[논문]블로바이 가스 내 오일입자들을 제거하기 위한 필터의 유동특성 수치해석

윤정의; 채강석; 강혁진; 정도영

doi:10.7467/ksae.2016.24.5.549

블로바이 가스 내 오일입자들을 제거하기 위한 필터의 유동특성 수치해석
Numerical Analysis of Flow Characteristics of the Filter for Separating Oil Mist from Blow-by Gas 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.24 no.5, 2016년, pp.549 - 555

윤정의 (강원대학교 기계설계공학과) , 채강석 (한국지엠 파워트레인) , 강혁진 (한국지엠 파워트레인) , 정도영 (한국지엠 파워트레인)

Abstract ▼ AI-Helper

This research was performed to determine the oil separation characteristics of the specially designed oil filter installed in a PCV cylinder head passage. The oil filter was specially designed with fleece for separating oil mist from blow-by gas. The fleece, made of fiber fabric material, is placed in the oil filter case to absorb oil mist with a small pressure drop during blow-by gas through the filter. To do this, 3-D CFD analysis was simulated for the simplified PCV system with the oil filter using the commercial code, Ansys CFX. Results showed that the oil filter's efficiency with fleece sharply increased as oil droplet size increased.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구는 블로바이 가스 내 오일 미스트들을 분리하기 위해 실린더 헤드 커버 내 PCV 통로에 설치된 새로운 형태의 오일 미스트 분리용 필터의 유동 특성 규명을 목적으로 수행되었다.
본 연구는 실린더 헤드 커버 내 PCV 통로에 설치된 오일 미스트 분리용 필터의 유동 특성 규명을 목적으로 수행되었다. 이를 위해 오일 필터 내 설치된 섬유질 형태의 오일 흡착제인 플리스를 다공성 물질로 모델링하여 전체적인 전산 해석 모델을 만들었으며, 해석 모델의 정확성을 위해 다공성 물질의 저항특성과 관련된 점성 및 관성 저항 값 C₁, C₂를 실험결과와 비교를 통해 결정하였다.

제안 방법

2) 블로바이 가스와 함께 유동하는 오일 미스트들의 흡착효율과 관련하여 오일 필터만의 필터흡착효율(ηfilter)과 필터를 포함한 실린더 헤드 커버 내 표면 전체에 흡착하는 오일 미스트들의 헤드커브 흡착효율(ηtotal)을 정의하였다.
그리고 공급 유량의 조건을 실제 엔진에서 발생하는 블로바이가스 유량과 유사한 조건인 12.3 l/min부터 98.4 l/min까지 변화시키면서 수행하였으며, 해석 모델의 타당성은 오일 미스트 분리용 필터 전 후단에서 실험을 통해 측정한 압력 차 값과 해석을 통해 구한 압력차 값을 서로 비교해보는 것으로 하였다.
실린더 헤드 커버 내 설치된 PCV 통로의 형상에 의한 블로바이 가스 유동 특성 때문에 발생할 수 있는 오일입자 분리 특성을 배제한 채 오일 미스트 분리용 필터만의 유동 특성을 파악하기 위해 사각형상의 테스트 유로로 만들어진 헤드 커버를 제작하여 오일 미스트 분리용 필터를 설치하였다.
실험 중 공급되는 유량은 Flowmetric사의 터빈타입 공기유량계(FM-8NT3-ADR-2030)를 사용하여 측정하였으며, 실험조건을 일정하게 유지하기 위해 20 °C 일정 공기공급 온도를 유지하도록 온도를 모니터링하였다.
실험은 플리스 샘플에 따른 편차를 확인하기 위해 플리스를 바꾸어 가면서 각각에 대해 실험을 수행하였으며, 플리스를 제외한 필터 케이스만의 저항을 알아보기 위해 플리스를 제외한 실험 또한 수행하였다.
그림을 살펴보면 점성저항(C1=2,550[kg/(m³s)])과 관성저항(C2=17,767[kg/m⁴]) 모두를 고려한 경우 실제 실험값과 잘 일치함을 확인할 수 있다. 이러한 검증과정을 통해 플리스의 저항값을 최종적으로 결정하여 모든 해석을 수행하였다.
이를 위해 오일 필터 내 설치된 섬유질 형태의 오일 흡착제인 플리스를 다공성 물질로 모델링하여 전체적인 전산 해석 모델을 만들었으며, 해석 모델의 정확성을 위해 다공성 물질의 저항특성과 관련된 점성 및 관성 저항 값 C1, C2를 실험결과와 비교를 통해 결정하였다.
최종적으로 다양한 운전 조건 하에서 오일 필터의 유동 특성을 규명하였다.
최종적으로 이렇게 설정한 전산 모델을 사용하여 오일 미스트 크기 변화에 따른 오일 필터의 오일 흡착효율을 설정하여 필터의 특성을 해석하였으며 그 결과는 아래와 같다.
필터의 공기 저항 특성을 규명하기 위해 Table 2에서 보여주듯이 공기 압축기를 통해 공기를 16.7 l/min부터 100 l/min까지 변화시켜가면서 테스트 헤드 커버에 설치된 오일 미스트 분리용 필터 양단에 뚫어 놓은 직경 6 mm의 구멍(Fig. 2 참조)에 작용하는 차압을 KIMO사의 MP111(1Pa 분해능을 가짐) 차압계를 사용하여 측정하였다.

