[논문]굴삭기 엔진용 저압연료펌프 유체의 유동변화에 대한 수치해석적 연구

이일권; 김승철

doi:10.7842/kigas.2015.19.6.47

굴삭기 엔진용 저압연료펌프 유체의 유동변화에 대한 수치해석적 연구
A Study for Numerical Analysis of Flow Variation on Low Pressure Fuel Pump Fluid using Excavator Engine 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.19 no.6, 2015년, pp.47 - 53

초록
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이 논문은 굴삭기 엔진용 저압연료 펌프의 연료 유동에 대한 유동장 및 속도, 압력에 관하여 수치해석 방법을 적용하여 연구한 것이다. 연료 펌프의 압력 분포는 로터의 회전각도에 따라 연속적으로 변하며, 특히 회전각도 $40^{\circ}$에서 상대적으로 매우 높은 토출부 압력과 낮은 흡입부 압력이 동시에 발생함을 확인하였다. 또한, 이 각도에서 누설유동 유속이 가장 증가함을 알 수 있었다. 그리고 연료 펌프의 로터 회전수의 증가에 따라 평균토출유량이 선형적으로 증가하였고, 간극크기가 감소함에 따라 토출유량이 로터 기어 사이의 배제용적으로부터 계산된 이론적 토출유량 0.0712kg/s 으로 접근하는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is to study applying for numerical analysis method for flow field, velocity and pressure of fuel on the low pressure pump using excavator. The pressure distribution of fuel pump certified the linear variation according to rotation angle of rotor. Especially, it knew the fact that the pressure in rotation angle $40^{\circ}$ appeared high outlet and low inlet of fuel pump. Also, this range angle can seek the fact that the leakage flow and velocity are the most increasing. And the more rotor rotation of fuel pump, the more mean outlet flow rate increased in linear. Whenever the gap size decrease with rotor and housing, the discharge flow rate could seek the approaching 0.0712kg/s that consider with theory discharge flow rate calculated from displacement between rotor gear and idle gear.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 이 논문은 실험에 의해 개발된 굴삭기용 저압 연료 펌프의 모델을 이용하여 수치해석을 통해 펌프의 최적 상태를 분석하고 이의 최적성을 연구하고자 하기 위함이다.
본 연구에서는 회전용적형 기어 펌프의 내부유동 장에 대한 수치 해석을 통하여 간극크기 및 로터회 전수 변화에 따른 간극 누설유동 특성, 펌프 토출유량 및 맥동압력 변화에 대하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.연료 펌프의 압력 분포는 로터의 회전 각도에 따라 연속적으로 변하며, 특히 회전각도 40° 에서 상대적으로 매우 높은 토출부 압력과 낮은 흡입부 압력이 동시에 발생함을 확인하였다.

가설 설정

회전용적형 펌프 내부 유동장을 3차원 비압축성, 점성유동으로 가정하였으며, 난류모델로는 standard k-ε 모델을 사용하였다.

제안 방법

회전용적형 펌프 내부 유동장을 3차원 비압축성, 점성유동으로 가정하였으며, 난류모델로는 standard k-ε 모델을 사용하였다. 계산영역의 경계조건으로는 Fig. 5와 같이 입구와 출구에 대기압 조건을 설정하였으며, 특히 출구측은 체크밸브 방식을 적용하도록 하였다. 로터회전을 고려하기 위하여 주축로터와 종축로터에 반대방향으로 각 해석조건에 대응하는 동일한 크기의 회전속도를 적용하였다.
수치해석 조건은 펌프모델의 840rpm 및 2940rpm 을 각각 적용하였다. 또한 로터와 케이싱 사이의 간극 변화에 따른 유동장 변화를 보기 위하여 각각의 로터 회전수에 대하여 기어끝단과 하우징 사이의 간극을 기준 간극인 0.045mm를 포함하여 h=0.025, 0.035, 0.045, 0.055, 0.065인 경우에 대하여 해석을 수행하였다. 또한, 기어 사이드와 하우싱 사이의 간극을 기준 간극인 0.
5와 같이 입구와 출구에 대기압 조건을 설정하였으며, 특히 출구측은 체크밸브 방식을 적용하도록 하였다. 로터회전을 고려하기 위하여 주축로터와 종축로터에 반대방향으로 각 해석조건에 대응하는 동일한 크기의 회전속도를 적용하였다.
수치해석에서는 로터 회전수를 조건으로 로터와 케이싱 사이의 간극 변화에 따른 비정상 유동장 및 맥동압력 변화를 이해하기 위하여 회전(rotation) 용적형기어펌프(positive displacement gear pump)의 내부유동을 3차원 유동장으로 설정한 뒤, 유체 유동 해석 상용프로그램인 ANSYS V14.5 CFX의 격자생성기법(Immersed meshing technique)를 적용하여 수치해석을 수행하고, 그 특성을 고찰하였다.
12는 로터의 회전에 따른 토출부 평균압력변화를 나타내었다. 토출부 평균압력은 토출유량을 계산한 위치에 동일한 선상에서 평균을 취함으로써 도출하였다. 이 때 맥동압력 또한 토출부 유량 변화와 동일한 위상을 갖고 로터의 회전에 따라 일정한 주기를 보이고 있으며, 간극 크기 및 로터회전수의 변화에 따라 이러한 맥동압력 진폭도 변화를 보였다.
11은 로터의 회전에 따른 토출부에서의 질량 유량의 변화를 나타내었다. 토출부에서의 질량유량은 일정한 위치에서 일직선상에 대한 유속을 적분함으로써 구하였다. 질량유량은 로터의 회전에 따라 주기적으로 일정한 진폭을 가지고 맥동하는 것을 알 수 있다.

