This paper is the third investigation on the evaluation methods of flow characteristics in a steady flow bench. In the previous works, several assumptions used in the steady flow bench were examined and the flow characteristics were estimated both by the conventional impulse swirl meter and a partic...
This paper is the third investigation on the evaluation methods of flow characteristics in a steady flow bench. In the previous works, several assumptions used in the steady flow bench were examined and the flow characteristics were estimated both by the conventional impulse swirl meter and a particle image velocimetry at 1.75B position. From these works, it was concluded that the assumption of the solid rotation might cause serious problems and both of the eccentricity and the velocity profile distort the flow characteristics when using the ISM at 1.75B plane. Therefore, the understanding of the detail velocity profiles is very important to keep discussing the issues about the steady flow evaluation method. For this purpose, the planar velocity profiles were measure at 1.75B position by particle image velocimetry and the characteristics were examined according to the valve angles and lifts. The results show that the planar velocity profiles of 11, 16, $21^{\circ}$ valve angle heads according to the lift are similar to each other, however, that of $26^{\circ}$ angle is an exceptional case in the all aspects. In addition, the swirl behaviors are not apparent up to 6~8 mm lift under the $21^{\circ}$ angle and somewhat arranged motions are observed over the whole plane near the highest lift. At this point, the narrower the angle, the lower the lift at which the swirl motions become clear. On the other hands, when the angle is $26^{\circ}$, the center of swirl is always farthest from the cylinder center and only the indistinct swirl is observed even if at the highest lift. Also, all the swirl centers are quite apart from the cylinder center so that the effect of eccentricity may not be negligible at 1.75B regardless the valve angle. Related to the tangential velocity along with the radial direction, the bands of the velocity distribution are very wide and the mean velocities of cylinder center basis are lower than the velocity which is assumed in the ISM evaluation. Lastly, the mean tangential velocity profiles of swirl center basis are sometimes higher than that of ISM-assumed up to 0.6 non-dimensional distance less than 6mm lift, however, as the lift increases the profiles are different according to the angles and profile $11^{\circ}$ is the most closed to the ideal profile. Consequently, the real velocity profile is far from the assumption of ISM evaluation.
This paper is the third investigation on the evaluation methods of flow characteristics in a steady flow bench. In the previous works, several assumptions used in the steady flow bench were examined and the flow characteristics were estimated both by the conventional impulse swirl meter and a particle image velocimetry at 1.75B position. From these works, it was concluded that the assumption of the solid rotation might cause serious problems and both of the eccentricity and the velocity profile distort the flow characteristics when using the ISM at 1.75B plane. Therefore, the understanding of the detail velocity profiles is very important to keep discussing the issues about the steady flow evaluation method. For this purpose, the planar velocity profiles were measure at 1.75B position by particle image velocimetry and the characteristics were examined according to the valve angles and lifts. The results show that the planar velocity profiles of 11, 16, $21^{\circ}$ valve angle heads according to the lift are similar to each other, however, that of $26^{\circ}$ angle is an exceptional case in the all aspects. In addition, the swirl behaviors are not apparent up to 6~8 mm lift under the $21^{\circ}$ angle and somewhat arranged motions are observed over the whole plane near the highest lift. At this point, the narrower the angle, the lower the lift at which the swirl motions become clear. On the other hands, when the angle is $26^{\circ}$, the center of swirl is always farthest from the cylinder center and only the indistinct swirl is observed even if at the highest lift. Also, all the swirl centers are quite apart from the cylinder center so that the effect of eccentricity may not be negligible at 1.75B regardless the valve angle. Related to the tangential velocity along with the radial direction, the bands of the velocity distribution are very wide and the mean velocities of cylinder center basis are lower than the velocity which is assumed in the ISM evaluation. Lastly, the mean tangential velocity profiles of swirl center basis are sometimes higher than that of ISM-assumed up to 0.6 non-dimensional distance less than 6mm lift, however, as the lift increases the profiles are different according to the angles and profile $11^{\circ}$ is the most closed to the ideal profile. Consequently, the real velocity profile is far from the assumption of ISM evaluation.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 이러한 속도분포의 특성을 파악하는 것도 매우 중요하므로, 밸브각도와 밸브리프트에 따른 속도분포의 특성을 살펴보기로 한다.
따라서 이후 논문에서는 다른 평가 위치에서도 속도분포 특성을 살펴보고, 그 이후에 이를 바탕으로 정량적인 분석을 시도하고자 한다.
또한 밸브각도가 실물 기관의 유동 및 연소에 미치는 영향이 매우 크므로,10-16) 이 각도를 중요 파라미터로 선정하였다. 본 논문에서는 일반적인 ISM 측정위치인 1.75B에서 밸브각도에 따른 변화에 주목하면서 논의하기로 한다.
이상과 같이 통상적인 ISM 평가위치인 1.75B에서 반경 방향을 따른 속도분포의 특성을 살펴보았는데, 중요한 것은 속도분포의 특성 자체보다는 이 특성이 현재 정상유동 평가에 미치는 영향을 평가하는 것이다.
