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Ⓒ2010 KSAE 1225-6382/2010/107-10 Transactions of KSAE, Vol. 18, No. 5, pp.62-67 (2010)
가솔린 엔진의 성능, 연비, 배출 가스를 동시에 고려한 시뮬레이션 기반 흡기 다기관 길이 최적화
강 용 헌1)․최 동 훈*2)
한양대학교 기계공학과 대학원1)․한양대학교 최적설계신기술연구센터2)
Simulation-based Intake Manifold Runner Length Optimization for Improving Performance, Fuel Consumption and Emission of a Gasoline Engine
Yonghun Kang1)․Donghoon Choi*2)
1)
Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Hanyang University, Seoul 133-791, Korea
2)
The Center of Innovative Design Optimization Technology, Hanyang University, Seoul 133-791, Korea (Received 3 November 2009 / Accepted 20 February 2010)
Abstract : Exhausting fossil fuel and increasing concern of air pollution have brought on the change of the focus of developing new vehicles from performance to fuel economy and emission. The gasoline engines adopting the naturally aspirated way use the throttle-body for engine load control. Therefore, its pumping loss increases more than that of the diesel engine, and also mostly operating in a partial load condition has bad influence on fuel economy and emission. In these days, the continuous variable valve timing system and variable induction system are adopted in order to improve fuel consumption and emission. In this study, we optimize the runner length and operate region of variable induction system to simulataneously improve the performance, fuel economy, and emission of gasoline engine with employing GT-Power as a CAE tool for engine analysis and PIAnO as PIDO tool for process integration and design optimization.
Key words : Variable induction system(가변 흡기 시스템), Intake manifold(흡기 다기관), Runner length(관 길이), Optimum design(최적 설계), Progressive quadratic response surface method(이차 반응 표면 방법)
Nomenclature 1)
BSFC : Brake Specific Fuel Consumption, g/kwh VE : Volumetric Efficiency, %
1. 서 론
전 세계적으로 화석 연료의 고갈로 인한 고유가 시대의 도래와 대기 환경에 대한 관심이 커지고 있 으며, 이러한 요구를 만족시키기 위해 엔진 개발의 초점이 엔진 성능 보다는 연비와 배기 배출물(Emi- ssion)로 빠르게 바뀌고 있다. 자연 흡입(Naturally
*
Corresponding author, E-mail: [email protected]
aspirated) 방식을 채택한 기존 가솔린 엔진은 연비
가 좋지 않은 중저속 구간에서 주로 운행되고 또, 엔
진 부하 조절을 위해 쓰로틀 바디(Throttle-body)를
사용하므로 펌핑 손실(Pumping Loss)이 큰 단점이
있다. 이러한 문제에 대한 해결책으로, 흡기 시스템
개선을 통하여 펌핑 손실을 최소화함으로써 연비와
엔진 성능을 증대 시키는 기술들이 중점적으로 개
발되었고 실제 엔진에 적용되고 있다. 그 중 흡배기
밸브의 개폐 시기를 엔진 전 운전 영역에서 자유롭
게 조절하는 CVVT(Continuous Variable Valve Tim-
ing)
1)와 Fig. 1과 같이 흡기 다기관 길이를 일부 구간
에서 조절하는 가변 흡기 시스템(VIS; Variable Induc-
가솔린 엔진의 성능, 연비, 배출 가스를 동시에 고려한 시뮬레이션 기반 흡기 다기관 길이 최적화
RunnerLength : Short RunnerLength : Long
Fig. 1 Variable induction system of Toyota's enginetion System)이 대표적인 기술이며 현재 많은 가솔린 엔진에 적용되고 있다.
가변 흡기 시스템(VIS)에 대한 과거의 연구는 Lee
2)등이 엔진 회전수에 따른 흡기 다기관의 길이 와 직경 등이 성능에 끼치는 영향을 실험을 통해 연 구하였고, Jiang
3)등은 AVL사의 Boost라는 일차원 연소 해석 프로그램을 이용하여 흡기 다기관의 길 이에 따라 엔진 성능 인자의 변화에 대해 연구하였 다. 하지만 과거 연구들은 실제 실험을 통해 진행되 었으므로 이상적인 흡기 다기관의 런너 길이를 찾 는데 많은 시간과 비용이 소모되었고, 흡기 다기관 의 런너 길이에 따른 엔진 성능과 관련된 결과를 변 수 분석법에 근거하여 추출한 값이었으므로 진정한 의미의 최적값은 아니었다.
따라서 본 연구에서는 시뮬레이션을 기반으로 성 능, 연비, 그리고 Emission을 동시에 고려한 가변 흡 기 다기관의 최적 런너 길이를 최적화 방법론에 입 각하여 결정하고, 엔진을 보다 효율적으로 사용하 기 위해 엔진 회전수에 따른 가변 흡기 시스템의 작 동 구간에 대해서도 최적화하고자 한다.