대상 데이터

기어식 연료펌프는 중장비 및 대형 차량인 버스, 소방차 등에 사용되는 디젤(diesel) 엔진에 장착된다. 최근에는 디젤엔진의 효율을 높이고 최적 제어를 위해 고압연료펌프를 장착한 커먼레일 방식의 분사방식도 적용되고 있다.
로터의 기어형상은 사이클로이드 곡선(cycloid curve)을 기본으로 설계되었으며, 기어의 잇수는 주축로터, 종축로터 각각 동일한 10개로 구성된다. 로터 기어의 외경은 29.6mm, 내경은 20mm이며, 로터 설계 회전수는 840rpm, 2940rpm이다. 이 때 로터와 케이싱사이에 형성된 배제용적으로부터 계산된 이론전 설계 토출량은 0.
수치해석 조건은 펌프모델의 840rpm 및 2940rpm 을 각각 적용하였다. 또한 로터와 케이싱 사이의 간극 변화에 따른 유동장 변화를 보기 위하여 각각의 로터 회전수에 대하여 기어끝단과 하우징 사이의 간극을 기준 간극인 0.

성능/효과

로터 회전으로 인한 최대 토출 유량은 회전각도 30°와 60° 부근에서 발생되는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 연료 펌프의 로터 회전수의 증가에 따라 평균토출유량이 선형적으로 증가하였고, 간극크기가 감소함에 따라 토출유량이 로터 기어 사이의 배제용적으로부터 계산된 이론적 토출유량으로 0.0712kg/ s로 접근하는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 로터의 회전 각도에 따라 로터 주위에서 발생하는 케비테이션 발생 정도를 나타내는 증발 질량 분률(vapor mass fraction)을 Fig.9에서 계산된 속도의 크기를 토대로 계산하면 Fig.10과 같이 로터와 로터의 치합이 열릴 때, 흡입부의 로터 간극 주위의 압력이 낮아지면서 캐비테이션 발생이 높아지는 것을 확인할 수 있었으며 기어 끝단과 하우징 사이 간극 에서도 발생이 간헐적으로 나타남을 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 h1의 경우 0.
연료 펌프의 압력 분포는 로터의 회전 각도에 따라 연속적으로 변하며, 특히 회전각도 40° 에서 상대적으로 매우 높은 토출부 압력과 낮은 흡입부 압력이 동시에 발생함을 확인하였다. 또한, 이 각도에서 누설유동 유속이 가장 증가함을 알 수 있었다. 로터 회전으로 인한 최대 토출 유량은 회전각도 30°와 60° 부근에서 발생되는 것을 확인할 수 있었다.
13은 로터 회전수 변화 및 로터와 케이싱 사이의 간극변화에 따른 평균토출유량의 변화를 그래프로 나타내었다. 로터 회전수의 증가에 따라 평균 토출유량이 선형적으로 증가함을 알 수 있으며, 간극크기가 감소함에 따라 토출유량이 로터 기어 사이의 배제용적으로부터 계산된 이론적 토출유량으로 접근하는 것을 볼 수 있다.
로터 회전으로 인한 최대 토출 유량은 회전각도 30°와 60° 부근에서 발생되는 것을 확인할 수 있었다.
압력차로 인하여 간극에서 높은 속도의 누설유동이 발생함을 확인할 수 있으며, Fig. 8에서 볼 수 있는 것처럼 세 가지 회전각도 중 유입부와 토출부 사이에 상대적으로 가장 높은 압력차가 발생하게 되는 40° 회전각도일 때 누설유동 유속이 가장 증가함을 알 수 있다.
연료 펌프의 압력 분포는 로터의 회전 각도에 따라 연속적으로 변하며, 특히 회전각도 40° 에서 상대적으로 매우 높은 토출부 압력과 낮은 흡입부 압력이 동시에 발생함을 확인하였다.