데이터처리

이를 위해 실제 오일 미스트 필터에 대한 3-D 유동 해석 모델링을 수행하였으며, 해석 모델의 타당성 검정을 위해 테스트 리그를 활용한 실험 데이터 확보 및 비교 검증 과정을 수행하였다.
해석은 Ansys사의 유동해석 프로그램인 CFX를 사용하였다.

이론/모형

실제로 엔진 운전 중 블로바이 가스 내 오일 미스트는 미세한 양이므로 이들 사이의 particle coupling model은 one-way model을 채택하여 계산하였으며, 실험과 같은 일정 온도조건에서 공기를 작동 유체로 수행하였다.

성능/효과

1) 필터 내 오일 흡착제인 플리스를 다공성 물질로 고려할 경우 점성저항(C1=2,550[kg/(m3s)]) 및 관성저항(C2=17,767[kg/m4]) 모두를 고려한 경우 실제 실험값과 잘 일치함을 확인할 수있다.
3) 플리스 흡착제가 포함된 필터흡착효율(ηfilter)은 10 ㎛ 오일 미스트에 대해서는 29.9 %로 작은 값을 가지지만 90 ㎛ 크기의 입자에 대해서는 흡착효율이 95.2 %로 급격하게 증가한다.
4) 헤드커버 흡착효율(ηfilter)은 10 ㎛ 오일 미스트 경우에 대해서는 83.7 %이지만 90 ㎛ 크기의 입자에 대해서는 99.3 %의 값을 가진다.
5) 흡착효율 ηfilter, ηtotal는 오일 미스트들의 크기에 따라 증가하는 경향을 보인다.
그러므로 오일 미스트 분리용 필터가 차지하는 유동 저항의 대부분은 플리스 보다는 케이스의 형상에 기인한다는 것을 확인할 수 있다.
그리고 이렇게 필터를 통과하여 빠져 나가는 입자의 수는 오일 미스트의 크기가 작아질수록 증가하는 것을 확인할 수 있다.
그리고 플리스를 제외한 오일 필터 케이스만의 저항을 알아보기 위해 수행한 No fleece 실험 결과를 살펴보면 플리스가 있을 경우에 비해 유동 저항이 다소 감소하지만 큰 값은 아님을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플리스가 미스트 분리용 필터에 포함된 까닭은 무엇인가?	그림을 살펴보면 오일 미스트 분리용 필터에는 플리스(fleece)라 불리는 섬유질의 오일 미스트 흡수 막이 포함되어져 있음을 확인할수 있다. 운전 중 필터 전단의 작은 구멍을 통해 블로바이 가스가 고속으로 필터를 통과할 경우 오일 미스트는 관성력에 의해 플리스에 흡착되어 블로바이 가스로부터 분리되도록 필터를 설계하였음을 알수 있다.
	자동차 엔진에서 사용하는 PCV시스템은 어떤 방식을 채택하는가?	현재 자동차 엔진에서 사용하고 있는 PCV(Positive Crankcase Ventilation) 시스템은 블로바이(blowby) 가스를 PCV 밸브와 Breather 호스를 통해 흡기계로 재순환 시키는 방식을 채택하고 있다. 블로바이 가스에는 오일 팬에서 비산된 다량의 미세 오일 미스트(oil mist)가 함께 부유하여 이동하게 되며, 이들 미세 오일 미스트는 PCV 시스템을 통한 재순환 과정에서 흡기계를 통해 연소실로 들어가 연소과정에서 소모가 됨으로 인해 엔진 오일 소모 증대의 원인이 된다.
	오일 미스트들(oil mist)을 최대한 분리 시켜 크랭크 케이스로 회수 시키는 기술이 적용되고 있는 까닭은 무엇인가?	현재 자동차 엔진에서 사용하고 있는 PCV(Positive Crankcase Ventilation) 시스템은 블로바이(blowby) 가스를 PCV 밸브와 Breather 호스를 통해 흡기계로 재순환 시키는 방식을 채택하고 있다. 블로바이 가스에는 오일 팬에서 비산된 다량의 미세 오일 미스트(oil mist)가 함께 부유하여 이동하게 되며, 이들 미세 오일 미스트는 PCV 시스템을 통한 재순환 과정에서 흡기계를 통해 연소실로 들어가 연소과정에서 소모가 됨으로 인해 엔진 오일 소모 증대의 원인이 된다. 또한 연소실로 들어간 오일 미스트는 엔진연소의 전반적인 과정 및 연소 후 배기처리 과정에서 관계하는 촉매 등에도 악영향을 미친다. 이러한 이유로 가능한 한 흡기계로 유입시키기 전에 블로바이 가스 내 포함되어 있는 오일 미스트들(oil mist)을 최대한 분리 시켜 크랭크 케이스로 회수 시키고자하는 기술들이 PCV 시스템 통로를 구성하고 있는 헤드 커버 설계 과정에서 다양하게 적용 되고 있다.

