Diesel Engine Intake Port Analysis Using Reverse-engineering Technique

(1)

< 기 술 논 문 >

리버스 엔지니어링을 통한 디젤엔진 흡기포트의 성능 비교

김 창 수¹⁾․박 성 영^*2)

공주대학교 일반대학원 기계공학과¹⁾․공주대학교 기계자동차공학부²⁾

Diesel Engine Intake Port Analysis Using Reverse-engineering Technique

Chang-Su Kim¹⁾․Sung-Young Park^*2)

1)Mechanical Engineering, Graduate School, Kongju National University, Chungnam 32588, Korea

2)Division of Mechanical & Automotive Engineering, Kongju National University, Chungnam 32588, Korea (Received 14 January 2015 / Revised 1 May 2015 / Accepted 8 May 2015)

Abstract : In this paper, we built a three-dimensional model by applying reverse engineering techniques on targeting the intake port of 2900cc class diesel engine before that three-dimensional design technique is applied. The performance of the intake port is predicted and analysed using the computational flow analysis. Flow Coefficient and Swirl Ratio have been analyzed for two intake port models. One is the intake port for the diesel engine with plunger-type fuel system, and the other is for the diesel engine with CRDI fuel system. Computational result shows that the Flow Coefficient of the intake port with CRDI fuel system is increased upto 10 percentage compared with that with plunger-type. Also, the intake port with plunger-type has high Swirl Ratio at high valve lift, and the intake port with CRDI fuel system has high Swirl Ratio at relatively low valve lift. It is believed that because of high performance of the fuel injector, the intake port with CRDI fuel system is designed for more air amount and not much swirl flow at high valve lift. However, high swirl flow is required at low valve lift for initial fuel and air mixing. The result of this study may be useful for the re-manufacturing industry of automotive parts.

Key words : Reverse engineering(역설계), Intake port(흡기 포트), Helical port(헬리컬 포트), Tangential port(탄젠 셜 포트), Flow coefficient(유량계수), Swirl ratio(스월비)

Nomenclature¹⁾ A : sectional seat diameter, m ISD : Inner Seat Diameter, m

 : mass flow rate, kg/s

∆ : pressure difference, Pa

 : crank angle, rad

Subscripts

_ : flow coefficient

*A part of this paper was presented at the KSAE 2013 Spring Conference

*Corresponding author, E-mail: [email protected]

CRDI : Common Rail Direct Injection

_ : rotational speed of paddle wheel

_ : fictitious engine speed

1. 서 론

최근 들어 디젤엔진 차량이 늘어나면서 차량에서 배출되는 배기가스 규제가 강화되고 있다. 배기가 스 규제를 만족하기 위해서는 연소실 연료 분사계 및 흡･배기계의 최적화가 필요하다.¹⁾ 특히, 디젤 엔 진에서 흡입공기의 유동은 연료와 공기의 혼합에 있어서 필수적으로 연구되어야 하는 요소이며 엔진 의 성능과 직접적으로 연관된다. 디젤 엔진의 특성

(2)

에 따라 Helical Port 또는 Tangential Port를 적용하 며, 필요에 따라 두 가지 방식을 모두 적용한 Port를 사용하기도 한다. 디젤 엔진 인젝터의 발달로 인하 여 최근 Intake Port의 성능 민감도가 감소하기는 하 였으나 여전히 엔진의 성능에 직접적인 영향을 미 치는 주요 성능 인자이다.²⁾

디젤 엔진의 Intake Port에 대한 연구는 다양하게 진행되어 왔다. 특히, Intake Port의 형상과 스월의 상관관계에 대한 연구 등이 신규엔진을 위주로 진 행되었다. Intake Port의 개발은 인젝터 등의 신기술 과 병행하여 엔진의 성능을 향상시키기 위하여 수 행되었다.^3,4) 이러한 신규 엔진들의 기술 개발과 더 불어 기존 엔진들의 재제조 사업이 활발히 진행되 고 있다. 하지만, 최근 들어 재제조 분야의 관련 규 정들이 확립되면서 3차원 설계데이터가 부재한 단 종된 엔진들의 기초 데이터가 필요하게 되었다.

본 연구에서는 3차원 설계기법이 적용되기 이전 초기 디젤엔진 Intake Port와 CRDI로 넘어가는 과 도기에 개발된 후속 디젤엔진 Intake Port를 역설계 기법을 적용하여 3차원 모델을 구축하고, Intake Port에 대한 성능을 비교, 분석하고자 하였다. 이러 한 예측 방법은 디젤엔진 헤드의 재제조 분야에 직 접적으로 적용될 수 있을 것이며, 엔진 부품의 제 작을 위한 기초 데이터로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Photo. 1 The cylinder head of a diesel engine

Photo. 1은 본 연구에 적용된 디젤 엔진의 실린더 헤드를 보여주고 있다. 본 연구에 사용된 엔진은 2900cc급 디젤엔진 직렬 4형태로 각 실린더별로 2 개의 흡기밸브와 2개의 배기밸브를 가지고 있다. 2 개의 Intake Port 중 하나는 스월 유동을 유발하는 Helical Port이며, 다른 하나는 텀블 유동을 유발하는 Tangential Port이다.

