고압연료펌프는 GDI 엔진의 핵심 구성요소로써, 엔진출력 및 연료 효율을 향상시키기 위해서는 고압연료펌프의 유동특성을 연구하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 유압해석툴인 AMEsim을 이용하여 고압연료펌프의 통합 모델을 생성하여 유동해석을 수행하였다. 하지만, AMEsim은 시스템 해석을 위한 1차원 모델이므로 복잡한 유동현상이 발생하는 부근에서의 해석 결과는 정확하지 않은 단점이 있으므로 본 연구에서는 전산해석프로그램인 Fluent를 이용하여 난류유동이 발생하는 체크밸브의 흡입부와 토출부에서 유량과 알짜힘을 계산하였다. 다양한 압력조건과 밸브 간극변화에 따른 CFD 해석 결과는 AMEsim모델에 대한 룩업테이블로 사용되어 AMEsim의 결과를 보완함으로써 고압연료펌프에 대한 성능 분석결과의 정확성을 향상시키는 결과를 얻을 수 있었다.
고압연료펌프는 GDI 엔진의 핵심 구성요소로써, 엔진출력 및 연료 효율을 향상시키기 위해서는 고압연료펌프의 유동특성을 연구하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 유압해석툴인 AMEsim을 이용하여 고압연료펌프의 통합 모델을 생성하여 유동해석을 수행하였다. 하지만, AMEsim은 시스템 해석을 위한 1차원 모델이므로 복잡한 유동현상이 발생하는 부근에서의 해석 결과는 정확하지 않은 단점이 있으므로 본 연구에서는 전산해석프로그램인 Fluent를 이용하여 난류유동이 발생하는 체크밸브의 흡입부와 토출부에서 유량과 알짜힘을 계산하였다. 다양한 압력조건과 밸브 간극변화에 따른 CFD 해석 결과는 AMEsim모델에 대한 룩업테이블로 사용되어 AMEsim의 결과를 보완함으로써 고압연료펌프에 대한 성능 분석결과의 정확성을 향상시키는 결과를 얻을 수 있었다.
A high-pressure fuel pump is a key component in a gasoline direct injection (GDI) engine; thus, understanding its flow characteristics is essential for improving the engine power and fuel efficiency. In this study, AMESim, which is a hydraulic analysis program, was used to analyze the performance of...
A high-pressure fuel pump is a key component in a gasoline direct injection (GDI) engine; thus, understanding its flow characteristics is essential for improving the engine power and fuel efficiency. In this study, AMESim, which is a hydraulic analysis program, was used to analyze the performance of the high-pressure fuel pump. However, since AMESim uses a one-dimensional model for the system analysis, it does not accurately analyze the complicated flow characteristics. Thus, Fluent, computational fluid dynamics (CFD) software, was used to calculate the flow rates and net forces at the intake and discharge ports of the high-pressure fuel pump where turbulent flow occurs. The CFD analysis results for various pressure conditions and valve lifts were used as look-up tables for the AMEsim model. The CFD analysis results complemented the AMEsim results, and thus, improved the accuracy of the performance analysis results for the high-pressure fuel pump.
A high-pressure fuel pump is a key component in a gasoline direct injection (GDI) engine; thus, understanding its flow characteristics is essential for improving the engine power and fuel efficiency. In this study, AMESim, which is a hydraulic analysis program, was used to analyze the performance of the high-pressure fuel pump. However, since AMESim uses a one-dimensional model for the system analysis, it does not accurately analyze the complicated flow characteristics. Thus, Fluent, computational fluid dynamics (CFD) software, was used to calculate the flow rates and net forces at the intake and discharge ports of the high-pressure fuel pump where turbulent flow occurs. The CFD analysis results for various pressure conditions and valve lifts were used as look-up tables for the AMEsim model. The CFD analysis results complemented the AMEsim results, and thus, improved the accuracy of the performance analysis results for the high-pressure fuel pump.
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문제 정의
본 연구에서는 AMEsim 프로그램의 부정확한 유동해석 결과를 보완하기 위한 방법으로 상용 CFD 해석프로그램인 FLUENT를 사용하였으며 3차원 고압펌프 시스템의 다양한 압력차이와 밸브 간극변화에 따른 유동해석을 진행하였다. CFD의 결과를 이용하여 GDI 통합모델 해석의 정확도를 향상하고 성능개선 및 설계 검증 개선을 목표로 하였다.
본 연구에서는 CFD 프로그램인 FLUENT를 이용하여 체크밸브 주변부의 알짜힘과 유량을 계산하였으며, 이 결과를 이용하여 AMESim 프로그램에서 구성된 GDI 고압연료펌프 통합모델의 시스템 해석에 정확도를 높이고자 하였다. CFD의 정해석 방법을 AMEsim의 동해석 방법에 적용하기 위해 룩업테이블을 사용하였으며, CFD 해석 결과를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우에 의한 변화를 비교하였다.
