4.2.1 밸 브 곡 률 변 화 실 험 결 과
Figure.4.1은 밸브 곡률 6, 9mm에 대한 정상유동장치 실험결과이다.
그래프는 밸브 양정에 따른 유량계수를 나타낸다.
Fig. 4.1 Flow coefficients variation compared with valve curvature
그래프 특성을 살펴보면 저양정에서는 밸브 곡률 9mm일 때가 유리하며, 고양정에서는 곡률 6mm 일 때가 더 효과적인 것으로 나타났다.
무차원 밸브 양정 0.2근방에서 두 곡률에 대한 효율이 역전되는 것을 살펴볼 수 있다. 위 결과를 통해 밸브양정에 따라 각 곡률에 의한 유동 특성의 차이가 발생함을 확인할 수 있고 이를 통해 밸브 곡률은 유량계수 특성에 영향을 미치는 인자로 볼 수 있다.
4.2.2 흡 기 포 트 의 편심 오차 실험 결과
Figure.4.2는 1mm정도 편심된 포트 제조 오차를 가진 실린더 헤드의 흡입 손실을 나타내 주는 실험결과이다.
Fig. 4.2 Flow coefficients variation compared with valve curvature
먼저 평균유량계수를 비교하며 보면 1mm정도의 편심 제조 오차를 가진 실린더 헤드가 오차를 수반하지 않은 실린더 헤드에 비해 대략 6~7%정도 흡입 효율이 떨어짐을 볼 수 있다. 또 특징적으로 고양정으로 갈수록 오차로 인한 손실이 증가되는 것은 확인할 수 있다.
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4.3 2차원해석결과
4.3.1 밸 브 곡 률 해 석 결 과
Fig. 4.3 Flow velocity view of curvature model
Fig. 4.4 Total pressure distribution of curvature mode Reverse wake
by tumble Tumble 2nd vortex
Figure.4.3 와 Figure.4.4 은 2 차원 해석 25 개 모델 중 밸브곡률 9mm 에 대한 밸브양정 8mm 의 해석결과로서 각각 유동 속도 및 압력 분포를 나타 낸다. Fig.4.3 과 Fig.4.4 을 분석해 보면 먼저 주유동 방향의 정텀블(main tumble)이 크게 형성됨을 볼 수 있고 이로 인한 2 차 와류(vortex)가 실린더 헤드 바깥 모서리 부분에서 강하게 형성됨을 알 수 있다. 정텀블에 대응하 는 역텀블(reverse tumble)도 분명하게 나타남을 확인할 수 있다. 이에 각각 의 그래프가 나타내는 와류, 텀블 형상 및 압력 분포 등의 유동 특성들이 실험적으로 증명된 일반적인 경향과 일치하는 경향을 보이므로 이를 통해 계산의 유효성을 검증해 볼 수 있다.
다음의 그림들은 저양정을 대표하는 4mm 와 고양정을 대표하는 8mm 에 대해 각 밸브곡률에 따른 속도 및 유동 분포를 나타낸다.
38 (a) Rv= 3mm
(b) Rv = 6mm
( c ) Rv= 9mm
(d) Rv= 12mm
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Fig. 4.5 Velocity and pressure distribution for each valve curvature mode when non-dim. valve lift is 0.1587(4mm)
(e) Rv= 15mm
(a) Rv= 3mm
(b) Rv = 6mm
42 ( c ) Rv= 9mm
(d) Rv= 12mm
Fig. 4.6 Velocity and pressure distribution for each valve curvature mode when non-dim. valve lift is 0.3175(8mm)
Figure.4.5 와 Figure.4.6 은 각각 밸브 양정 4mm 와 8mm 에서의 곡률에 따른 압력 및 속도 분포를 나타내 주고 있다. 텀블, 역텀블, 및 2 차 와류의 크기와 강도 분포가 각 경우마다 조금씩 다르게 나타남을 확인할 수 있다.
