갭 센서와 록 핀 사이의 거리 변화가 발생하도록 테이퍼 홈을 가공하였다. 또한 시험은 신뢰성을 높이기 위하여 앞선 시험과 동일한 기통 및 밸브에 본 장치를 구성하여 시험을 수행하였다.
- 시험조건은 Table 1에 정리되어 있다. 또한 일반적으로 4기통 헤드(head)의 밸브트레인에서 동적성능이 가장 취약한 4번 기통의 7, 8번 밸브를 기준으로 측정하였다. 시험조건에서 엔진 회전속도를 3500 rpm으로 고정한것은 이 영역이 낮은 변위모드와 높은 변위모드가 전환되는 엔진 회전속도이기 때문이다.
- 록 핀(lock pin)의 거동은 갭 센서(gap sensor)를 이용하여 측정하였으며, 측정을 위하여 갭 센서의 초기 위치를 중심으로 록 핀의 변위에 따라 갭 센서와 록 핀 사이의 거리 변화가 발생하도록 테이퍼 홈을 가공하였다. 또한 시험은 신뢰성을 높이기 위하여 앞선 시험과 동일한 기통 및 밸브에 본 장치를 구성하여 시험을 수행하였다.
- 따라서 latching 시 발생하는 시간차는 두 경우(latching/unlatching) 모두 동일한 경향을 보이는 록 핀과 스위칭 핀의 질량을 각각 증가 및 감소시키는 설계변경을 하였으며, unlatching 시 발생하는 시간차는 그 영향도가 높은 리턴 스프링의 장착하중을 증가시키는 방향으로 설계변경을 하였다. 리턴 스프링의 강성은 두 경우 모두 비슷한 영향을 주고 있으므로 나머지 3개의 변수를 고정하고 리턴 스프링의 강성을 증가 또는 감소시켜가며 최적화를 수행하였다.
- 먼저 각 부품의 인자가 모드전환 시 발생하는 시간차에 미치는 영향을 알아보기 위하여 설계변경이 가능한 4가지 변수를 이용하여 그 특성을 증가 또는 감소시켜서 시뮬레이션을 수행하였다.
- 앞 절 시험에서 관찰한 바와 같이 모드전환 시 발생하는 시간지연 현상을 분석하고, 효과적인 개선 방안을 마련하기 위하여 록 핀과 스위칭 핀의 동적 거동을 예측할 수 있는 시뮬레이션 모델을 구성하였다. 시뮬레이션 모델을 이용하여 실제 록 핀의 동적 거동을 모사 할 수 있도록 모델 튜닝을 수행하였으며, 모드전환 시 발생하는 지연시간에 영향을 미치는 스위칭 시스템 부품들을 분석하였다.
- 5와 같이 스위칭 시스템 내부에 시험장치를 구성하였다. 시험은 비정상적인 모드전환 현상(mislatching, unlatching, latching time delay)이 두드러진 오일온도 30℃에서 압력을 바꾸어가며 수행하였다.
- 앞 절 시험에서 관찰한 바와 같이 모드전환 시 발생하는 시간지연 현상을 분석하고, 효과적인 개선 방안을 마련하기 위하여 록 핀과 스위칭 핀의 동적 거동을 예측할 수 있는 시뮬레이션 모델을 구성하였다. 시뮬레이션 모델을 이용하여 실제 록 핀의 동적 거동을 모사 할 수 있도록 모델 튜닝을 수행하였으며, 모드전환 시 발생하는 지연시간에 영향을 미치는 스위칭 시스템 부품들을 분석하였다.
- 앞서 수행한 시뮬레이션 모델을 바탕으로 모드전환 시 발생하는 시간차를 최소화 하기위하여 모델 최적화를 수행하였다. 스위칭 시스템에서 설계변경이 가능한 인자는 리턴 스프링의 강성 및 장착하중, 록 핀과 스위칭 핀의 질량, 접촉면의 마찰력 등이다.
- 이에 따라 본시험에서는 오일의 온도를 30°C, 60°C, 80°C, 100°C로 각각 고정하고, 압력조건을 변화시켜가며시험을 실시하였다.
- 이와 같은 결과를 바탕으로 설계변경이 가능한 4개의 변수를 이용하여 모드전환 시 발생하는 시간차를 최소화시키기 위한 설계변경을 수행하였다.
