기존의 선박용 디젤 엔진에는 항상 일정한 엔진 부하량을 유지하는 캠 구동장치가 적용되고 있었으나, 최근 환경규제로 인하여 엔진 부하량에 따라 실린더 온도를 개별적으로 제어하는 LDCL(Load dependent cylinder liner) JWCS(Jacket water cooling system)가 적용된 전자유압 제어방식이 개발되었다. 이 시스템에서 3-way 밸브는 실린더의 상부와 하부와의 온도 차이를 줄여 저온부식을 방지하는데, 대부분 수입에 의존하고 있으며 토출유량이 낮다. 이에 본 연구에서는 3-way 밸브 내부 형상 관련 설계인자가 성능(토출 유량 및 온도)에 미치는 영향을 파악하여 밸브의 형상 설계를 수행하였으며, 기존 모델과의 성능 비교를 통해 제안된 밸브의 우수성을 검증하였다.
기존의 선박용 디젤 엔진에는 항상 일정한 엔진 부하량을 유지하는 캠 구동장치가 적용되고 있었으나, 최근 환경규제로 인하여 엔진 부하량에 따라 실린더 온도를 개별적으로 제어하는 LDCL(Load dependent cylinder liner) JWCS(Jacket water cooling system)가 적용된 전자유압 제어방식이 개발되었다. 이 시스템에서 3-way 밸브는 실린더의 상부와 하부와의 온도 차이를 줄여 저온부식을 방지하는데, 대부분 수입에 의존하고 있으며 토출유량이 낮다. 이에 본 연구에서는 3-way 밸브 내부 형상 관련 설계인자가 성능(토출 유량 및 온도)에 미치는 영향을 파악하여 밸브의 형상 설계를 수행하였으며, 기존 모델과의 성능 비교를 통해 제안된 밸브의 우수성을 검증하였다.
Camshaft engines designed for constant engine loads have been applied to existing marine diesel engines. However, due to environmental regulations, electro-hydraulic servo mechanisms, which have a loaddependent cylinder liner jacket water cooling system (LDCL-JWCS), have been recently developed to i...
Camshaft engines designed for constant engine loads have been applied to existing marine diesel engines. However, due to environmental regulations, electro-hydraulic servo mechanisms, which have a loaddependent cylinder liner jacket water cooling system (LDCL-JWCS), have been recently developed to individually control the temperature of the cylinders depending on the engine load. In this system, the 3-way valve, which prevents low temperature corrosion by reducing the temperature difference between the upper and lower parts of the cylinder, has been employed, but the outlet mass flow of the existing valve is low. In this study, the design of the internal shape of the 3-way valve was performed by analyzing the effects of the design parameters of the valve shape on the performance (i.e., the outlet mass flow rate and temperature). The proposed model was verified by comparing its performance to that of existing marine diesel engine valves.
Camshaft engines designed for constant engine loads have been applied to existing marine diesel engines. However, due to environmental regulations, electro-hydraulic servo mechanisms, which have a loaddependent cylinder liner jacket water cooling system (LDCL-JWCS), have been recently developed to individually control the temperature of the cylinders depending on the engine load. In this system, the 3-way valve, which prevents low temperature corrosion by reducing the temperature difference between the upper and lower parts of the cylinder, has been employed, but the outlet mass flow of the existing valve is low. In this study, the design of the internal shape of the 3-way valve was performed by analyzing the effects of the design parameters of the valve shape on the performance (i.e., the outlet mass flow rate and temperature). The proposed model was verified by comparing its performance to that of existing marine diesel engine valves.
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제안 방법
그러나, 3-way 밸브의 유동 특성 및 성능향상을 위한 형상 설계에 관한 연구는 전무한 실정이다. 이에 본 연구에서는 3-way 밸브 내부 형상 관련 설계인자가 성능 (토출 유량 및 온도)에 미치는 영향을 파악하여 밸브의 형상 설계를 수행하였으며, 기존 모델과의 성능 비교를 통해 제안된 밸브의 우수성을 검증하였다.