특히 밸브 양정 4mm 및 8mm 의 두 가지 경우 모두에 대하여 공기 유입의 주 유동 방향을 방해하는 와류의 크기 및 텀블 강도가 밸브곡률 12mm 와 15mm 일때 매우 크게 나타남을 볼 수 있다. 이로 인해 타 곡률 반경에 비해 유동 효율이 저하가 있을 것으로 생각된다.
전체적으로 각 곡률의 따른 flow pattern 이 차이가 있음을 명백하게 확인할 수 있다. 즉 밸브 주위의 유동 속도나 형상이 각 곡률마다 차이가 있다. 이는 밸브 곡률이 밸브 형상 특성의 중요한 인자임을 나타내준다.
(e) Rv= 15mm
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Figure.4.7은 밸브 곡률 3, 6, 9, 12, 15mm에 대한 각 밸브양정에서의 유량계수를 나타낸다.
Fig. 4.7 Flow coefficient variation compared with valve
우선 평균유량계수 값을 비교해 보면 유동 형상을 살펴보면서 쉽게 구별되었던 밸브곡률 12mm 와 15mm 를 가진 밸브가 상대적으로 낮음을 확인할 수 있다. 각 곡선의 정성적인 경향과 값들이 대체적으로 실험 data와 비슷한 경향을 나타냄을 알 수 있다. 특히 곡률 6mm와 9mm에 대한 고양정 특성 및 저양정 특성이 실험에서의 경향과 정성적으로 일치함을 알 수 있다. 즉 저양정에서는 9mm 곡률을 가진 밸브가 유리하고 고양정에서는 6mm 곡률을 가진 밸브가 유리함을 쉽게 구별할 수 있으며 정량적으로도 잘 일치하는 결과를 나타낸다.
4.3.2 흡 기 포 트 의 편심 오차 해석 결과
Figure.4.6과 Figure.4.7은 저양정을 대표하는 4mm와 고양정을 대표하는 8mm에 대해 각 편심 모델에 따른 속도 및 유동 분포를 나타낸다.
정상적인 포트 가진 모델과 좌, 우 각각 편심을 가진 포트 모델과 유입되는 유동 형상에 대해 각각 차이가 남을 확인할 수 있다. 즉 공기가 유입될 수 있는 유효 면적의 변화와 유로의 변화로 인해 유동 형상과 그 때의 유입 압력이 달라지는 것을 확인할 수 있다.
특히 저양정을 대표하는 4mm에서 각각의 유동 형상의 차이보다 고양정을 대표하는 8mm에서 각각의 유동 형상의 차이가 좀 더 명확함을 알 수 있다. 이로 포트 제조 오차를 가진 실린더 헤드의 흡입 손실은 저양정에서 보다는 고양정에서 더 크게 일어남을 예측할 수 있다.
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Fig. 4.8 Velocity and pressure distribution for offset models when non-dim. valve lift is 0.1587(4mm)
No offset
+1 offset
-1 offset
Fig. 4.9 Velocity and pressure distribution for offset models when non-dim. valve lift is 0.3175(8mm)
No offset
+1 offset
-1 offset
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Figure.4.10은 각 정상 모델을 기준으로 각 편심모델에 대한 각 밸브 양정에서의 유량계수를 나타낸다.
Fig. 4.10 Flow coefficient variation compared with valve
우선 평균유량계수 값을 비교해 보면 정상모델에 비해 offset 모델 들의 평균유량계수 값이 작은 것을 확인할 수 있다. 정성적인 경향에 있어서도 고양정으로 갈수록 정상 모델을 기준으로 편심을 가진 모델이 유량손실이 커짐을 알 수 있다. 이상의 결과는 실험값에서의 경향과 일치한다.
정량적인 오차값은 실험값과 차이를 보이고 있는데 이것은 실형상을 본래의 형상대로 구성하지 못하는 2차원 모델의 한계로 인해 기인된 것으로 보인다.
4.4 3차원해석결과
4.4.1 해 석 결 과
Figure.4.11 은 밸브 곡률이 각각 6mm 와 9mm 인 모델에 대해 밸브 양정 4mm (a)와 8mm (b)의 유동 형상을 한쪽 밸브 축을 기준으로 하여 단면을 잘라 나타낸 그림이다.
