[논문]가솔린엔진 흡기매니폴드의 기통별 EGR 분배특성 연구

염경민; 이상인; 박성영

가솔린엔진 흡기매니폴드의 기통별 EGR 분배특성 연구
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염경민 (공주대학교 일반대학원 기계공학과) , 이상인 (공주대학교 일반대학원 기계공학과) , 박성영 (공주대학교 기계자동차공학부)

최근 자동차 배기가스 규제가 더욱 강화됨에 따라 완전 연소를 통한 배기가스 저감에 관하여 많은 연구가 진행되고 있다. 특히, 고온 연소시 문제가 되는 질소 산화물의 저감을 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 질소 산화물을 저감하는데 효과적인 EGR 기술의 도입이 보편화되고 있지만, 각 실린더별 EGR 분배 특성에 따라 엔진의 성능이 달라지는 역효과가 발생한다. 시제품을 동한 EGR 분배특성 파악은 비용과 시간 측면에서 상당한 난제가 산재해있다. 본 연구에서는 이러한 실험시간과 비용 절감을 위하여 1D 성능해석 프로그램인 GT-Power를 적용 EGR의 분배특성을 예측하였다.

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문제 정의

그러나 GT-Power의 경우 3D로 설계된 형상의 경우 해석의 예측이 정확하지 않을 수 있는 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 GT-Power를 통해 흡기 매니폴드의 정상상태 유동과 비정상태 유동의 비교 및 비정상상태 유동에서의 EGR 분배특성을 확인하였다.
본 연구에서는 해석적인 접근을 통하여 2000cc급 흡기매니폴드의 EGR분배성을 예측하고자 한다. 성능해석 프로그램으로는 Gamma Technologies사의 1D 프로그램인 GT-Power를 적용하였다.

제안 방법

흡기 매니폴드 내 유동을 정상 상태로 해석 하기위하여 흡기 매니폴드의 입구압력을 5kPa로 설정하고, 모든 러너에 유동이 동시에 흐르게 하였으며, 출구조건으로는 모든 러너에 상대압력을 0kPa 조건을 설정하였다. 또한, 작용유체의 온도는 300K로 설정하였으며, 러너별 질량유량의 분배 특성만을 보기위해 EGR에 대한 적용은 하지 않고 해석을 수행하였다.
본 연구에서 1D 엔진 성능해석 프로그램인 GTPower를 이용하여 흡기매니폴드의 EGR 분배특성을 파악하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
비정상상태의 해석에서는 러너별 질량유량이 정상 상태 유동과 어떠한 차이점이 있는지 확인하고 러너별 EGR율을 파악하여 EGR 분배특성을 확인하였다. 비정상상태 유동의 해석 조건은 정상상태 해석과는 다르게 EGR 시스템을 적용시켜 2000RPM 조건으로 해석을 수행하였으며, EGR율의 경우 배기 매니폴드출구에서의 평균 EGR율 10% 조건을 설정하였다.
비정상상태의 해석에서는 러너별 질량유량이 정상 상태 유동과 어떠한 차이점이 있는지 확인하고 러너별 EGR율을 파악하여 EGR 분배특성을 확인하였다. 비정상상태 유동의 해석 조건은 정상상태 해석과는 다르게 EGR 시스템을 적용시켜 2000RPM 조건으로 해석을 수행하였으며, EGR율의 경우 배기 매니폴드출구에서의 평균 EGR율 10% 조건을 설정하였다.
표 1에서는 모든 러너의 출구의 질량유량 합에 대한 러너별 질량유량을 백분율로 나타낸 결과이다. 이를 기준으로 각 러너별 분배성을 파악하였다. 그 결과 1번과 4번 러너의 질량유량이 상대적으로 2번, 3번 러너의 질량유량보다 낮은 것을 확인할 수 있었다.

대상 데이터

본 연구의 모델은 2000cc급 흡기매니폴드로 그림 1은 GT-Power에서 제공하는 3D-Discretization을 통해 3D로 재구성한 모델 파일을 1D로 변환하는 과정중 하나이다. 그림 2는 3D-Discretization에서 변환되어 1D프로그램인 GT-Power에 구성된 모습을 나타내고 있고 이를 이용하여 엔진 시뮬레이션을 수행하고 EGR 분배특성을 파악하고자 한다.

이론/모형

본 연구에서는 해석적인 접근을 통하여 2000cc급 흡기매니폴드의 EGR분배성을 예측하고자 한다. 성능해석 프로그램으로는 Gamma Technologies사의 1D 프로그램인 GT-Power를 적용하였다. GTPower의 경우 엔진 성능해석에 주로 쓰이는 해석 프로그램이며, 시간에 따른 연속특성 변화를 확인할수 있는 장점을 가지고 있다.

성능/효과

1) 정상상태 유동의 경우 각 러너별 유량에 있어 차이를 보였으나 비정상 상태일때는 고른 분배특성을 나타냈다. 이는 1차원 해석의 근본적인 제약으로 체적 콤포넌트의 해석에 있어 정확한 예측이 어렵기 때문으로 사료된다.
이를 기준으로 각 러너별 분배성을 파악하였다. 그 결과 1번과 4번 러너의 질량유량이 상대적으로 2번, 3번 러너의 질량유량보다 낮은 것을 확인할 수 있었다.
EGR 시스템을 적용하여 배기 매니폴드 출구에서 10%의 EGR율을 갖는 비정상 상태 유동해석을 진행한 결과 각 러너별 EGR율은 표 3에 나타나고 있으 며, 흡입공기의 질량유량과 EGR의 질량유량을 비교한 결과는 그림 6과 같다. 표 3에서 각 러너별 EGR 율의 편차는 0.3% 이내로 작은 편차의 결과를 보이고 있으며 각 러너별 분배성이 좋게 나왔음을 확인할 수 있다. 이 또한 1차원 해석 프로그램만으로 수행했다는 점에서 그 신뢰도의 재고가 필요할 것으로 사료된다.

후속연구

2) 본 연구에서는 1D CAE의 한계를 파악할 수 있었으며, 이를 보안하기 위하여 1D 해석프로그램과 3D 해석프로그램을 연동하여 EGR 분배특성을 파악하기 위한 연구를 진행할 예정이다.
3% 이내로 작은 편차의 결과를 보이고 있으며 각 러너별 분배성이 좋게 나왔음을 확인할 수 있다. 이 또한 1차원 해석 프로그램만으로 수행했다는 점에서 그 신뢰도의 재고가 필요할 것으로 사료된다.

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