그러나, 3-way 밸브의 유동 특성 및 성능향상을 위한 형상 설계에 관한 연구는 전무한 실정이다. 이에 본 연구에서는 3-way 밸브 내부 형상 관련 설계인자가 성능 (토출 유량 및 온도)에 미치는 영향을 파악하여 밸브의 형상 설계를 수행하였으며, 기존 모델과의 성능 비교를 통해 제안된 밸브의 우수성을 검증하였다.
상기에서 수행된 3-way 밸브의 내부형상 관련 설계인자에 따른 유동해석 결과를 토대로, 유량 및 온도 증가를 위하여 입구부 벽면 기울기(θ) 0°, 입구부에서 내부 벽까지의 거리(l) 120 mm, A 포트 및 B포트 측의 필렛 적용, 디스크 홀의 개수 및 직경은 각각 5개 및 36 mm인 모델을 제안 하였다. 기존 밸브와 개선된 밸브의 3D 모델링 및 설계인자를 비교하여 Fig.
(4) 3-way 밸브의 토출 유량 및 온도 증가를 위하여, 입구부 벽면 기울기(θ) 0°, 입구부에서 내부 벽까지의 거리(l) 120 mm, A포트 및 B포트 측의 필렛 적용, 디스크 홀의 개수 및 직경은 각각 5개 및 36 mm인 모델을 제안하였다. 개선된 모델은 기존모델과 비교하여 개도길이가 40 % 및 60 %일 때 토출 온도가 각각 20.
대상 데이터
(1) 이러한 문제점을 개선하기 위하여 Fig. 1과 같이 엔진 실린더를 개별적으로 관리함으로써 실린더 상부의 온도를 높여 저온부식을 방지하는 LDCL(Load Dependent Cylinder Liner) JWCS(Jacket Water Cooling System)이 도입 되었다. 이 시스템에서 Fig.
밸브 내부 형상 변화에 따른 성능을 파악하기 위하여, 기존의 연구를 토대로 5가지의 설계인자를 선정하였다. Go(10)와 Lee(11)의 연구에 따르면 유체가 흐르는 벽면의 각도와 모서리 필렛 은 유동의 압력 손실에 직접적인 영향을 주며, Kwak(12)의 연구에서는 입구부 체적이 늘어나면 유량이 증가하는 것으로 나타났다.
유동해석의 모델은 A포트 및 B포트로 흘러들 어오는 유동장인 2개의 입구, AB포트로 흘러나가는 유동장인 출구 및 밸브 바디 내의 유동장으로 구성되어 있다. 이때, 유동의 완전 발달을 유도하기 위하여 입구측은 직경의 6배, 출구측은 직경의 10배로 3D 모델링하여 Fig.
데이터처리
상용 유동해석 프로그램인 ANSYS CFX 17.0을 이용하여 3-way 밸브의 성능 향상을 위한 밸브 내부 형상 설계를 수행하였다.
이론/모형
3-way 밸브의 유동해석을 수행하기 위하여 식 (3)~식 (5)의 비압축성 유동장의 연속방정식, 시간평균 운동량방정식 및 k-ε난류 모델을 적용하였다.
성능/효과
입구부에서 내부 벽까지의 거리(l)에 따른 유동해석에서는 기울기와의 성능에 미치는 영향도 우선순위를 결정하기 위해 Table 4 및 Table 5와 같이 총 6가지 모델을 생성하였다. 그 결과, 내부 벽까지의 거리가 늘어날수록 토출 유량이 증가하는 경향을 보이나, 기울기 값에 따라서 성능의 증가폭에 큰 차가 있기 때문에 거리보다 기울기가 성능에 미치는 영향이 더 큼을 알 수 있었다.
11 및 Table 9에 나타내었다. 개선된 모델은 기존모델과 비교하여 개도길이가 40 % 및 60 %일 때 토출 온도가 각각 20.8 % 및 8.7 % 증가하였고, 토출 유량이 55 % 상승하였으며, 이를 Fig. 12 및 Table 10에 나타내었다.