- 4) 모드 전환 시 발생하는 시간차를 단축하기 위하여 설계변경이 가능한 인자들을 이용하여 록 핀의 동적 거동에 미치는 영향도를 분석하였다. 주어진 공간 제약조건에서 변경이 가능한 변수, 즉 리턴 스프링의 장착하중 및 강성, 록 핀과 스위칭 핀의 질량 등을 변경하여 모델 최적화를 수행하였다.
- 측정은 갭 센서를 이용하여 측정하였으며, 진동에 대한 오차를 줄이기 위하여 헤드 하단에 갭 센서를 고정하여 진동의 영향을 최소화 하였다.
대상 데이터
- 스위칭 시스템의 작동성과 그 특성을 확인하기 위하여 Fig. 3과 같은 밸브트레인 시험장치를 구성하였다. 시험장치는 일반적으로 밸브 트레인 시험에 사용되는 장치로 고정지그, 서보모터, 오일 컨트롤러 및 계측장치로 구성되어 있다.
- 3과 같은 밸브트레인 시험장치를 구성하였다. 시험장치는 일반적으로 밸브 트레인 시험에 사용되는 장치로 고정지그, 서보모터, 오일 컨트롤러 및 계측장치로 구성되어 있다.
이론/모형
- 시뮬레이션은 시험과 동일한 조건인 오일온도 30℃에서 압력을 1.0 ~ 4.0bar까지 단계적으로 증가시키며, 상용 시뮬레이션 프로그램 MatLab 을 이용하여 수행하였다.8,9)
성능/효과
- 1) 2단 가변밸브기구의 변위모드 전환은 스위칭 시스템의 동적 거동에 직접적인 영향을 받으며, 유압제어밸브(OCV)의 작동(On/Off) 시기와 밸브 변위가 변환되는 시기 사이에는 시간차가 존재한다.
- 2) 스위칭 시스템이 latching 될 때 발생하는 시간지연은 공급되는 오일의 압력이 증가하고 온도가 높아질수록 감소하는 경향이 있다. 그러나 unlatching 될 때 발생하는 시간지연은 오일의 압력이 증가할 때 오히려 증가하며, 오일의 온도가 높아질 때는 미세하게 감소하는 경향을 보인다.
- 5) 최적화된 모델을 실제 제작하여 동일한 조건에서 실험한 결과 latching 시 발생하는 시간지연은 약 1/2, unlatching 시 발생하는 시간지연은 약 1/4로 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
- 13은 설계변경 전/후의 모드전환 시 발생하는 시간차를 비교한 것이다. 그래프에 보듯이 설계변경 후 latching 시간은 약 45%정도, unlatching 시간은 약 300%정도 개선 효과를 볼 수 있었다.
- 모드전환 시 발생하는 시간차는 기존에 4 사이클 정도로 나타났지만, 개선 후에는 2 사이클 정도로 단축된 것을 볼 수 있다. 높은 변위모드에서 낮은 변위모드로 전환되는 경우(unlatching) 모드전환 시 발생하는 시간차가 기존 대비 큰 폭으로 개선 된 것을 확인할 수 있다.
- 유압제어밸브가 작동(On)되고 낮은 변위모드에 서 높은 변위모드로 전환되는 데는 대체로 3 ~ 7 cycle 의 지연효과가 나타났으며, 유압제어밸브가 작동 (Off)되어 높은 변위모드가 낮은 변위모드로 전환되는 데는 20cycle 전후의 큰 시차지연이 나타났다. 또한 모드 전환시차는 오일의 압력 및 온도에 비교적 큰 영향을 받는 것으로 관찰되었다. 유압제어 밸브의 작동시기와 밸브 변위모드의 변환시기 사이의 시차 지연은 가변밸브의 효율적인 적용에 큰 장애가 되는 현상으로 이 시기를 최대한 단축하는 것은 매우 중요한 과제이다.
- 이는 리턴 스프링의 강성(kRS)에서도 비슷한 경향을 보이고 있다. 록 핀(MLP)과 스위칭 핀(MSP)의 질량은 서로 반대 경향을 보이고 있는데, 록 핀의 경우 질량이 증가하면 latching 시간과 unlatching 시간이 모두 감소하고, 스위칭 핀의 질량이 증가하면 latching 시간과 unlatching 시간이 모두 증가하는 경향을 보이고 있다. 이 결과는 설계변경이 가능한 변수들을 각각 10% 증가시킨 결과이며, 이 변수들을 10%씩 감소시키면 이와 반대의 경향을 보일 것이다.