2. 본 론 2.1 실린더 헤드 3차원 스캔

Photo. 2는 본 연구의 역설계를 위하여 절개된 실 린더 헤드를 보여주고 있다. Photo. 2(a)는 초기 모델, Photo. 2(b)는 CRDI용 모델의 중심선을 따라 절개된

(a) Model A

(b) Model B

Photo. 2 Sectioned cylinder head and port shape

(3)

Chang-Su Kim․Sung-Young Park

Photo. 3 3D scanner

Helical Port와 Tangential Port를 보여주고 있으며, 모 델명의 간략화를 위해 초기 디젤엔진 Intake Port를 Model A, CRDI용 Intake Port를 Model B라 명명하였 다. 실린더 헤드는 엔진 전면부의 2개의 실린더 포 트의 중심선을 따라 절개하였으며, 절개 실린더는 1 번 실린더이다.

Photo. 3은 본 연구에 적용된 3차원 스캔장비이며, Steinbichler Vision Systems사의 COMET 5를 사용하 였다. 3차원 스캔 장비로 Intake Port 내부의 곡면을 스캔하고 이를 조합하여 Intake Port 형상을 역설계 하였다.

2.2 계산격자 및 해석 방법

3차원 스캔 장비를 이용하여 스캔된 데이터는 설 계툴을 이용하여 파손된 부위와 곡면을 보강하여 해석이 가능한 모델로 재구성하였다. Fig. 1은 스캔

(a) Model A

(b) Model B Fig. 1 Analytical model

Model A

Model B

(a) Intake port

(b) Helical port

(c) Tangential port Fig. 2 Computational grid

데이터를 적용하여 재구성된 3차원 모델을 보여주 고 있다. 재구성된 모델에서 흡기부의 유동을 실제 구동 상황과 동등하게 유지하기 위하여 벨마우스를 설치하였으며, 해석을 위한 반구형의 흡기부를 추 가하였다.⁵⁾

Fig. 2는 Model A와 Model B의 유동 해석을 위한 격자를 생성한 그림으로 Intake Port와 함께 Helical Port 및 Tangential Port 각각의 유동 특성도 확인하기 위해 각 포트별로 계산격자를 구성한 것이다. (a)의 경우 약 150만개 이상의 Trimmer 격자로 구성되었 으며, (b)와 (c)의 경우 각각 100만개 정도의 Trimmer 격자로 구성되었다. 또한, 포트 하면의 출구에서 발 생하는 reverse flow를 방지하기 위하여 실린더의 길 이를 보어 크기의 5배로 연장하여 해석을 진행하였 다. 유동해석 프로그램은 상용 소프트웨어인 STAR- CCM+를 사용하였으며, 압축성 정상상태 유동으로 가정하고    난류 모델을 적용하였다.⁶⁾ 흡기부 입 구 경계 조건으로는 101,325Pa의 전압력을 적용하 였으며, 실린더측 출구조건은 95,102Pa의 정압력 조 건을 적용하여 압력 차이를 6,223Pa로 설정하였다.

Intake Port에서 중요시되는 와 Swirl Ratio (SR) 에 중점을 두고 해석을 진행하였다. Swirl Ratio는 와 류의 회전수와 엔진의 회전수의 비로써 Swirl Ratio

(4)

Diesel Engine Intake Port Analysis Using Reverse-engineering Technique

가 높을수록 스월강도가 증가하고 실린더 내에서의 연료혼합을 촉진하여 연소 성능을 향상시킨다.^7,8) Swirl Ratio는 AVL계산식을 기준으로 해석을 진행 하였으며 사용된 식은 다음과 같다.

