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A Simulation for Indentifying Influence of The VVT Effect on The SI Engine Performance Using WAVE

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Academic year: 2021

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(1)

WAVE 를 이용한 VVT 효과가 SI 엔진성능에

미치는 영향에 관한 시뮬레이션

임옥택

· 김대호

*

· 두타

**

· 처거

***

A Simulation for Indentifying Influence of The VVT Effect

on The SI Engine Performance Using WAVE

Ock Taeck Lim, Dae Ho Kim, Diganta Dutta, G.Tsogtjargal,

Key Words : Variable valve timing (VVT, 가변밸브타이밍), Volumetric efficiency(체적효율), Residual gas fraction (잔류가스량)

Abstract

Variable Valve Timing (VVT) system can be used to improve fuel economy, performance and emissions. This study is identified the effect of VVT in terms of wide open throttle torque, Residual gas fraction, volume efficiency. Engine cycle simulations are performed on 2.0L DOHC in-line 4-cylinder SI engine by using WAVE of Ricardo. Results of the simulations had good agreement with WOT torque experimental data, and helped to predict the tendency of performance as the valve timings change. WOT torque was higher when intake valves were closed early for low rpm and late for high rpm.

기호설명

1. 서 론

VVT(Variable Valve Timing) : 가변 밸브타이밍

사회적으로 고유가 문제와 친환경의 의미가 중요해지면서 고효율성과 저배출성을 가지면서도 고출력을 낼 수 있는 엔진의 성능이 전세계적으로 요구되고 있다.

EGR(Exhaust Gas Recirculation) : 배기가스 재순환 DOHC(Double Over Head Cam-shaft) : 더블 오버헤드 캠축

SI(Spark Ignition) : 불꽃 점화

가변 밸브 타이밍(Variable Valve timing, 이하 VVT)은 이와 같은 사항들을 향상시키는 방법 으로 많은 연구에서 확인되었으며, 실제로 현대 엔진에 다수 적용되고 있다.(1)

WOT(Wide Open Throttle): 스로틀의 버터플라이 밸브가 모두 열린 상태

MOP(Most Open Point): 밸브의 최대 열림 시점 (deg) 하지만 각각의 엔진에 최적화된 VVT 시스템을 설계하는 것은 쉬운 일이 아니며, 특히 실험을 통해서 각 상태에 최적화된 밸브타이밍을 찾는 것은 많은 시간과 비용이 필요하게 되기 문에 단기간, 저비용의 개발을 필요로 하는 현대 R&D 에는 적합하지 않다.

RPM(Revolution Per Minute): 크랭크 축의 분당 회전속도 Valve Overlap: 흡기 밸브와 배기 밸브가 동시에 열려있는 기간

울산대학교 기계자동차공학부 E-mail : dhkim1633@naver.com TEL : (052)259-1633 FAX : (052)259-1680

*

울산대학교 기계자동차공학부

**

세종공업㈜ 현대의 완성차 업체 및 부품업체들은 이미 신제품 개발에 필요한 비용의 절감, 연구기간의 단축을 위해서 그 결과가 신뢰성을 갖는 시뮬레이션을 이용하고 있다.(1) 대한기계학회 2008년도 추계학술대회 논문집

(2)

그래서 본 연구에서도 그 중 한가지인 엔진개발에 많이 활용되고 있는 RICARDO 사의 WAVE 프로그램을 이용해 기존 상용화 되어있는 2.0 DOHC SI 엔진에 VVT 를 가상으로 적용하여, 출력향상에 대한 효과를 확인하고, 실제 개발에 활용 될 수 있음을 확인해 보았다.

먼저, 스로틀 전개(Wide Open Throttle,

이하 WOT)에서 엔진성능시험을 실시 하여 기본적인 엔진의 특성을 파악하였다. 그리고 시험의 결과를 바탕으로 WAVE 를 이용하여 시뮬레이션의 유효성을 확보한 다음, 흡기 밸브 의 타이밍을 변화시켜가며 각 상태에 따라 최대 출력이 나오는 타이밍을 찾아 최적화된 VVT 를 예측하였다.

Figure 1 Schematic Diagram of Experimental Apparatus

또한 흡기의 압력과 온도를 측정하기 위해서 스로 틀 밸브 선단에 압력센서와 온도 센서를 각각 1 개 씩 부착하였고, 배기압력과 온도를 측정하기 위해 서 배기 매니폴더의 촉매선단에 압력센서와 온도 센서가 각각 1 개씩 부착하였다. 그리고 모든 데이 터는 1 초 간격으로 취득하였다.

