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가솔린 자동차 터보차져용 WGV Head의 금속 분말 사출성형 해석
Metal Injection Molding Analysis of WGV Head in a Turbo Charger of Gasoline Automobile 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.23 no.4, 2015년, pp.388 - 395  

박보규 (한국섬유기계연구원 구조설계팀) ,  박시우 (한국섬유기계연구원 구조설계팀) ,  박대규 (한국섬유기계연구원 구조설계팀) ,  김상윤 (한국섬유기계연구원 구조설계팀) ,  정재옥 (한국PIM 연구소) ,  장종관 (영남이공대학교 자동차계열)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The waste gate valve (WGV) for gasoline vehicles operate in a harsh high-temperature environment. Hence, WGVs are typically made of Inconel 713C, which is a type of Ni-based superalloy. Recently, the metal injection molding (MIM) process has attracted considerable attention for parts used under high...

주제어

#금속분말 사출성형   #웨이스트게이트 벨브   #터보차져   #금속분말 사출성형해석  

AI 본문요약
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문제 정의

  • Moldflow는 일반적으로 플라스틱 사출성형 해석에 사용되는 software로 MIM 공법에 적용하기 위한 연구가 다양하게 진행 중이다. 따라서 본 연구에서는 상기의 해석결과를 바탕으로 실제의 금형을 설계 및 제작하였다. Moldflow 해석결과를 검증하기 위하여 충진양상 및 충진시 금형 내부 온도변화를 측정하여 해석 결과와 비교하였다.
  • 1과 같이 3가지 부품으로 구성되어 있으며 각 부품은 MIM공정으로 제작 후 head와 washer를 용접하여 완성한다. 본 연구에서는 WGV를 구성하는 부품 중 head에 대하여 분말 사출성형을 적용하기 위하여 CAE를 통한 금형설계를 하고자 한다. 그러나 일반적인 플라스틱 사출성형 해석의 경우 다양한 상용 CAE 소프트웨어가 있으나 MIM 공정에 대해서는 아직까지 정확한 해석 방법이 알려진 바가 없다.
  • 본 연구에서는 가솔린자동차 turbo charger용 WGV head의 금속분말사출 성형해석을 수행하였다. 이를 통해 실제 사출성형에서 발생할 수 있는 문제점을 파악하여 금형 설계에 반영하였고, 실제 제작된 금형을 이용하여 실제 사출실험을 통해 CAE 해석의 정확성을 검증하였다.

가설 설정

  • 4는 해석에 사용된 유한요소 모델이다. 해석시 별도의 냉각유로는 설계하지 않고 이상적인 냉각이 진행된다고 가정하였다. 금형의 표면 온도는 35도 녹는점은 160도, 보압은 사출압(injection pressure)의 80%로 10초, 냉각은 20초 그리고 충진시간(filling time)은 4초로 설정하여 해석을 수행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
가솔린 터보차져용 WGV에 사용되는 초경도 합금인 Inconel 713C의 단점은 무엇인가? 가솔린 터보차져용 WGV는 고온의 가혹한 환경에서 사용 되는 제품으로 초경도 합금인 Inconel 713C를 사용한다. 그러나 Inconel 소재는 초내열 합금으로 정밀 주조 및 가공을 통한 정밀한 가공이 어려워 대량 생산시 경제성이 떨어진다. 따라서 형상과 치수정밀도 및 고온에서의 특성을 구현하면서 대량 생산시 경제성을 확보하는 방법으로 금속 분말 사출성형(MIM: Metal Injection Molding)방법이 각광을 받고 있다.
웨이스트 게이트 벨브는 어떤 장치인가? 6,7) 터보차져는 배기가스를 이용하여 터빈휠을 돌려 흡입공기를 압축하여 엔진으로 공급하는 역할을 한다. 웨이스트 게이트 벨브(Waste Gate Valve: WGV)는 과급압을 컨트롤하는 장치로, 배기압이 일정 압력이 되면 작동하여 일정압력 이상 컴프레셔가 가압되지 않도록 조절해주는 장치이다. 가솔린 터보차져용 WGV는 고온의 가혹한 환경에서 사용 되는 제품으로 초경도 합금인 Inconel 713C를 사용한다.
터보차져의 역할은 무엇인가? 승용차량의디젤기관에서는 이미 터보차져에 관한 연구가 많이 이루어져 상용화되고 있으며,1-5) 승용 소형급 가솔린엔진도 터보차져가 일부 장착되고있으며, 특히 GDI엔진에서는 중대형급 엔진까지 터보차져의 장착율이 점차 확대되고 있다.6,7) 터보차져는 배기가스를 이용하여 터빈휠을 돌려 흡입공기를 압축하여 엔진으로 공급하는 역할을 한다. 웨이스트 게이트 벨브(Waste Gate Valve: WGV)는 과급압을 컨트롤하는 장치로, 배기압이 일정 압력이 되면 작동하여 일정압력 이상 컴프레셔가 가압되지 않도록 조절해주는 장치이다.
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참고문헌 (9)

  1. M. D. Eom, M. S. Kim and D. S. Baik, "A Study on Performance, Characteristics in Diesel Engine When Applied Ball Bearing Type Turbocharger," Transactions of KSAE, Vol.18, No.4, pp.74-78, 2010. 

  2. Y. H. Kang and D. H. Choi, "Simulation-based Optimum Allocation of a Resonator for Reducing the Blow Noise of a Turbocharger in a Diesel Engine," Transactions of KSAE, Vol.18, No.2, pp.129-134, 2010. 

  3. D. J. Park, C. H. Kim and Y. B. Lee, "A Study on the Characteristics of the Oil-free Turbocharger for Diesel Engine Vehicles," Transactions of KSAE, Vol.16, No.4, pp.47-55, 2008. 

  4. C. H. Hyun, K. H. Jung, C. S. Jung, B. M. Doo and Y. G. Koo, "Comparison of WGT and VGT Turbocharger for EGR System of Heavy-duty Diesel Engine for Meeting EURO-V," KSAE Spring Conference Proceedings, pp.269-274, 2008. 

  5. J. Y. Huh, J. E. Chung, Y. W. Jin, W. Kang and J. W. Chung, "Coordinated Control of EGR and VGT in the Diesel Engine," Transactions of KSAE, Vol.16, No.4, pp.159-164, 2008. 

  6. N. H. Cho, H. C. Park and M. R. Kim, "Effect of Boosted Intake Pressure on Stratified Combustion of a Gasoline Direct Injection Engine," Transactions of KSAE, Vol.11, No.2, pp.48-55, 2003. 

  7. J. D. Ryu, Y. W. Yoon and C. S. Lee, "The Study of Engine Output and Emission Characteristics according to Air Fuel Ratio for a Supercharged LPLi Engine," Transactions of KSAE, Vol.10, No.4, pp.77-84, 2002. 

  8. D. F. Heaney, Handbook of Metal Injection Molding, Woodhead Publishing in Materials, Woodhead Publishing Limited, Cambridge, pp.1-25, 2012. 

  9. B. G. Park, D. K. Park, S. W. Park, S. Y. Kim, J. O. Jeong and J. K. Jang, "Metal Injection Molding Analysis of WGV Head in a Turbo Charger of Gasoline Automobile," KSAE Annual Conference Proceedings, pp.1141-1146, 2014. 

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