(a) Curvature 6mm when Valve lift 4mm
(b) Curvature 9mm when Valve lift 4mm
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(c) Curvature 6mm when Valve lift 8mm
(d) Curvature 9mm when Valve lift 8mm
Fig. 4.11 Flow pattern of Y-cut section centering one valve axle when valve lift is 4mm and 8mm
(a),(b),(c), 및 (d)를 비교해 보면 각 밸브 양정에 따라 밸브 곡률 6mm 와 9mm 일 때 유동 형상이 크게 차이가 남을 알 수 있다. 즉 밸브 주위의 유동 방향이나 실린더 내 텀블 크기 및 유동 방향이 각각의 밸브 곡률에 따라 차이가 있다. 특히 주유동에 의해 생기는 텀블 및 역텀블은 서로의 유동 형상에 영향을 미치고 이는 흡입 유량 효율에 영향을 미칠 것으로 사려된다. 이에 3차원 해석 결과를 통해서도 밸브 곡률의 변화는 유동 특성에 주요 지배 인자임을 확인할 수 있다
Fig.4.12 는 밸브 곡률이 각각 6, 9mm 인 모델에 대해 압력 분포를 나타내고 있다.
Curvature 6mm Curvature 9mm (a) Valve lift 4mm
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Curvature 6mm Curvature 9mm (b) Valve lift 8mm
Fig. 4.12 Pressure distribution for curvature models
(a)는 밸브 양정 4mm, (b)는 밸브양정 8m 일 때의 결과이다. (a)의 밸브양정 4mm 일 때의 압력분포를 분석해 보면 곡률 9mm 일 때가 곡률
6mm 때에 비하여 높은 압력의 영역 면적이 더 넓은 것을 확인할 수 있다.
이것은 저양정에서는 곡률 9mm 를 가진 밸브가 6mm 밸브보다 흡입 효율에 있어 더 유리하다는 것을 암시해 준다. 같은 방법으로 (b)의 그림들을 분석해 보면 고양정(8mm)에 있어서의 흡입 효율은 곡률 6mm 일 때가 9mm 일 때보다 더 효과적임을 확인할 수 있다.
Figure.4.13 은 곡률 6mm 와 9mm 에 대하여 밸브 양정에 따른 유량계수를 나타낸 해석 결과 그래프이다.
Fig. 4.13 Flow coefficients variation compared with valve curvature
그래프를 실험 결과 그래프인 Fig.4.1 과 비교해 보면 각 무차원 밸브양정에 따른 유량계수 값이 실험치와 정성적 및 정량적으로 거의 일치하는 것을 알 수 있다. 즉 밸브양정 따른 유량계수의 증가 기울기가
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일치하고, 저양정에서는 9mm 가 유리하고, 고양정에서는 6mm 가 더 효과적으로 나타난 실험 특성과도 일치하며, 또한 두 곡률에 대한 효율의 변환 시점도 실험결과와 동일한 무차원 밸브 양정 0.2 근방에서 이루어짐을 확인할 수 있다.
4.4.2 오 차 분 석
위 결과를 통해 알 수 있듯 해석 결과가 정성적인 경향에 있어서는 실험과 아주 일치는 것을 알 수 있다. 그러나 정량적 비교를 해보면 해석 결과의 유량계수값이 실험에 비해 전체적으로 약 10%정도 높은 것을 알 수 있는데 이는 다음과 같은 원인에 있다.
Fig. 4.14 Main cause of error
Figure.4.14 에서 보여지듯 실제 포트 형상에서 구현되어 있는 밸브 가이드가 해석 모델에서는 고려되지 못했기 때문에 실제 밸브 가이드 형상에 의한 영향 만큼 해석 모델의 유량 계수값이 크게 나온 것으로
사려된다.
실제 참고 문헌들을 조사해 보면 밸브 가이드 형상에 의한 유량 손실값이 약 10%정도 범위에 있음을 보여주고 있으며 이는 본 해석의 오차값과 일치한다.[4]
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