이러한 기계적인 시스템은 최근에는 전자제어식 방식으로 제어되면서 고압인 1200~ 2000kg/cm²의 압력으로 상승되어 분사되는 커먼레일(common rail) 방식의 고압 분사방식의 시스템이 적용되었다. 이 연료 펌프는 내부의 구동기어와 피동기어의 내부 기어는 코팅효과에 의해 고착현상이 개선되고, 펌프 구동시에 펌프의 지지메커니즘이 펌프의 이송효율에 영향을 준다는 것을 실험을 통하여 확인하였다[1]. 이러한 연료펌프는 유체라는 연료를 이송하면서 연료량, 연료의 속도 및 연료의 압력에 따라 성능에 영향을 준다[2,3].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	중장비 엔진의 연료의 공급시스템은 최근에 어떠한 분사방식이 적용되는가?	이러한 연료의 공급시스템은 연료탱크에서 유입된 연료가 5kg/cm2 정도의 압력으로 가압되어 고압펌프로 공급되면 120~300kg/cm2의 압력으로 상승하여 노즐을 통하여 엔진 내부의 연소실로 공급된다. 이러한 기계적인 시스템은 최근에는 전자제어식 방식으로 제어되면서 고압인 1200~ 2000kg/cm2의 압력으로 상승되어 분사되는 커먼레일(common rail) 방식의 고압 분사방식의 시스템이 적용되었다. 이 연료 펌프는 내부의 구동기어와 피동기어의 내부 기어는 코팅효과에 의해 고착현상이 개선되고, 펌프 구동시에 펌프의 지지메커니즘이 펌프의 이송효율에 영향을 준다는 것을 실험을 통하여 확인하였다[1].
	중장비 엔진의 작동을 위한 연료의 공급시스템의 과정은 어떠한가?	이러한 중장비 엔진의 작동을 위한 연료를 연료탱크에서 이송하는 펌프의 역할 또한 매우 중요하다. 이러한 연료의 공급시스템은 연료탱크에서 유입된 연료가 5kg/cm2 정도의 압력으로 가압되어 고압펌프로 공급되면 120~300kg/cm2의 압력으로 상승하여 노즐을 통하여 엔진 내부의 연소실로 공급된다. 이러한 기계적인 시스템은 최근에는 전자제어식 방식으로 제어되면서 고압인 1200~ 2000kg/cm2의 압력으로 상승되어 분사되는 커먼레일(common rail) 방식의 고압 분사방식의 시스템이 적용되었다.
	일반적으로 디젤 엔진에 장착되는 저압 연료펌프는 무엇에 의해 구동되는가?	일반적으로 디젤 엔진에 장착되는 저압 연료펌프는 엔진의 회전과 함께 회전하며 에어컨 컴프레서(compressor) 축에 의해 구동되며 내접기어 방식이 많이 사용된다. 이것은 연료 탱크로부터 실린더 헤드까지 연료를 공급하며, 유닛 인젝터에서 연료를 분사하는데 필요한 연료의 압력과 유량을 유지하는 기능을 하여야 한다.

참고문헌 (6)

L.K. Lee, etc, "Experimental Study on Reducing the Adherence Phenomenon between Idle Gear and Housing for Low-Pressure Fuel Pump of Excavator engine", Journal of KSTLE Vol. 29, No. 2, (2013)
Jung-Ho Lee, etc, "Numerical Simulation of 3-D Cavitation Flow in Volumetric Gear Pump", Spring Conference of KSME, (2011)
S.H Kim, etc, "Characteristics of Two Dimension Flow in an Involute Gear Pump", Journal of KSFC, Vol. 8, No.2, (2011)
Nam Kyung-Woo, etc, "Numerical Simulation In the IC Engine Lubricating Gerotor Oil PumP", Journal B of KSME, Vol. 2, No.6, (2006)
Chan-Shik Won, etc, "Flow Analysis of Automotive Oil Pump of Gerotor type", Journal of Fluid Mechanical, Vol. 6, No. 4, (2003)
Mincheol Park, etc, "Flow Analysis for 30ton Wheel Loader Gear Pump", Busan and Ulsan Spring Conference of KSAE, (2012)

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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