2. 실험장치

Fig 1 및 Table 1 은 본 연구에서 사용한 실험장치 의 구성 및 SI 기관의 사양이다. Table 1 에 나와있 는 사양과 동일한 직렬 4 기통 DOHC 2000cc 엔진 을 150KW 와류 동력계(Froude Co.)에 연결하여 토 크를 측정하였고, 배기 분석 장치(Horiba Mexa7100)를 이용하여 배출가스분석 및 A/F 를 측 정하였다. 실제 흡입 공기량은 laminar flow meter(Meriam50MC-2)를 사용하여 측정하였고, 저 울식 연료 소비량계를 이용하여 연료소비량을 측 정하였다.

3. 엔진 모델링

Fig. 2 는 실험용 엔진과 동일하게 WAVE 에서 모델링 된 엔진의 그림을 보여주고 있다. 엔진의 여러 구성요소인 흡기관과 배기관은 덕트 형태로 가정하였고, 에어클리너는 여러 개의 덕트를 갖는 것으로 가정하여 계산을 수행하였다.(2)

Table 1 Specifications of Experimental Engine

Figure 2 Modeling of Engine by WAVE Description Specifications

Engine type In-line, 4 cylinder, DOHC Displacement 1975cc Bore x Stroke 82 mm x 93.5 mm Compression ratio 10.1 Firing order 1-3-4-2 IVO/IVC BTDC 9° / ABDC 43° EVO/EVC BBDC 50° / ATDC 6° Max. Power 138ps / 6000rpm Max. Torque 18.6kg·m / 4500rpm

(3)

Figure 3 Flow Chart of WAVE Simulation 계산 중에 필요한 각 부품의 치수는 실측을 통하 여 구한 값을 대입하였고, 형태가 원형 또는 사각 형이 되지 못하는 경우에는 평균단면적을 계산하 여 직경을 구하였다. 실험에서 측정한 흡기압력과 온도 그리고, 배기압력과 온도를 시뮬레이션 결과 와 일치시키기 위해서 흡기관의 에어필터와 배기 관의 머플러 상태량에 변화를 주었다. Fig. 3 은 WAVE 시뮬레이션 과정을 보여주는 Flow Chart 이다. 기본적으로 흡• 배기 시스템의 치 수, 엔진 보어와 스트로크, 밸브 크기와 캠 프로파 일 등의 하드웨어적인 부분과 온도, 압력 등의 환 경적 요인이 같지 않으면 결과값이 같을 수 없기 때문에 두 부분을 최대한 일치 시키는 것이 제일 먼저 선행되어야 한다. 그것이 완료되면 직접적으 로 측정하거나 구하기 힘든 CA50 나 BDUR 같은 연소 관련 부분과 유량, 마찰, 열전달 계수와 관련 된 부분, 연소실 내부 온도 등을 관련 실험식이나 일반적 데이터를 기반으로 추정하여 대입한다. 그 조건으로 시뮬레이션 한 결과 중 주요인자인 흡• 배기 압력과 온도, 공기와 연료의 질량유량을 실 제 실험값과 비교하여 전 영역에서 3% 범위 안으 로 일치하는지 확인한다. 그렇지 않을 경우 연소 관련 부분과 계수관련 부분을 변화시켜가며 만족 할 때까지 Try&Error 를 반복한다. 3%내로 일치되 면 마지막으로 Torque, 체적효율을 확인하고, 만약 만족하지 않으면 다시 위 과정을 Try&Error 하여 결과 값을 일치시킨다. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Engine Speed(rpm) 80 100 120 140 160 180 200 To rqu e(Nm ) 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 V o lum e tri c E ffic iency 600 700 800 900 1000 1100 1200 Exhaust Temp er at ure( K ) 95 100 105 110 115 120 125 E x ha ust Pr essure( k P a ) 94 95 96 97 98 99 100 In tak e P res s u re (kP a )

Figure 4 Comparison Real-test with Simulation,

(4)

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Engine Speed(rpm) 1 2 3 4 5 6 7 Re s idu al ga s fract ion (% ) 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 Vol u met ri c E ffi ci e n c y 80 100 120 140 160 180 200 To rqu e( N m ) Base MOP 473 MOP 479 MOP 485

