[논문]승용차용 터보과급기 로터의 관성모멘트 측정

정진은; 이상운

doi:10.7467/ksae.2016.24.1.033

승용차용 터보과급기 로터의 관성모멘트 측정
Measurement of Inertia of Turbocharger Rotor in a Passenger Vehicle 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.24 no.1, 2016년, pp.33 - 38

정진은 (한국기술교육대학교 기계공학부) , 이상운 (한국기술교육대학교 대학원 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The turbocharger is an essential component to realize the engine down-sizing. The moment of inertia of turbocharger rotor is an important parameter with respect to acceleration performance of the vehicle. It can be calculated from the CAD software based the geometry data and the material properties. But the accurate value of the inertia of turbocharger rotor must be measured through the experimental method. In this study, the measurement of moment of inertia of turbocharger rotor for 2.0 L spark-ignition engine was carried out. First, an experimental equipment using a trifilar method was designed and fabricated. Some optical devices, that is, photo sensor, counter, convex lens, etc, were used to increase the accuracy of the measurement. Second, error sensitivity for the equipment was analyzed. The error of period time and the radius can give big affects to the accuracy of the moment of inertia. When the amount of error of these two were each 1.0 %, maximum error of the moment of inertia was under 3.0 %. Third, the calibration for the equipment was performed using a calibration rotor which has similar shape to turbine rotor but simple. Calculated value from CAD software and measured one for the calibration rotor were compared. The total error of the equipment and the measurement is about 1.3 %. This result shows that the equipment can give the good result with resonable accuracy. Finally the moment of inertia of the turbine rotor and compressor wheel were measured. The coefficient of variations, the ratio of standard deviation to mean value, were reasonably small at 0.57 % and 0.73 % respectively. Therefore this equipment is suitable for the measurement of the moment of inertia of the turbine rotor and compressor wheel.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

(b)와 같이 터빈 로터와 압축기 휠을 매달아 디스크를 각 20° 정도 비틀어 회전 진자 운동 발생시켜 진동주기를 측정하므로 관성모멘트를 측정하였다.
1) Trifilar Method를 적용하여 터보과급기 로터의 정밀한 관성모멘트 측정을 위한 장치를 설계하고 제작하였다.
2) 줄에 매달린 디스크의 비틀림 진자 운동을 해석하여 관성모멘트와 진동주기의 관계를 구하였다.
3) 측정 장치의 오차 분석을 위하여 관성모멘트에 영향을 미치는 인자의 미분을 취하여 관성모멘트오차 관계를 표현하였다.
본 연구에서는 3개의 줄을 사용한 Trifilar Method를 바탕으로 측정 장치를 설계하고 제작하였으며, Trifilar Method 이론에 근거하여 오차 분석을 수행하였다. 또한 실험장치의 타당성을 검증하기 위하여 교정 로터(calibration rotor)를 사용하여 측정값을 비교 검토하였다. 제작된 측정 장치를 사용하여, 가솔린 승용 2.
터보과급기 로터의 관성모멘트를 측정하기 위하여 Trifilar Method에 근거한 장치를 설계하고 제작 하였으며 측정된 결과에 대한 오차 분석을 수행하였다. 또한 제작된 장치를 검증하기 위하여 교정 로터를 제작하여 관성모멘트를 측정하고 CAD 소프 트웨어에서 제공되는 값과 비교하였다. 그리고 터빈 로터와 압축기 휠의 관성모멘트를 측정하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구를 위해 설계 및 제작 된 관성측정 장비의 타당성을 검증하기 위해 교정 로터를 제작하였다. 교정 로터는 축과 디스크 형태의 로터로 구성되며, Table 2에 상세 제원을 나타내었다.
본 연구에서는 3개의 줄을 사용한 Trifilar Method를 바탕으로 측정 장치를 설계하고 제작하였으며, Trifilar Method 이론에 근거하여 오차 분석을 수행하였다. 또한 실험장치의 타당성을 검증하기 위하여 교정 로터(calibration rotor)를 사용하여 측정값을 비교 검토하였다.
측정 장치를 설계 및 제작하는 과정에서 측정의 정확도를 향상시키기 위해 몇 가지 부품을 추가하였다. 상황에 따라 줄 길이를 조절하여 정렬상태를 유지할 수 있도록 줄 길이 조절 장치를 부착하였으며, 정교하고 정확한 비틀림 각을 제공하기 위해 소켓을 사용한 비틀림 조절장치를 적용하였다. 실험 결과에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 판단되는 진동 주기를 정확하게 측정하기 위해 광학 포토 센서와 카운터, 타이머 장치를 사용하여 진동주기 계측 시스템을 구성하였다.
상황에 따라 줄 길이를 조절하여 정렬상태를 유지할 수 있도록 줄 길이 조절 장치를 부착하였으며, 정교하고 정확한 비틀림 각을 제공하기 위해 소켓을 사용한 비틀림 조절장치를 적용하였다. 실험 결과에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 판단되는 진동 주기를 정확하게 측정하기 위해 광학 포토 센서와 카운터, 타이머 장치를 사용하여 진동주기 계측 시스템을 구성하였다. 이때 포토 센서에서 나오는 광원에 볼록렌즈를 장착하여 광원의 직경을 줄여서 미세한 비틀림 진자 운동에서의 주기 측정을 가능하게하였다.
2에 개략도를 나타내었다. 측정 장치를 설계 및 제작하는 과정에서 측정의 정확도를 향상시키기 위해 몇 가지 부품을 추가하였다. 상황에 따라 줄 길이를 조절하여 정렬상태를 유지할 수 있도록 줄 길이 조절 장치를 부착하였으며, 정교하고 정확한 비틀림 각을 제공하기 위해 소켓을 사용한 비틀림 조절장치를 적용하였다.
터보과급기 관성모멘트 측정 장치를 이용하여 터보과급기 로터의 관성모멘트를 측정하였다. 터보과급기 로터는 터빈 로터(turbine rotor)와 압축기 휠 (compressor wheel)로 구성되어 있다.