참고문헌 (8)

B. O. Park, S. Y. Lee, Y. T. Park, J. G. Lee, H. S. Nam and S. H. Hong, "Development of Ventilation System of V6 Diesel Engine," KSAE Spring Conference Proceedings, pp.92-101, 2013.
C. S. Kim and S. Y. Park, "Performance Analysis of Oil Separators for Gasoline Engine Using CFD Simulation," Journal of KAIS, Vol.13, No.2, pp.516-521, 2012.
H. G. Kim, Y. B. Yoon, Y. J. Park, S. W. Lee and Y. S. Cho, "Numerical Analysis of Oil Separation Performance for Baffle Plate Designs," KSAE Spring Conference Proceedings, pp.208-213, 2009.
W. S. Kee, H. G. An, Y. S. Cho and B. C. Na, "An Experimental Study on Separation Efficiency for Oil Particle Diameter of Oil Separator in Cylinder Head Cover," KSAE Spring Conference Proceedings, pp.184-189, 2009.
K. S. Kim, "Numerical Simulation of Blow-by Gas and Oil Droplet Separation," KSAE Fall Conference Proceedings, pp.612-617, 2006.
P. Bastias, D. Grafl, J. Wagner, D. Caloghero, M. Puckett and D. Nash, "Air/Oil Separation in Cylinder Head Cover," SAE 2004-01-2933, 2004.
K. Satoh, T. Kawai, M. Ishikawa and T. Matsuoka, "Development of Method for Predicting Efficiency of Oil Mist Separators," SAE 2000-01-1234, 2000.
ANSYS, CFX Ver15 User's Manual, 2015.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

블로바이 가스 내 오일입자들을 제거하기 위한 필터의 유동특성 수치해석
Numerical Analysis of Flow Characteristics of the Filter for Separating Oil Mist from Blow-by Gas 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

데이터처리

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (8)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

블로바이 가스 내 오일입자들을 제거하기 위한 필터의 유동특성 수치해석 Numerical Analysis of Flow Characteristics of the Filter for Separating Oil Mist from Blow-by Gas 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

데이터처리

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (8)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

윤정의 (20)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

블로바이 가스 내 오일입자들을 제거하기 위한 필터의 유동특성 수치해석
Numerical Analysis of Flow Characteristics of the Filter for Separating Oil Mist from Blow-by Gas 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper