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문제 정의
- 본 연구에서는 최근 가솔린 Turbo GDI 엔진용 흡기 매니폴드 모듈로는 처음으로 개발하여 양산을 시작한 T-car Turbo GDI 엔진용 Plastic 흡기 매니폴드 모듈 개발에 대해서 통합적으로 고찰하고자 한다.
제안 방법
- CAE 해석은 전 단계에서 설계된 Plastic 흡기 매니폴드 모델을 이용하여 경계조건으로 엔진 장착부인 고정부와 주요 부품에 의한 하중을 반영한 후 내부의 압력을 인가하여 각 부분에서 발생되는 응력과 변형을 예측하였다. 이후 취약 부위에 대해서는 weld bead, shell 두께, Rib 등을 수정, 보강하여 추후 발생될 수 있는 문제점을 사전에 방지하였다.
- T-car Turbo GDI 엔진의 성능 저하를 개선 하기 위해 엔진 layout 재검토, design concept 모델의 CFD 및 경쟁사 벤치마킹 등을 통해서 External Center Feeding Type으로 변경하였다. 본 방식은 Turbo charger에서 압축된 공기가 Inter cooler 및 air induction hose를 통해 서 ETC로 유입될 때 ETC의 방향을 하향에서 상향으로 변경 함으로써 흡입공기 가 Surge tank를 통과하여 직접 Runner로 유입되는 형태로 공기의 유동저항으로 최대한으로 저감시킬 수 있다.
- T-car Turbo GDI 흡기 매니폴드는 협소한 엔진 layout내에서 형상이 구현되어 있어 Runner 및 Zip Tube의 유로가 급격히 구부러져 있는 것이 특징으로 일부 Shell의 금형 구조가 매우 복잡하여 상대적으로 양산성에 유리한 금형구조개선을 위해 Port flange와 ETC flange를 각각 서로 다른 Shell에 위치시켜 금형 구조를 개선하였다.
- Turbo엔진의 환경을 고려하여 보다 높은 신뢰성 확보를 충족시키기 위해서 T-car Turbo GDI 흡기 매니폴드는 10Bar 이상을 목표로 내압 강도 CAE 해석과 시험을 진행하였다.
- Plastic 흡기 매니폴드 제작에는 여러 가지 방법이 있으나, 보편적으로는 PA6 재질의 Shell을 사출한 후에 이들을 Vibration welding 방식으로 접합하여 공기유로를 생성하는 방식을 사용하고 있다. 각 Shell간의 접합을 위해 weld bead을 생성한 두 개의 shell을 welding fixture에 안착한 후 Vibration welder에서 상하 방향으로 압력을 가한 상태에서 한 방향으로 진동마찰을 인가하게 되면 접촉부가 마찰열에 의해 용융되어 두 개의 Shell이 결합하게 되는 용착 기술이 적용되었다.(Fig.
- T-car Turbo GDI 엔진의 성능 저하를 개선 하기 위해 엔진 layout 재검토, design concept 모델의 CFD 및 경쟁사 벤치마킹 등을 통해서 External Center Feeding Type으로 변경하였다. 본 방식은 Turbo charger에서 압축된 공기가 Inter cooler 및 air induction hose를 통해 서 ETC로 유입될 때 ETC의 방향을 하향에서 상향으로 변경 함으로써 흡입공기 가 Surge tank를 통과하여 직접 Runner로 유입되는 형태로 공기의 유동저항으로 최대한으로 저감시킬 수 있다.
- 이러한 문제를 해결하기 위해 Fig. 6의 검토 안 중에서 Concept2가 가장 적정한 것으로 판단되어 이를 기준으로 Plastic 흡기 매니폴드를 설계하였다.
- 이에 따라 Fig. 17과 같이 Stay bracket 개선모델을 흡기 매니폴드에 결합하여 CAE 진동해석을 실시하였다. 이 결과를 근거로 Stay Bracket 설계변경을 진행하였다.
- 흡기 매니폴드의 Runner 길이는 엔진성능 시험을 통해서 기존사양의 270mm 에서 약200mm가 최적 사양임이 확인되어 이를 기준으로 상세설계를 실시하였다.