Figure 5 Valve Timing Diagram

Fig.4 는 실험을 통해서 취득된 실제 엔진의 흡 배기 압력과 배기온도, 체적효율, 토크를 WAVE 시뮬레이션의 결과와 비교 한 것이다. 실험은 대 기온도=300K, 대기압력=99 kPa 에서 엔진회전 수 를 1000rpm 에서부터 500rpm 단위로 5000rpm 까지 증가시키면서 실험하였고, 안전성의 문제로 인하 여 5000rpm 까지만 수행하였다. 각각의 엔진 회전 수에 따른 실험과 시뮬레이션 결과를 비교해 보면, 전 운전영역에 걸쳐 비슷한 경향을 보여주고 있으며, 3%의 오차범위 안에 들 어오는 것으로 보아 모델링의 유효성을 확인할 수 있었다.

4. VVT 시뮬레이션

시뮬레이션은 변수를 최소화시켜 분석의 정확성 을 확보하기 위해서 WOT 를 비롯한 나머지 상태 값은 Base model 에서 변화시키지 않은 상태에서 밸브 열림 기간에는 변화를 주지 않고, 흡기밸브 최대 열림 시기(Most Open Point, 이하 MOP)만을 변화시켜 밸브 타이밍을 조절하였다.

Figure 6 Results of Retarded Valve Timing

300 350 400 450 500 550 600 Crank Angle(deg) -600 -450 -300 -150 0 150 300 Ve lo ci ty T h ro u g h I n ta ke V al ve (m /s) Base MOP 473 MOP 479 MOP 485 5000rpm Fig. 5 는 시뮬레이션에서 적용한 밸브 타이밍 변 화를 보여주는 선도이다. 밸브 타이밍은 6deg 씩 변화를 주어 지각은 473~485deg, 진각은 461~ 437deg 로 바꿔가며 시뮬레이션 하였다.(1) Fig. 6 은 MOP 를 지각시켰을 경우의 rpm 에 따 른 토크, 체적효율, 잔류가스량의 시뮬레이션 결과 를 보여준다. 지각이 진행 될 수록 전 영역에 걸 쳐 비슷한 폭으로 토크가 감소하는 경향을 보이는 데, 그 원인은 토크와 체적효율이 같은 경향의 변 화를 보이는 것으로 알 수 있듯이 체적효율의 감 소 때문이다. 체적효율이 감소되는 이유는 1000

~1500rpm 구간을 제외하고는 MOP 에 상관없이 Figure 7 Velocity of Mixture through Intake Valve at 5000rpm

(5)

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Engine Speed(m/s) 0 3 6 9 12 15 18 Re s idu al ga s fract io n(% ) 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 Vol u met ric Ef fici ency 80 100 120 140 160 180 200 To rque(Nm ) Base MOP 461 MOP 455 MOP 449 MOP 443 MOP 437

Figure 8 Results of Advanced Valve Timing

잔류가스량이 비슷한 것으로 보아 밸브 닫힘시점 의 지각에 의한 흡기행정 말기의 흡기역류(실린더 ->흡기다기관)에 의한 것으로 판단되며, Fig. 7 의 560deg 부근에서부터 MOP 가 지각될 수록 음의 속도구간이 길어짐을 보이므로 이를 확인 할 수 있다. 이 결과로 보아 실험엔진의 기본 흡기밸브 타이밍은 고속에 최적화되어 있음을 알 수 있다. Fig. 8 은 MOP 를 진각시켰을 경우의 rpm 에 따 른 토크, 체적효율, 잔류가스량의 시뮬레이션 결과 를 보여준다. MOP 가 461~449deg 으로 변화될 때 2000~ 3500 rpm 구간에서는 점차적으로 토크가 향 상 되었으며, MOP 443~437deg 에서는 1500rpm 에서 토크가 향상되었다. 그리고 MOP 가 진각 될 수록 1000rpm 과 4000~5000rpm 에서는 토크가 점 차적으로 감소하였다. Fig.8 에서 보이는 것처럼 MOP 지각의 경우와 마찬가지로 토크와 체적효율 이 같은 경향을 보이므로 체적효율이 토크변화의 원인임을 알 수 있다. 1500rpm 과 2000~3500 rpm 구간의 체적효율이 증가하는 이유는 Fig.4 에서 알 수 있듯이 다른 rpm 구간에 비해 배기온도 상승대 비 배기압력의 상승이 적어서 배기효율이 좋기 때 문에 동일 밸브오버랩대비 배기가스 역류가 줄어 들고, 잔규가스량이 감소하기 때문이다. 또 한가지 이유는 흡기행정 말기의 흡기역류가 발생하기 직 전이나 직후의 적절한 시기에 흡기밸브가 닫히기 때문이다.(3)(4) 이것은 Fig.9 에서 확인할 수 있다. 1000rpm 과 4000~5000rpm 에서 체적효율이 감소하 는 이유는 잔류가스량의 증가에 있다. 1000rpm 에 서 잔류가스량이 증가하는 이유는 배기가스 온도 가 낮아서 배기효율이 떨어지고, 엔진 회전속도가 느리기 때문에 밸브오버랩 시간이 증가하여 배기 가스의 역류가 증가하기 때문이다. 4000rpm 이상 에서 잔류가스가 증가하는 이유는 Fig.4 에서 볼 수 있듯이 배기압력과 온도의 증가로 밸브오버랩 기간이 증가할수록 배기가스의 역류가 증가하기 때문이다. 이것은 Fig.10 에서 확인할 수 있다. -600 -450 -300 -150 0 150 300 V el o ci ty o f Mi xt u re Th rough Int ake V al ve (m/s ) 300 350 400 450 500 550 600 Crank Angle(deg) -600 -450 -300 -150 0 150 300 1500rpm 2500rpm Base MOP 461 MOP 455 MOP 449 MOP 443 MOP 437