- 시뮬레이션 모델에서 록 핀의 질량, 스위칭 핀의 질량, 리턴 스프링의 장착하중 및 강성, 스토퍼와 록 핀 사이의 간극, 록 핀과 스위칭 핀 사이의 간극 등은 설계도면 및 실측치로부터 비교적 정확한 값을 알수 있다. 그러나 부품들 사이에 접촉 시 발생하는 등가 강성과 댐핑, 마찰력 등은 직접적인 측정이 어려울 뿐만 아니라 오일의 점성, 충격속도 등에도 영향을 받는다.
- 이 시간차는 낮은 변위 모드에서 높은 변위모드로 전환되는 경우 기존 스위칭 시스템 대비 약 40%, 높은 변위모드에서 낮은 변위모드로 전환시 약 280%의 시간단축이 가능함을 확인하였다. 여기서 한 가지 중요한 점은 설계변경이 낮은 변위모드에서 높은 변위모드로 전환되는 경우에 초점을 두고 진행되었지만, 최종 결과는 높은 변위모드에서 낮은 변위모드로 전환시에 발생하는 시간차도 큰 폭으로 감소되었다. 이는 3절 시험결과에서도 볼 수 있듯이 높은 변위모드에서 낮은 변위모드로 전환 시에 발생하는 시간차가 그 반대인 경우보다 약 5배 정도 더 큰 폭으로 지연되어 있기 때문에 상대적으로 더 큰 개선효과를 볼 수 있었다.
- Table 2는 오일의 온도 및 압력에 따른 지연효과를 정리한 것이다. 유압제어밸브가 작동(On)되고 낮은 변위모드에 서 높은 변위모드로 전환되는 데는 대체로 3 ~ 7 cycle 의 지연효과가 나타났으며, 유압제어밸브가 작동 (Off)되어 높은 변위모드가 낮은 변위모드로 전환되는 데는 20cycle 전후의 큰 시차지연이 나타났다. 또한 모드 전환시차는 오일의 압력 및 온도에 비교적 큰 영향을 받는 것으로 관찰되었다.
- 록 핀(MLP)과 스위칭 핀(MSP)의 질량은 서로 반대 경향을 보이고 있는데, 록 핀의 경우 질량이 증가하면 latching 시간과 unlatching 시간이 모두 감소하고, 스위칭 핀의 질량이 증가하면 latching 시간과 unlatching 시간이 모두 증가하는 경향을 보이고 있다. 이 결과는 설계변경이 가능한 변수들을 각각 10% 증가시킨 결과이며, 이 변수들을 10%씩 감소시키면 이와 반대의 경향을 보일 것이다.
- 그래프에 보듯이 1차 시뮬레이션 및 시험결과와 유사한 그래프를 확인할 수 있으며, 모드전환 시 발생하는 시간차는 기존 대비 단축된 것을 볼 수 있다. 이 시간차는 낮은 변위 모드에서 높은 변위모드로 전환되는 경우 기존 스위칭 시스템 대비 약 40%, 높은 변위모드에서 낮은 변위모드로 전환시 약 280%의 시간단축이 가능함을 확인하였다. 여기서 한 가지 중요한 점은 설계변경이 낮은 변위모드에서 높은 변위모드로 전환되는 경우에 초점을 두고 진행되었지만, 최종 결과는 높은 변위모드에서 낮은 변위모드로 전환시에 발생하는 시간차도 큰 폭으로 감소되었다.
- Table 4는 유압제어밸브 작동시기와 록 핀 운동 사이에 발생하는지연시간을 시험결과와 비교한 것이다. 표에서 보듯이 유압제어밸브를 통하여 공급되는 오일의 압력이 증가할수록 latching 시간은 단축되고, unlatching 시간은 증가한다.
후속연구
- 스위칭 시스템은 밸브를 2단으로 제어하기 위하여 일반 태핏에 추가로 구성된 시스템이다. 따라서 본 시스템의 작동성 및 동적 안정성을 확인하기 위해서는 반드시 시스템의 최종 목적인 밸브 변위를 확인해야 한다.
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