__{ }_



_{}

 



^



^^

∆

_{}

(1)

_{ }

_

_

 



^

 



_

(2)

2.3 해석 결과

Fig. 3은 Intake Port와 Helical Port 및 Tangential Port의 유동 해석 결과를 가시화 한 것이다. 유동장

Model A

Model B

(a) Intake port

(b) Helical port

(c) Tangential port Fig. 3 Velocity distribution and streamline in the cylinder

(Valve lift = 2mm)

을 가시화한 밸브 리프트는 2mm를 기준으로 하였 다. 보이는 바와 같이 Model A의 경우 스월을 생성 해주는 Helical Port에서 스월의 형태가 명확하지 않 아 본래의 역할을 원활히 수행하지 못하는 것을 확 인할 수 있다. 이는 Helical Port의 과도한 곡률로 인 해 유동의 흐름이 벽면에 직접 충돌할 뿐만 아니라, Tangential Port와의 유동 흐름과도 충돌하여 스월 유동을 방해하기 때문인 것으로 사료된다. 이에 반 해, Model B의 경우 Helical Port의 과도한 곡률을 줄 이고, Tangential Port의 유동 흐름에 맞춰 방향성이 동일하게 제작되어 명확한 스월의 형태가 생성되는 것을 확인하였다. Model B의 이러한 유선 분포는 Intake Port의 성능에도 긍정적인 영향을 미칠 것으 로 예상된다.

Fig. 4는 Intake Port의 공기유량계수를 그래프화 한 것이다. 그래프에서의 L은 밸브 리프트, D는 ISD 를 의미한다. Fig. 4에서 보이는 바와 같이, Model A 가 Model B 대비 밸브 리프트 4mm까지는 약간의 우 위를 점하고 있지만, 5mm 이후 Model B의 공기유량 계수가 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 객관 적인 비교를 위해 본 연구에서는 밸브 리프트별 유 량계수를 기초로 표준 밸브 프로파일에 대한 평균 유량계수를 정의하였으며, 그 식은 다음과 같다.^9,10)

_{ }_^^^   (3)

식 (3)의 방정식을 이용하여 평균유량계수를 구 한 결과 Model A의 경우 _{ } , Model B의 경우 _{ } 로 Model A 대비 Model B의 평

Fig. 4 Flow coefficient

(5)

김창수․박성영

Fig. 5 Swirl ratio

균유량계수가 약 10%정도 향상된 것을 확인하였다.

Fig. 5는 Intake Port의 스월비를 그래프화한 것이 다. 그래프에서 Helical Port+Tangential Port는 각 포 트의 스월비를 더한 값으로 이상적인 설계가 진행 되어 Helical Port와 Tangential Port의 간섭이 없을 때 의 최대 스월비를 의미한다. Model A의 경우 저 밸 브 리프트에서 고 밸브 리프트로 갈수록 스월비가 증가하는 것을 확인할 수 있다. Helical Port와 Tangential Port의 스월비를 합한 값이 Intake Port의 3 배 정도로 Helical Port와 Tangential Port의 스월 유동 이 서로 충돌하여 성능이 저하된 것으로 판단된다.

Model B의 경우 Model A와는 반대로 저 밸브 리프 트에서 고 밸브 리프트로 갈수록 스월비가 감소함 을 알 수 있다. Helical Port와 Tangential Port의 스월 비를 합한 값이 Intake Port의 2배 정도로 Model A에 비해 스월비 저하폭은 감소하였지만, 여전히 스월 유동의 손실이 있는 것을 확인할 수 있다.

객관적인 성능 비교를 위해 평균 Swirl Number를 사용하였으며, 관련 수식은 기존의 문헌에 상세하 게 기록되어 있어 본 논문에서는 생략하였다.¹¹⁾

Model A의 경우 Helical Port +Tangential Port의 평균 Swirl Number는 7.26, Intake Port는 2.06으로 Helical Port +Tangential Port의 약 28% 수준에 머무는 것을 확인하였다. Model B의 경우 Helical Port+Tangential Port의 평균 Swirl Number는 4.17, Intake Port는 1.61 로 약 38% 수준임을 확인하였다.

일반적인 Intake Port는 저 밸브 리프트에서 유량 이 적기 때문에 연료와 공기의 혼합을 돕기 위한 높 은 스월을 요구하고 고 밸브 리프트에서는 신기(신 선한 공기)의 충분한 공급을 통한 연소 성능 향상을 위해 높은 공기유량계수를 요구한다. Model B의 공 기유량계수와 스월비의 특성은 CRDI용 엔진으로 넘어가는 과도기에 엔진의 성능 향상을 위해 상대 적으로 흡입공기의 유량이 적은 저 밸브 리프트에 서는 스월 유동에 중점을 두고, 많은 공기 유량을 필 요로 하는 고 밸브 리프트에서는 공기유량계수에 중점을 두고 개발하였기 때문인 것으로 사료된다.