대상 데이터

교정 로터의 기하학적 형상은 측정할 터빈 로터를 기반으로 하되 최대한 단순화하였고, 재질은 알루미늄 합금단일재질로 제작하였다.
또한 실험장치의 타당성을 검증하기 위하여 교정 로터(calibration rotor)를 사용하여 측정값을 비교 검토하였다. 제작된 측정 장치를 사용하여, 가솔린 승용 2.0 L급 엔진에 사용되는 터보과급기 로터의 관성 모멘트를 측정하였다.
측정 장치는 측정 대상 물체를 매달 수 있는 디스크(turn disc)와3개의줄, 이 줄들의 길이를 조절하며 수직/수평 정렬을 유지하는 스탠드, 진동 운동의 주기를 측정하는 광학 장치 등으로 구성된다. 장치의 사진은 Photo.
터보과급기 관성모멘트 측정 장치를 이용하여 터보과급기 로터의 관성모멘트를 측정하였다. 터보과급기 로터는 터빈 로터(turbine rotor)와 압축기 휠 (compressor wheel)로 구성되어 있다. Fig.

데이터처리

터보과급기 로터의 관성모멘트를 측정하기 위하여 Trifilar Method에 근거한 장치를 설계하고 제작 하였으며 측정된 결과에 대한 오차 분석을 수행하였다. 또한 제작된 장치를 검증하기 위하여 교정 로터를 제작하여 관성모멘트를 측정하고 CAD 소프 트웨어에서 제공되는 값과 비교하였다.

성능/효과

4) 관성모멘트 오차는 주기 오차와 거리 오차의 영향이 크다는 것을 확인하였으며, 주기 오차와 거리 오차가 1.0 % 오차를 보일 때, 관성모멘트 오차는 최대3.0 % 미만이라는 것을 알수 있었다.
5) 교정 로터에 대한 측정 결과를 오차 분석한 결과 측정 장치 자체의 오차와 측정 과정에서 발생한 오차의 합이 1.3 %의 값을 보이므로 측정 장치의 정확성을 검증하였다.
6) 제작된 장치를 이용하여 터빈 로터와 압축기 휠의 관성모멘트를 측정하였으며, 측정값의 변동 계수가 각각 0.57 %, 0.73 %를 보였다. 따라서 제작된 장비를 이용하여 터보과급기 로터의 정밀한 관성모멘트 측정이 가능함을보였다.
따라서 본 연구에서 설계 제작한 터보과급기 로터의 관성모멘트 측정 장치는 충분히 정확한 측정 이 가능함으로 보이고 있다.
73 %를 보였다. 따라서 제작된 장비를 이용하여 터보과급기 로터의 정밀한 관성모멘트 측정이 가능함을보였다.
여 기서 변동계수는 평균값에 대한 표준 편차의 비로 정의된다. 따라서 터빈 로터와 압축기 휠에 대하여 측정된 관성모멘트 값의 변동계수가 충분히 작아 제작된 장비를 이용하여 터보과급기 로터의 정밀한 관성모멘트 측정이 가능함을 보였다.
측정 장치를 이용하여 측정된 교정 로터의 관성 모멘트는CAD data로부터 계산된 값을 기준으로할 때 오차 2.9 %를 보이고 있다. 측정 장치의 오차 분석을 위해 식 (9)와 함께 질량 오차 2.

참고문헌 (6)

J. Y. Jung, H. C. Oh and C. S. Bae, "Characteristics of Turbocharger Equipped with TiAl Turbine Wheel in Downsizing GDI Engine," KSAE Spring Conference Proceedings, pp.34-40, 2013.
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G. Genta and C. Delprete, "Some Considerations on the Experimental Determination of Moments of Inertia," Meccanica, Vol.29, pp.125-141, 1994.

상세보기
A. B. Schwartz, S. Malick and J. R. Friesen, "Measurement of the Moment of Inertia of Missile-type Bodies: A Modified Bifilar Torsion Pendulum Formula," Aircraft Engineering and Aerospace Technology, Vol.29, No.9, pp.271-274, 1957.

상세보기
D. P. Lyons, "Obtaining Optimal Results with Filar Pendulums for Moment of Inertia Measurements," 61st Annual Conference, Society of Allied Weight Engineers, No.3237, 2002.
J. L. du Bois, N. A. J. Lieven and S. Adhikari, "Error Analysis in Trifilar Inertia Measurements," Experimental Mechanics, Vol.49, Issue 4, pp.533-540, 2009.

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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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