가설 설정
7) 1.75B 위치에서 실제 속도분포 특성은 ISM 평가의가정과매우 다르다.
5에 밸브리프트가 2 mm, 3 mm로 낮을 때 평면속도분포(V), 유선(SL) 그리고 가상의 축 방향 속도분포(VZ)를 나타내었다. 여기서 축 방향 속도분포는 측정값이 아니라 평균속도(유량으로 산출)를 기반으로 축 방향 속도가 수평면 속도에 비례한다고 가정하여 산출한 값이다. 따라서 정성적으로 수평면 속도분포도 동시에 나타낸다.
제안 방법
Fig. 1에 본 연구에서 사용한 서로 다른 흡기밸브 각도를 가진 4개의 헤드의 개략도를 제시하였는데, 여기서 흡기밸브는 2개이지만 후측(rear) 밸브만 개방하여 흡입 시 스월유동이 형성되도록 하였다.
밸브 각도가 다른 네 가지 헤드를 대상으로 통상 적인 ISM 평가위치인 1.75B에서 PIV로 유속을 측정하고 비교한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
따라서 정상유동평가 방법에 대한 논의를 계속하기 위해서는 정상유동의 유동구조 파악이 선행되어야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 입자영상유속계(PIV, Particle Image Velocimetry)를 정상유동장치에 적용하여 통상적인 정상유동실험 조건에서 유속분포를 측정하였다. 또한 밸브각도가 실물 기관의 유동 및 연소에 미치는 영향이 매우 크므로,10-16) 이 각도를 중요 파라미터로 선정하였다.
대상 데이터
PIV 시스템은 카메라, 렌즈, 광원 및 동기화 장치로 구성되었으며, 미립자로는 오일을 사용하였다. 실험조건과 기타 PIV 시스템의 사양은 Table 1에 나타내었으며, 자세한 장치의 설명은 이전 논문9)에서 다루었기 때문에 생략하기로 한다.
성능/효과
1) 수평면 유속분포는 11°, 16°, 21° 가 유사하며 26° 가 스월 중심, 유동 방향 및 분포 등고선 형태에서 상이한 경향과 특성을 보여준다.
2) 21° 이하의 밸브각도에서 밸브리프트 6 mm ~ 8 mm 까지 스월 거동 중심이 실린더의 한 쪽에 치우치고 스월 외각의 빠른 유동이 실린더 중심부를 가로지르는 정돈되지 않은 상태를 보이다가, 최고 밸브리프트인 10 mm에서는 전 평면에 걸친 스월 거동이 관찰되는데, 밸브각도가 작을수록 낮은 리프트에서 스월의 정돈이 시작된다.
3) 밸브각도26°는 다른 각도와 달리 전체적으로 스월의 중심이 실린더 중심과 가장 멀리 떨어져 존재하며, 최고 리프트에서도 정돈된 스월 거동은 관찰되지 않는다.
4) 1.75B 위치에서 편심도는 측정값이 왜곡되지 않는 범위에 들어오지 않는다.
5) 반경 방향을 따른 접선속도는 변동의 폭이 매우 크며, ISM 평가와 상응하는 실린더 중심의 평균 접선속도는 ISM 평가에서 가정한 속도보다 낮다.
6) 스월 중심 평균속도분포는 밸브리프트 6 mm이하에서 무차원 거리 0.6까지 실제속도가 가상속도보다 큰 경우도 있지만 리프트가 증가하면 밸브각도에 따라 속도분포 상태로 달라지는데, 11°밸브각도가 비교적 가상속도와 잘 일치한다.
또한 ISM으로 예측한 스월의 각속도는 실제와 큰 차이가 나며 이것은 결과적으로 스월계수를 왜곡시킨다.8) 여기에 더해 현재 통용되는 1.75B 측정위치에서 스월은 충분히 전개되지 않으며, 스월의 편심과 속도분포는 모두 유동 특성을 왜곡시키지만 편심은 과소평가 쪽으로 그리고 속도분포는 과대평가 쪽으로 작용하는데, 속도분포의 영향이 편심보다 훨씬 크고 지배적인 것으로 나타났다.9)
결론적으로 1.75B 위치에서 ISM 측정값 처리의 가정인 강체회전과 관련하여, 편심도는 측정값이 왜곡돼지 않는 범위에 들어오지 않고, 스월도 정돈된 형태와는 거리가 멀다. 그리고 반경 방향을 따라 직선적으로 분포하는 이상적인 분포와는 매우 큰 차이가 난다.
우선 21°의 분포 특성은 실린더 중심의 경우 밸브리프트가 2 mm와 3 mm, 그리고 스월 중심의 경우 2 mm로 낮을 때를 제외하면 16°와 매우 유사하다. 그리고 리프트 2 mm에서 실린더와 스월중심에서 모두 전체적으로 평균속도가 가상속도보다 현저히 낮음과 동시에 중심과 근접한 부근에서 나타나는 각속도의 증가 현상도 관찰되지 않는다. 반면에 리프트가 3 mm로 증가하면 평균속도가 갑자기 증가하고 특히 무차원 거리 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
내연기관의 내부유동은 기관의 설계에 반영하는 것이 매우 중요한 이유는?