제안 방법
고압연료펌프 내부의 3차원 비압축성 난류 유동을 해석하기 위해 standard k-ε model을 사용하였다.(9) 토출부의 입구압력 20 MPa을 적용한 이유는 설계 예정인 GDI 고압연료펌프 챔버의 정상작동압력이 20 MPa으로 설계되었으며, 챔버의 출구부분이 토출부의 입구부분이므로 이와 같은 압력조건을 사용하였다
CFD 해석 결과를 유압해석 툴인 AMEsim에 적용하기 위해 룩업테이블 형태로 변환하였다. 룩업테이블은 체크밸브 간극과 압력 차이에 의해 알짜힘과 유량을 3차원 그래프로 나타낸 결과이다.
고압연료펌프 내부에 존재하는 체크밸브를 기준으로 흡입부(intake)와 토출부(discharge) 두 부분으로 모델을 나누고 유동해석을 위해 내부유동영역을 추출하였다. Fig.
통합모델에서는 흡입부 해석 결과를 제외한 토출부 해석 결과를 사용하였다. 그 이유는 흡입부에서의 CFD 해석 결과와 AMESim 모델의 해석 결과가 크게 다르지 않았기 때문에 AMEsim의 자료를 이용하여 해석을 진행하였다.
또한 AMESim은 내부유동에 대해 유동 조건과 난류의 영향 등을 고려할 수 없어 본 연구에서는 CFD 결과를 이용하여 해석의 신뢰성을 가지도록하였다. Fig.
마지막으로 AMEsim 고압연료펌프 통합모델에 CFD 해석 결과를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우에 대한 흡입부와 토출부의 성능을 계산하였다. Fig.
본 논문에서는 GDI 고압연료펌프의 통합 모델의 성능을 해석하기 위해 유압해석 툴인 AMEsim을 이용하여 내부유동해석을 수행하였다. 하지만 AMEsim은 시스템 측면에서 유량과 유압을 계산하여 펌프의 정밀한 유동특성을 해석하는데 한계가 있다.
본 연구에서는 AMEsim 프로그램의 부정확한 유동해석 결과를 보완하기 위한 방법으로 상용 CFD 해석프로그램인 FLUENT를 사용하였으며 3차원 고압펌프 시스템의 다양한 압력차이와 밸브 간극변화에 따른 유동해석을 진행하였다. CFD의 결과를 이용하여 GDI 통합모델 해석의 정확도를 향상하고 성능개선 및 설계 검증 개선을 목표로 하였다.
본 연구에서는 GDI 고압연료펌프의 성능을 알아보기 AMESim 모델을 이용하여 시스템 해석을 수행하였다. 하지만, AMESim은 복잡한 현상을 가진 밸브 주변이나 유동손실로 인한 유동현상은 정확히 해석하지 못하므로 이에 대한 보완이 필요하다.
대상 데이터
2에 나타냈다. CFD 해석을 위한 모델은 고압연료펌프 부품 중 체크밸브 주변부이다. 체크밸브는 고압펌프 내부에서 연료가 일정한 방향으로 흐를 수 있도록 해주며 토출유량을 조절하는 역할을 하는 중요한 부품이므로 체크밸브 주변부의 정확한 유동분석은 고압연료펌프 성능 해석에 반드시 필요하다.
Fig. 1은 본 연구의 해석대상인 GDI 시스템이다. GDI 시스템은 엔진 구동 시 고압연료펌프 하단의 캠(cam) 회전에 의해 피스톤(piston)의 상하복운동으로 작동된다.
유동에 사용된 물성치는 일반 차량용 가솔린의 물성치인 밀도(ρ) : 712 kg/m3 , 점성(ν) : 0.0004 kg/m·s을 사용하였다.
토출부 체크밸브 주변부의 CFD 해석으로 유량과 알짜힘의 룩업테이블을 AMEsim 통합모델에 적용하였다. 통합모델에서는 흡입부 해석 결과를 제외한 토출부 해석 결과를 사용하였다. 그 이유는 흡입부에서의 CFD 해석 결과와 AMESim 모델의 해석 결과가 크게 다르지 않았기 때문에 AMEsim의 자료를 이용하여 해석을 진행하였다.
데이터처리
본 연구에서는 CFD 프로그램인 FLUENT를 이용하여 체크밸브 주변부의 알짜힘과 유량을 계산하였으며, 이 결과를 이용하여 AMESim 프로그램에서 구성된 GDI 고압연료펌프 통합모델의 시스템 해석에 정확도를 높이고자 하였다. CFD의 정해석 방법을 AMEsim의 동해석 방법에 적용하기 위해 룩업테이블을 사용하였으며, CFD 해석 결과를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우에 의한 변화를 비교하였다.
이론/모형
고압연료펌프 내부의 3차원 비압축성 난류 유동을 해석하기 위해 standard k-ε model을 사용하였다.
토출부 체크밸브 주변부의 CFD 해석으로 유량과 알짜힘의 룩업테이블을 AMEsim 통합모델에 적용하였다. 통합모델에서는 흡입부 해석 결과를 제외한 토출부 해석 결과를 사용하였다.
성능/효과
10과 같다. AMEsim 해석 결과는 체크밸브의 간극이 증가함에 따라 유량의 증가율이 점점 증가하는 반면, CFD 해석 결과는 체크밸브 간극이 증가함에 따라 유량의 증가율이 점점 감소함을 알 수 있었다.