2. 시뮬레이션 및 최적화 문제 정의
2.1 시뮬레이션 모델의 신뢰성 검증
시뮬레이션 기반으로 흡기 다기관의 런너 길이를 최적화하기 위해 사용한 엔진 및 흡기 다기관 형상 은 Fig. 2와 같고 주요 제원은 Table 1과 같다.
시뮬레이션을 통해 흡기 다기관 런너 길이를 최 적화 하기 위해 Gamma Technology
4)사의 GT-Power 를 해석기로 사용하였다. 먼저 해석 대상 엔진을 Fig. 3과 같이 GT-Power로 구축하고 엔진 다이나모 상태에서 전부하(Full Load) 조건에서의 성능 시험 을 실시하여 실제 시험 결과와 해석 결과를 비교하
Fig. 2 Engine and intake manifold configurations
Table 1 Engine and Intake manifold major specifications Specification
Engine
Type MPFI / GSL / FR Displacement 2300cc (Inline 4)
Bore*Stroke 90.9*88.4 Valve train 4 Valve / DOHC Valve timing Intake VVT
Comp. ratio 10.4 : 1
Intake manifold
Type Fixed length
Material PA 6 GF33
Runner length 460 mm
Runner dia. 36 mm
Fig. 3 GT-Power model to correlate with real engine
여 해석 모델의 신뢰도를 검증하였다. 신뢰성 검증
을 위해 실제 시험과 비교한 것은 체적 효율(VE ;
Volumetric Efficiency), 엔진으로 유입되는 흡입 공
기량, BSFC(Brake Specific Fuel Consumption), 흡기
다기관의 압력(Intake Pressure), 토크(Torque), 출력
(Power)으로 선정하였고 그 결과를 Fig. 4에 도시하
였다.
Yonghun Kang․Donghoon Choi
Fig. 4(a) Comparison of VE and airmass result
Fig. 4(b) Comparison of torque and power result
Fig. 4(c) Comparison of BSFC and intake pressure result
Fig. 4의 a), b), c)와 같이 시뮬레이션 모델의 신뢰 성 확인을 위해 비교 대상 인자들을 전부하 상태에 서 엔진 다이나모(Dynamo) 상태에서의 성능 시험 과 비교한 결과 거의 유사한 경향을 나타내고 있으 므로 구축한 GT-Power 해석 모델이 엔진 및 샤시 (Chassis) 시스템의 주요 형상 뿐 아니라 실제 엔진 의 연소 특성까지 잘 반영하고 있으므로 신뢰도가 높은 해석 모델을 구축하였다고 판단되었고, 이를 근거로 최적화를 진행할 수 있었다.
2.2 최적 설계 문제 정의 및 순서도
일반적인 최적화 문제는 설계 변수, 설계 변수의 경계조건, 목적 함수, 구속 조건으로 표시된다. 본 연구는 가변 흡기 시스템 적용에 따라 엔진 성능, 연 비 및 Emission을 동시에 고려하여 흡기 다기관 런 너 길이를 최적화하는 것이므로 설계 변수는 흡기 다기관 런너 길이, 설계 변수 경계 조건은 엔진 레이 아웃을 근거로 적용 가능 길이를 설정하였고, 목적 함수로 연비와 엔진 성능 지수인 BSFC, 토크, 출력 을, 구속 조건으로 Emission을 설정하였고, 이를 근 거로 다음과 같이 정식화 할 수 있다.
×
×
×
≤
≤
≤
≤
전체적인 최적화 순서는 구축된 GT-Power 모델 의 입력 파일에서 설계 변수인 흡기 다기관 런너 길이와 결과 값인 엔진 성능 지수 및 Emission에 해 당되는 곳에 자동적으로 반복 계산이 가능하도록 맵핑(Mapping) 처리하고, GT-Power 배치 명령어를 이용하여 모든 절차가 자동적으로 수행되도록 최 적화를 진행하였으며, 이를 도시화한 결과가 Fig. 5 와 같다.
Fig. 5 Optimization process to optimize runner length
Simulation-based Intake Manifold Runner Length Optimization for Improving Performance, Fuel Consumption and Emission of a Gasoline Engine
3. 변수 분석법 및 최적 설계 결과
3.1 파라미터 분석 결과
설계 변수인 흡기 다기관의 런너 길이의 초기값 은 460mm이다. 이 초기값을 360mm에서 710mm까 지 변경시켜서 목적 함수에 해당되는 BSFC, 토크, 출력에 대한 결과가 Fig. 6과 같다. 변수 변경 통한 목적 함수 인자들 분석 결과 중저속 구간인 2000rpm 에서 4500rpm까지는 흡기 다기관 런너 길이가 길수 록 유리하고 그 외의 저속 및 고속 구간에서는 짧을 수록 유리한 것으로 나타났다. 하지만 최대 토크 측 면에서 기본값 대비 런너 길이를 200mm 증대 시킨
Fig. 6 Parametric study result that of objective function factors with relate to the engine rpm
것이 250mm를 증대시킨 것보다 크게 나타나므로 최적값을 구할 필요성은 있다고 판단되었다.
3.2 PIDO를 이용한 최적 설계 순서 및 기법 가변 흡기 시스템이 적용된 흡기 다기관의 런너 길이 최적화를 위해 사용한 PIDO(Process Integration and Design Optimization) Tool은 프레이맥스 사의 PIAnO
5)를 사용하였다.
PIAnO를 이용하여 시뮬레이션 진행 순서는 Fig. 7 에 도시한 것처럼 GT-Power 해석기를 통해 시뮬레 이션을 수행하여 결과 값임과 동시에 목적 함수 계 수인 토크, 출력, BSFC 값은 OBJ_Function으로, 구 속 조건인 NOx 값은 Constraint로 이동시켜 앞에서 기술한 수식을 기반으로 수렴 조건 만족 여부를 판 단하는 과정을 통해 진행하였다.
흡기 다기관 런너 길이 최적화를 위해 사용한 최 적화 기법은 PIAnO에 탑재되어 있는 이차 반응 표 면 방법(Progressive Quadratic Response Surface Method, PQRSM)
6)를 사용하였다. PQRSM은 적합한 설계 공간 내에서 목적 함수와 구속 조건을 2차 함 수로 근사화 하고 신뢰 영역 근사 모델 관리 기법이 정한 설계 구역에서 근사 최적설계를 점진적으로 최적화 방법이다. PQRSM의 장점은 기존의 반응 표 면법 보다 적은 실험점을 요구하기 때문에 효율적 이고 회귀 계수를 정확하게 계산할 수 있고 근사 함 수를 구성하는데 추가적인 해석 시간을 요구하지 않기 때문에, 전체에서 세분화하여 최적값을 단계 적으로 찾아야 하는 본 연구와 같은 최적 설계 문제 의 신뢰도 있는 값을 찾는데 효율적이라 판단하여 PQRSM 기법으로 최적화하였다.
Fig. 7 Calculation process by using PIAnO
강용헌․최동훈
Fig. 8 Comparison of intake pressure deviation to runner length difference with respect to the crank angle at injection position of 3000rpm
3.3 최적 설계 결과
파라미터 분석 결과에서 보듯이 가변 흡기 시스 템을 적용하여 흡기 다기관 런너 길이를 변경할 경 우 런너 길이에 따라 엔진 성능이 변화되는 이유를 다음과 같이 설명할 수 있다. Fig. 8은 본 연구에서 최대 토크가 발생하는 3000rpm에서 흡기 다기관 런 너 길이를 초기값과 초기값에서 50mm, 250mm 증 대 시킨 후 흡기 다기관 끝단에서의 압력을 나타낸 것이다. 연소실 내부의 압력은 피스톤이 상사점 (TDC ; Top Dead Center) 이후 흡입 행정에서는 부압 (-)이 되고, 압축 행정이 시작되면 정압(+)으로 바뀌 게 된다. 따라서 흡입 행정 초기에는 실린더 내부 압 력이 부압이고 흡기 밸브가 닫히는 시점에서는 정 압이 크면 클수록 흡입 공기량을 증대시킬 수 있다.
따라서 자연 흡기 방식인 가솔린 엔진에서는 흡입 공기량이 엔진 성능에 큰 영향을 끼치므로 흡기 다 기관 길이를 파라미터 분석 결과처럼 중저속 구간 인 2000~4500rpm에서는 길게, 나머지 구간인 저속 및 고속 구간에서는 짧게 설정하는 것이 연소실 내 부의 압력 변화에 의해 흡입 공기량을 증대 시킬 수 있으므로 엔진 성능을 향상 시킬 수 있는 것이다.
변수 분석법 결과에 의거하여 실질적으로 흡기 다기관 런너 길이를 최적화하기 위한 구간은 2000rpm~4500rpm이고, 이 구간은 최대 토크가 발생 하는 구간이므로 이를 500rpm기준으로 최적 설계 를 진행하여 토크 기준으로 도시한 결과가 Fig. 9와
Fig. 9 Runner length optimization result based on torque
같다. Fig. 9처럼 목적 함수 변수 중 하나인 토크 값 이 최대가 되는 흡기 다기관 런너 길이는 각 엔진 회 전수마다 다르다. 가변 흡기 시스템은 CVVT처럼 연속적으로 변하는 것이 아니고 두 개의 단계만 가 지기 때문에 증대되는 런너 길이를 설계자가 하나 만 선정하여야 한다. 따라서 엔진 토크가 가장 최대 가 되는 흡기 다기관 런너 길이를 선정하는 것이 바 람직하므로 초기값 대비 215mm를 증가시키는 것으 로 결정할 수 있었고, 런너 길이의 최적값인 고속 및 저속 구간에서의 360mm와 중저속 구간에서인 675mm를 초기값인 전 영역에서의 460mm와 비교 한 결과를 Fig. 10과 같이 도시화할 수 있었으며 동 등 수준의 연료 소비율과 Emission 조건에서 엔진 성능이 전반적으로 향상됨을 확인할 수 있었다.
4. 결 론
1) 가솔린 엔진에서 엔진 성능, 연비 및 Emission을 동시에 고려하여 가변 흡기 시스템의 런너 길이 뿐 아니라 작동 영역을 최적화 방법론 중 하나인 PQRSM에 의거하여 최적화를 수행할 수 있었으 며 이를 Table 2와 같이 나타낼 수 있었다.
2) 가솔린 엔진에서 가변 흡기 다기관 길이에 의해 엔진 성능이 변화되는 이유는 흡기 다기관 길이 에 의해 실린더 내부의 압력 변화가 발생하여 흡 입 공기량을 증대시킬 수 있기 때문이며 이를 해 석을 통해 증명할 수 있었다.
3) 가변 흡기 시스템을 장착하여 공연비, 밸브 개폐
시기, 점화 시기가 초기 상태와 동일한 조건에서
단지 흡기 다기관 런너 길이만을 변경하여 동등
수준의 연료 소비율과 Emission 조건에서 최대
가솔린 엔진의 성능, 연비, 배출 가스를 동시에 고려한 시뮬레이션 기반 흡기 다기관 길이 최적화
Fig. 10 Comparison of NOx, BSFC, Torque and Power with respect to the engine rpm between with and without VIS
Table 2 Optimization Result and VIS matching strategy Initial Optimization Intake manifold type Fixed geometry Variable induction
Runner length of
intake manifold 460mm 360mm/ 675mm VIS Matching
strategy -
360mm By 2000rpm 675mm 2000~4500rpm 360mm Over 4500rpm Max torque 203.1Nm at 4000rpm 218.2Nm at 3000rpm Max Power 135hp at 6000rpm 140.2hp at 6000rpm
토크를 7.4%, 최대 출력을 3.8% 증대시킬 수 있 었다.
4) 가솔린 엔진에서 밸브 개폐 시기도 실린더 내부 의 압력 변화에 큰 영향을 끼치므로 런너 길이와 밸브 개폐 시기를 동시에 고려한다면 더 큰 엔진
성능의 증대 효과를 볼 수 있을 것으로 판단된다.
5) 가변 흡기 시스템의 런너 길이를 해석 모델의 신 뢰성 확보 후 최적화할 수 있었으며 이를 근거로 실제 시험에 이용할 경우 시험 기간을 단축 시킬 수 있으리라 예상된다.
후 기
본 연구가 진행될 수 있도록 많은 도움을 주신 쌍 용자동차 CAE팀, 엔진구동연구개발팀, (주)프레이 맥스 관계자 분들게 깊은 감사를 드립니다.
References
1) M. Son, M. Lee, K. Lee, M. Sunwoo, S. Lee, C.
Lee and W. Kim, “Nonlinear Model-Based Control of Vane Type Continuous Variable Valve Timing System,” Int. J. Automotive Technology, Vol.8, No.5, pp.555-562, 2007.
2) C. W. Lee and H. S. Lee, “Effect of Intake System on Engine Performances in 4-Stroke SI Engine,” Fall Conference Proceedings, KSAE, pp.24-27, 1990.
3) G. Jiang, L. Lu and M. Wen, “Engine Cycle Simulation and Development of a Gasoline Engine,” SAE 2007-01-4103, 2007.
4) GT-Power User's Mannual Version 6.1, Gamma Technologies, 2006.
5) PIAnO(Process Integration, Automation and Optimization), User's Manual, Version 2.4, FRA- MAX Inc., 2008.
6) K. J. Hong, D. H. Choi and M. S. Kim,
“Progressive Quadratic Approximation Method for effective Constructing the Second-Order Response Surface Models in the Large Scaled System Design,” The Korean Society of Me- chanical Engineers(A), Vol.24, No.12, pp.3040- 3052, 2000.