Fig. 6은 Intake Port의 스월비를 계산하는데 필요 한 Bore Size의 1.75배 부근에서의 속도분포를 가시

(a) Intake

port

(b) Helical

port

(c) Tangential

port

Model A Model B

Fig. 6 Velocity distribution of Bore size×1.75 (Valve lift = 2mm)

(6)

화한 것이다. Fig. 5의 스월비에서 설명한 바와 같이 Model A의 Helical Port에서 스월 유동이 완벽한 형 태로 나타나지 않고, Helical Port와 Tangential Port 유동의 충돌로 인해 흡기포트에서의 속도 성분이 크게 증가하지 못함을 확인 할 수 있다. Model B의 경우 Helical Port에서 원활한 스월 유동을 확인할 수 있으며, Model A 대비 흡기포트의 속도 성분이 상승 한 것을 확인할 수 있다.

3. 결 론

본 논문에서는 3차원 설계기법이 적용되기 이전 의 디젤엔진 흡기포트에 역설계 기법을 적용하여 3 차원 모델을 구축하였다. 또한, Intake Port에 구성된 Helical Port와 Tangential Port가 공기유량계수와 스월 비 및 유동장에 미치는 영향을 분석하고자 하였다.

이에 따라 해석을 위한 3차원 모델링을 수행하고 유 동해석을 진행하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) 유동장을 가시화하여 저 밸브 리프트에서 Model A 대비 Model B의 Helical Port에서 명확한 스월 의 형태가 생성되는 것을 확인하였으며, 이러한 유동장은 Intake Port 저 밸브 리프트에서의 스월비 향상에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상된다.

2) Model A 대비 Model B의 평균유량계수가 10%정 도 상승하였다. 또한, 스월비의 경우 Model A는 고 밸브 리프트에서 높은 스월비를 나타냈으며, Model B는 저 밸브 리프트에서 높은 스월비를 나 타내는 것을 확인하였다.

3) 해석 결과, Model B는 성능이 향상된 인젝터를 적용한 CRDI용 Intake Port로 개발되었기 때문 에, 저 밸브 리프트의 스월비와 고 밸브 리프트의 공기유량계수에 중점을 두고 설계된 것으로 판 단된다.

References

1) D. J. Kim, J. K. Lee, S. J. Kang and B. J. Rho,

“Effects of Intake Port Shape on the In-cylinder Eccentricity Swirl Flow Characteristics in a 4 Valve Diesel Engine,” KSAE Spring Conference Proceedings, pp.305-310, 1997.

2) D. J. Kim, J. K. Lee, S. J. Kang and B. J. Rho,

“A Study on the Effects of Intake Port Eccen-

tricity and a Partition between the Two Intake Ports on the In-cylinder Swirl Characteristics in a Valve Diesel Engine,” Transactions of KSME-B, Vol.21, No.7, pp.948-961, 1997.

3) S. C. Park, J. D. Ryu and K. H. Lee, “Analysis of In-cylinder Flow Characteristics of a High Speed D.I. Diesel Engines,” Transactions of KSME-B, Vol.26, No.9, pp.1276-1283, 2002.

4) K. H. Lee, Y. T. Han, H. Y. Jeong and Y. C.

Leem, “A Study on the Effects of Intake Port Geometry on In-cylinder Swirl Flow Field in a Small D.I. Diesel Engine,” Transactions of KSAE, Vol.12, No.6, pp.38-45, 2004.

5) C. S. Kim and S. Y. Park, “Analysis on Flow Performance of 2900cc Class Diesel Intake Port through Reverse Engineering,” AAFM, Vol.14, No.1, pp.105-112, 2013.

6) CD-adapco, STAR-CCM+ V6.04.014 User's Manual, 2011.

7) S. W. Kwak and K. W. Yi, “Steady State Flow CFD Analysis of the Intake Port in Euro-3 Diesel Engine,” KSAE Fall Conference Pro- ceedings, pp.423-428, 2006.

8) C. H. Lee, J. H. Lee, D. S. Kim and Y. S. Cho,

“Numerical Analysis of Flow Coefficient and Swirl Flow Characteristics with Intake Port Design Parameters,” KSAE Spring Conference Proceedings, pp.184-190, 2005.

9) W. G. Kang, C. H. Lee, D. S. Kim and Y. S.

Cho, “Correlation of Flow Characteristics and Flow Coefficient with Intake Port Design,”

KSAE Fall Conference Proceedings, pp.70-76, 2004.

10) J. W. Son, S. H. Lee, B. H. Han and W. T. Kim,

“A Correlation between Re-defined Design Parameters and Flow Coefficients of SI Engine Intake Ports,” SAE 2004-01-0998, 2004.

11) C. H. Kim and S. Y. Park, “Development of Intake Port for Range Extender Engine Using CFD Simulation,” KAIS, Vol.14, No.6, pp.2575- 2580, 2013.

12) C. S. Kim, Y. T. Kim and S. Y. Park, “Diesel Engine Intake Port Modeling Using Reverse Engineering Technique,” KSAE Spring Confer- ence Proceedings, pp.2045-2048, 2013.