(1) 입구 부 벽면의 기울기(θ)가 감소할수록 토 출 유량과 온도가 증가하였으며, 입구 부에서 내부 벽까지의 거리(l)가 늘어날수록 토출 유량이 증가하였다. 또한, 이론식을 통한 열량 계산 결과로부터 온도보다 토출유량이 실린더 온도를 높이 는데 더 중요한 성능임을 알 수 있었다.
)가 감소할수록 토 출 유량과 온도가 증가하였으며, 입구 부에서 내부 벽까지의 거리(l)가 늘어날수록 토출 유량이 증가하였다. 또한, 이론식을 통한 열량 계산 결과로부터 온도보다 토출유량이 실린더 온도를 높이 는데 더 중요한 성능임을 알 수 있었다.
(2) 필렛의 유무에 따른 유동해석 결과, A포트 및 B포트에 필렛을 적용한 모델의 토출 유량 및 온도가 가장 높았다.
(3) 디스크 홀의 개수 및 직경은 토출 유량 및 온도에 큰 변화가 없었으므로 밸브 성능에 큰 영향을 주지 않음을 알 수 있었다.
) 0°, 입구부에서 내부 벽까지의 거리(l) 120 mm, A포트 및 B포트 측의 필렛 적용, 디스크 홀의 개수 및 직경은 각각 5개 및 36 mm인 모델을 제안하였다. 개선된 모델은 기존모델과 비교하여 개도길이가 40 % 및 60 %일 때 토출 온도가 각각 20.8 % 및 8.7 % 증가하였고, 토출 유량이 55 % 상승하여 좋은 성능을 가짐을 알 수 있었다.
후속연구
본 연구결과의 개선된 3-way 밸브는 실린더의 저온부식 방지 및 국산화에 크게 기여 할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기존의 선박용 디젤 엔진은 어떠한 방식인가?
기존의 선박용 디젤 엔진은 크랭크샤프트에 연결된 캠 구동장치를 통하여 연료를 분사하고 출 력을 조절하는 방식으로(Cam-shaft engine), 항상 일정한 엔진 부하량을 유지하기 때문에 실린더 헤드, 중심 및 하부의 온도가 동일하다. 그러나 최근 환경규제에 대응하기 위하여, 엔진 부하량에 따라 연료가 분사되는 전자 유압 제어방식 (Electro-hydraulic servo mechanism)이 도입되어 연비가 향상되고 배기가스가 감소되었으나, 엔진 부하량이 낮을 때 작동하지 않는 실린더 상부의 온도가 낮아져 하부와 온도차이로 인한 저온부식 현상이 발생하는 문제점이 있다.
전자 유압 제어방식의 문제점은 무엇인가?
기존의 선박용 디젤 엔진은 크랭크샤프트에 연결된 캠 구동장치를 통하여 연료를 분사하고 출 력을 조절하는 방식으로(Cam-shaft engine), 항상 일정한 엔진 부하량을 유지하기 때문에 실린더 헤드, 중심 및 하부의 온도가 동일하다. 그러나 최근 환경규제에 대응하기 위하여, 엔진 부하량에 따라 연료가 분사되는 전자 유압 제어방식 (Electro-hydraulic servo mechanism)이 도입되어 연비가 향상되고 배기가스가 감소되었으나, 엔진 부하량이 낮을 때 작동하지 않는 실린더 상부의 온도가 낮아져 하부와 온도차이로 인한 저온부식 현상이 발생하는 문제점이 있다. 저온부식은 실린더의 강도저하 및 크랙으로 인한 누수를 야기하며, 라이너 온도가 약 70°C 이하가 되면 부식량이 급격히 증가한다.
전자 유압 제어방식의 저온 부식 현상의 문제점을 해결하기 위한 방법은 무엇인가?
(1) 이러한 문제점을 개선하기 위하여 Fig. 1과 같이 엔진 실린더를 개별적으로 관리함으로써 실린더 상부의 온도를 높여 저온부식을 방지하는 LDCL(Load Dependent Cylinder Liner) JWCS(Jacket Water Cooling System)이 도입 되었다. 이 시스템에서 Fig.
참고문헌 (12)
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