이 영향으로 인해 CFD 해석 결과를 포함하지 않은 AMESim 결과의 급격한 유량의 상승과 불규칙한 변화가 완만하게 줄어들 수 있었다. 그러므로 고압연료펌프의 정확한 해석을 위해서는 AMESim 모델에서 체크밸브와 같은 복잡한 유동현상이 발생하는 부분에 대해서는 CFD 해석을 이용한 룩업테이블을 통해 전체 시스템 해석 결과의 보완이 필요하다는 사실을 다시 한 번 확인할 수 있었다.
비교 결과 토출부의 성능변화는 연료흐름의 반대쪽인 흡입부에도 영향을 주는 것을 알 수 있었으며, 토출부에서 CFD 해석 결과를 사용하면 밸브의 이동 속도가 조금 느려졌으며 이 결과로 인해 토출유량의 급격한 상승 현상이 사라짐을 확인할 수 있었다. 연구결과는 실제 형상과 내부유동에 대해 더욱 정확한 CFD 해석을 통해 얻었으므로 고압연료펌프의 성능 해석 및 설계를 위한 중요한 기초 자료로 사용될 수 있을 것이라 기대한다.
캠이 20 도(피스톤이 최하지점에서 상승을 반쯤 한 구간)일 때 CFD 해석으로 얻은 결과를 적용 시 체크밸브의 이동속도는 느려지게 된다. 이 영향으로 인해 CFD 해석 결과를 포함하지 않은 AMESim 결과의 급격한 유량의 상승과 불규칙한 변화가 완만하게 줄어들 수 있었다. 그러므로 고압연료펌프의 정확한 해석을 위해서는 AMESim 모델에서 체크밸브와 같은 복잡한 유동현상이 발생하는 부분에 대해서는 CFD 해석을 이용한 룩업테이블을 통해 전체 시스템 해석 결과의 보완이 필요하다는 사실을 다시 한 번 확인할 수 있었다.
흡입부의 경우 캠 각도에 의한 이동 위치 그래프의 기울기는 체크밸브의 이동속도를 의미한다. 캠 각도가 -20도(피스톤이 최대상승위치에서 하강을 반쯤 한 구간)에서 CFD 해석 결과를 포함하지 않는 AMESim 결과에 비해 CFD 해석 결과를 포함한 AMESim 결과에서 이동속도는 약간 상승하였으며, -20도와 20도 부근에서 토출유량 및 토출압력의 차이가 각각 발생하였다.
6 mm 의 속도양상을 살펴보면 다음과 같다. 해석 결과 체크밸브 간극에서 가장 클 때 작동유체의 속도 역시 최대임을 확인할 수 있었다. 토출부의 유량변화, 알짜힘의 계산결과는 AMEsim 모델과의 비교를 통해 5장에 설명하였다.
후속연구
비교 결과 토출부의 성능변화는 연료흐름의 반대쪽인 흡입부에도 영향을 주는 것을 알 수 있었으며, 토출부에서 CFD 해석 결과를 사용하면 밸브의 이동 속도가 조금 느려졌으며 이 결과로 인해 토출유량의 급격한 상승 현상이 사라짐을 확인할 수 있었다. 연구결과는 실제 형상과 내부유동에 대해 더욱 정확한 CFD 해석을 통해 얻었으므로 고압연료펌프의 성능 해석 및 설계를 위한 중요한 기초 자료로 사용될 수 있을 것이라 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
GDI 엔진이란?
그 개발의 중심에 디젤엔진의 원리를 가솔린 엔진에 적용한 GDI(Gasoline Direct Injection) 엔진이 있다. GDI 엔진은 고압의 연료를 연소실 내부로 분사하여 연소반응에 참여하는 연료의 표면적을 넓혀 출력, 연비향상 및 배기가스를 저감하게 되는 기술로써 최근 국내뿐만 아니라 세계의 많은 차량에 적용이 되고 있는 기술이다. GDI 엔진은 고압의 연료를 생성하기 위하여 기존의 가솔린 엔진에서 사용하는 저압연료펌프 이외에 고압연료펌프 부품이 추가적으로 필요하다.
고압연료펌프를 AMEsim으로 해석했을 때 어떤 한계를 가지는가?
하지만 AMEsim은 시스템 측면에서 유량과 유압을 계산하여 펌프의 정밀한 유동특성을 해석하는데 한계가 있다. 연료의 흡입과 토출이 이루어지는 고압연료펌프는 흡입부와 토출부의 형상이 복잡하여 동특성 및 유공압 작동특성과 관련 있는 토출유량과 알짜힘 결과가 부정확하게 나타난다.
고압연료펌프의 문제점은?
고압연료펌프는 연료흡입과 토출, 유량 변동, 그리고 과도한 압력 변화로 인해 GDI 시스템의 부품 피로를 증가시켜 수명 단축을 유발한다. 이로 인해 고압연료펌프에 대한 성능연구 및 작동 특성의 분석이 필요하다.
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