Figure 9 Velocity of Mixture through Intake Valve

(6)

80 100 120 140 160 180 200 To rqu e (N m) 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Engine Speed(rpm) 0 2 4 6 8 Rising R a te o f T o rque( % ) -600 -450 -300 -150 0 150 300 300 350 400 450 500 550 600

Crank Angle(deg)

-600 -450 -300 -150 0 150 300

V

e

loc

ity of

M

ixtu

re Th

rough Inta

ke

Val

v

e

(m/s

)

Base MOP 461 MOP 455 MOP 449 MOP 443 MOP 437 1000rpm 4500rpm

Figure 11 Comparison Base with the best suited

VVT Simulation (Black = Base, Orange = VVT)

Figure 10 Velocity of Mixture through Intake Valve

후 기

at 1000 and 4500rpm Fig.11 은 위 결과를 토대로 각 rpm 에 가장 적합 한 밸브타이밍을 선정하여 가상의 VVT 를 적용한 결과이다. 최대 6.4%의 출력향상이 1500 rpm 에서 발생하였고, 평균 2.5%의 출력향상이 있었다. 본 연구를 위해서 물심양면으로 지원해준 연구실원인 강영일, 박신욱, 서열러, 설동균, 장재훈, 정동원, 정윤성, 차재현군에게 심심한 감사를 표합니다.

5. 결 론

본 연구에서는 WAVE 프로그램을 이용하여 이미 상용화가 된 2.0 DOHC 엔진을 시뮬레이션 하였고, 실제 실험 측정값과 시뮬레이션 결과를 비교하여 유효성을 판단하였다. 유효성이 확보된 시뮬레이 션에 흡기밸브 타이밍 변화를 주어 그것이 출력에 미치는 영향을 분석 하였고, 출력향상을 위한 최적의 VVT 를 예측 하였다. 최적의 VVT 를 적용시킨 결과, 저속과 중속 구간의 출력향상이 있었으며, 최대 6.4%, 평균 2.5%의 출력향상이 있었다. 이 과정을 통해 시뮬레이션을 통한 효과적인 VVT 개발의 가능성을 확인 할 수 있었다.

참고문헌

(1) GhoongSik Kim, Byoungkuen Oh, “Performance Simulation of an In-line 6 Engine Considering VVT Strategy Using WAVE,“The 13th International Pacific Conference on Automotive Engineering., pp.38~43

(2) Ricardo Software User Manuals and Tutorials, Version 7.2, 2006

(3) Pulkrabek, W. W., 2005, “Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine,” Prentice Hall. (4) Heywood, J. B., 1988, “Internal Combustion Engine

수치

Figure 2 Modeling of Engine by WAVE Description   Specifications
Figure 3 Flow Chart of WAVE Simulation  계산  중에  필요한  각  부품의  치수는  실측을  통하 여  구한  값을  대입하였고,  형태가  원형  또는  사각 형이  되지  못하는  경우에는  평균단면적을  계산하 여  직경을  구하였다
Figure 5 Valve Timing Diagram
Figure 8 Results of Advanced Valve Timing
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