내연기관의 내부유동은 기관의 성능에 미치는 영향이 매우 크기 때문에1-5) 이를 파악하여 기관의 설계에 반영하는 것이 매우 중요하지만, 실물기관의 내부유동을 직접 관찰하여 파악하는 것은 매우 어렵고, 더구나 개발 또는 관심 대상의 모든 기관의 유동을 파악하는 것은 실질적으로 불가능하다.
정상유동평가 방법에 대한 논의를 계속하기 위해서는 정상유동의 유동구조 파악이 선행되어야 하는 이유는?
이상과 같이 이전 연구에서 지적한 모든 문제점 들은 실제 정상유동의 구조 즉 속도분포가 정상유동 평가의 가정인 강체회전에 부합하지 않기 때문에 발생한다. 따라서 정상유동평가 방법에 대한 논의를 계속하기 위해서는 정상유동의 유동구조 파악이 선행되어야 한다.
내연기관의 내부유동의 한계는?
내연기관의 내부유동은 기관의 성능에 미치는 영향이 매우 크기 때문에1-5) 이를 파악하여 기관의 설계에 반영하는 것이 매우 중요하지만, 실물기관의 내부유동을 직접 관찰하여 파악하는 것은 매우 어렵고, 더구나 개발 또는 관심 대상의 모든 기관의 유동을 파악하는 것은 실질적으로 불가능하다.
참고문헌 (16)
I. Y. Ohm and C. J. Park, "Effect of Fuel Stratification on Initial Flame Development: Part 1-without Swirl," Int. J. Automotive Technology, Vol.7, No.5, pp.519-526, 2006.
I. Y. Ohm and C. J. Park, "Effect of Fuel Stratification on Initial Flame Development: Part 2-low Swirl Condition," Int. J. Automotive Technology, Vol.9, No.6, pp.671-678, 2008.
I. Y. Ohm and C. J. Park, "Effect of Fuel Stratification on Initial Flame Development: Part 3-high Swirl Condition," Int. J. Automotive Technology, Vol.12, No.5, pp.653-660, 2011.
M. G. Kang and I. Y. Ohm, "Effect of Intake Flow Control Method on Part Load Performance in SI Engine - Comparison of Throttling and Masking," Transactions of KSAE, Vol.22, No.2, pp.156-165, 2014.
M. G. Kang and I. Y. Ohm, "Effect of Intake Flow Control Method on Part Load Performance in SI Engine(2) - EGR Characteristics and Comparison of Dilution Method," Transactions of KSAE, Vol.22, No. 4, pp.121-130, 2014.
J. B. Heywood, Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill, Int. Edn., Singapore, pp.343-345, 1988.
R. Stone, Introduction to Internal Combustion Engines, 2nd Edn., McGraw-Hill, Hong Kong, pp.183-185, 1992.
C. J. Park and I. Y. Ohm, "Study on Evaluation Method of Flow Characteristics in Steady Flow Bench(1) - Raising Issue," Transactions of KSAE, Vol.23, No.1, pp.88-96, 2015.
C. J. Park and I. Y. Ohm, "Study on Evaluation Method of Flow Characteristics in Steady Flow Bench(2) - Comparison of ISM and PIV Measurement," Transactions of KSAE, Vol.23, No. 1, pp.139-147, 2015.
I. Y. Ohm and C. J. Park, "In-cylinder Intake Flow Characteristics according to Inlet Valve Angle," Transactions of KSAE, Vol.14, No.3, pp.142-149, 2006.
I. Y. Ohm and C. J. Park, "In-cylinder Compression Flow Characteristics According to Inlet Valve Angle," Transactions of KSAE, Vol. 14, No.4, pp.77-83, 2006.
I. Y. Ohm and C. J. Park, "In-cylinder Intake Flow Characteristics of Helical Port Engines with Wide Valve Angle," Transactions of KSME-B, Vol.32, No.10, pp.761-768, 2008.
I. Y. Ohm and C. J. Park, "In-cylinder Compression Flow Characteristics of Helical Port Engines with Wide Valve Angle," Transactions of KSME-B, Vol.33, No.1, pp.9-16, 2009.
I. Y. Ohm and C. J. Park, "Effect of Inlet Valve Angle on In-cylinder Swirl Generation Characteristics(I)," Transactions of KSAE, Vol.16, No.6, pp.148-156, 2008.
I. Y. Ohm and C. J. Park, "Effect of Inlet Valve Angle on In-cylinder Swirl Generation Characteristics(II)," Transactions of KSAE, Vol.17, No.1, pp.42-48, 2009.
I. Y. Ohm, "Effects of Intake Valve Angle on Combustion Characteristic in an SI Engine," Int. J. Automotive Technology, Vol.14, No.4, pp.529-537, 2013.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.