- 흡기 매니폴드의 Runner의 길이는 결정하기 위해서 Surge tank 용량 및 Runner의 길이를 변수로 CFD 해석 및 엔진 Layout 검토 후, 초기 모델을 선정하여 Rapid proto sample을 제작하였다.
- 흡기매니폴드 내부의 공기 유동해석을 위해 공기유로 (Airflow path)의 3D모델을 이용하여FE model을 생성 한 후 CFD 해석을 실시하였다. CFD해석에는 상용 소프트웨어인 Star-CD Ver.
- 흡기매니폴드 모듈이 엔진 실린더헤드에 장착 되었을 경우 공진 특성을 파악하기 위해 아래와 같이 상용소프트웨어인 Hyperworks ver.10 과 Abaqus ver. 6.10을 이용하여 해석을 진행하였다.
데이터처리
- 플라스틱 흡기매니폴드의 내압강도 CAE해석은 상용소프트웨어인 Hyperworks ver.10 과 Abaqus ver. 6.10을 이용하여 해석을 진행하였다.
이론/모형
- 17과 같이 Stay bracket 개선모델을 흡기 매니폴드에 결합하여 CAE 진동해석을 실시하였다. 이 결과를 근거로 Stay Bracket 설계변경을 진행하였다.
성능/효과
- (2) Center feeding 방식의 흡기매니폴드는 Surge tank와 Zip tube의 내부 압력 하중에 의해 변형이 Side feeding 방식의 흡기매니폴드보다 상대적으로 커서 내압성능에 취약한 점이 있으며 이는 Weld bead, Rib보강, Shell 두께수정 등을 통해서 개선 할 수 있었다.
- (3) 흡기매니폴드 모듈의 공진에 의한 파손을 예방하기 위해서 Sub부품 설계 변경안을 제시함으로써 제품 내구성 향상과 엔진신뢰성을 동시에 개선할 수 있는 계기가 되었다.
- (4) 개발 초기 기본사양에 비해 최적화한 T-car Turbo GDI Plastic 흡기매니폴드 개발을 통해 성능을 만족시킬 수 있었다.
- 1) T-car Turbo GDI 엔진용 흡기 매니폴드의 개발에 있어 초기 사양인 Internal center feeding방식의 공기유동의 경우 ETC 입구단에서 유입되는 흡입공기의 흐름이 External center feeding 방식에 비해 압력손실과 속도손실이 큼을 CFD해석을 통해 확인 하였으며, 엔진 성능시험으로 검증하여 최종 양산 모델로 선정하였다.
- Burst pressure 시험을 통해서 검증한 사례로써 파손 진전 경향과 내압강도 등이 CAE 예상 결과와 유사함을 보였다. 특히 Surge tank 와 Zip tube 연결부위에서 발생된 파손은 화살표 방향으로 진전되었다.
- 2는 초기 Aluminum 흡기 매니폴드와 Plastic 흡기 매니폴드의 CFD 해석 결과를 보여주고 있다. Zip tube에서 유입된 흡기 가 Surge tank로의 유동방향의 변경 없이 각 기통으로 유입되는 Plastic 흡기 매니폴드의 유출 속도가 초기 Aluminum 흡기 매니폴드의 유출 속도보다 빠름을 알 수 있었다.
- 19는 Plastic 흡기매니폴드의 진동 해석 결과로 Bracket 형상을 변경하여 기존의 1차 고유 진동수(198Hz)을 230Hz로 증가시켜 문제가 예상되었던 엔진 내구시험과 차량시험에서 개선효과를 확인할 수 있었다. 또한, 최종 Bracket 사양은 Bracket의 양 측면에 보강된 Rib bending 형상으로 엔진의 진동방향인 Z방향의 변위를 감소시킴으로써 흡기매니폴드의 Z방향 진동을 보완할 수 있었다.
후속연구
- 그러나 미래의 전기에너지가 화석 연료를 대체하기 위해서는 인프라 구축, 기술적 및 경제적인 측면의 문제점들로 인해 일정기간 소요될 것으로 예상된다. 이에 따라 앞으로도 지속적인 가솔린 및 디젤기관의 개발이 이루어 질 것으로 사료된다. 가솔린엔진 개발에 있어서는 GDI 시스템, 가변흡기밸브 시스템, CVVL 시스템 등의 최신 기술을 접목하여 눈부시게 발전해 왔다.
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