Copyright
Ⓒ2016 KSAE / 144-07 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2016.24.5.549 Transactions of KSAE, Vol. 24, No. 5, pp.549-555 (2016)
블로바이 가스 내 오일입자들을 제거하기 위한 필터의 유동특성 수치해석
윤 정 의*1)․채 강 석2)․강 혁 진2)․정 도 영2)
강원대학교 기계설계공학과1)․한국지엠 파워트레인2)
Numerical Analysis of Flow Characteristics of the Filter for Separating Oil Mist from Blow-by Gas
Jeong-Eui Yun
*1)
․Kangseog Chae2)
․Hyukjin Kang2)
․Doyoung Chung2)
1)
Department of Mechanical Design Engineering, Kangwon National University, Gangwon 25913, Korea
2)
Powertrain Engineering, GM Korea Company, 233 Bupyeong-daero, Bupyeong-gu, Incheon 21334, Korea (Received 25 February 2016 / Revised 17 April 2016 / Accepted 22 June 2016)
Abstract : This research was performed to determine the oil separation characteristics of the specially designed oil filter installed in a PCV cylinder head passage. The oil filter was specially designed with fleece for separating oil mist from blow-by gas. The fleece, made of fiber fabric material, is placed in the oil filter case to absorb oil mist with a small pressure drop during blow-by gas through the filter. To do this, 3-D CFD analysis was simulated for the simplified PCV system with the oil filter using the commercial code, Ansys CFX. Results showed that the oil filter’s efficiency with fleece sharply increased as oil droplet size increased.
Key words : Blow-by gas(블로바이 가스), Oil mist filter(오일 미스트 필터), Gasoline engine(가솔린 엔진), CFD (전산유동해석)
1. 서 론
1)
현재 자동차 엔진에서 사용하고 있는 PCV(Posi- tive Crankcase Ventilation) 시스템은 블로바이(blow- by) 가스를 PCV 밸브와 Breather 호스를 통해 흡기 계로 재순환 시키는 방식을 채택하고 있다. 블로바 이 가스에는 오일 팬에서 비산된 다량의 미세 오일 미스트(oil mist)가 함께 부유하여 이동하게 되며, 이 들 미세 오일 미스트는 PCV 시스템을 통한 재순환 과정에서 흡기계를 통해 연소실로 들어가 연소과정 에서 소모가 됨으로 인해 엔진 오일 소모 증대의 원 인이 된다. 또한 연소실로 들어간 오일 미스트는 엔 진연소의 전반적인 과정 및 연소 후 배기처리 과정 에서 관계하는 촉매 등에도 악영향을 미친다. 이러
*
Corresponding author, E-mail: [email protected]
한 이유로 가능한 한 흡기계로 유입시키기 전에 블 로바이 가스 내 포함되어 있는 오일 미스트들(oil mist)을 최대한 분리 시켜 크랭크 케이스로 회수 시 키고자하는 기술들이 PCV 시스템 통로를 구성하고 있는 헤드 커버 설계 과정에서 다양하게 적용 되고 있다.
1-7)
본 연구는 블로바이 가스 내 오일 미스트들을 분 리하기 위해 실린더 헤드 커버 내 PCV 통로에 설치 된 새로운 형태의 오일 미스트 분리용 필터의 유동 특성 규명을 목적으로 수행되었다. 이를 위해 실제 오일 미스트 필터에 대한 3-D 유동 해석 모델링을 수행하였으며, 해석 모델의 타당성 검정을 위해 테 스트 리그를 활용한 실험 데이터 확보 및 비교 검증 과정을 수행하였다. 최종적으로 다양한 운전 조건 하에서 오일 필터의 유동 특성을 규명하였다.
윤정의․채강석․강혁진․정도영
2. 수치 해석
2.1 필터 특성 규명을 위한 수치해석 모델 Fig. 1은 본 연구에서 유동 특성을 파악하고자 하 는 오일 미스트 분리용 필터가 실린더 헤드 커버 내 PCV 통로에 설치된 모습을 나타낸 그림이다. 그림 을 살펴보면 오일 미스트 분리용 필터에는 플리스 (fleece)라 불리는 섬유질의 오일 미스트 흡수 막이 포함되어져 있음을 확인할 수 있다. 운전 중 필터 전 단의 작은 구멍을 통해 블로바이 가스가 고속으로 필터를 통과할 경우 오일 미스트는 관성력에 의해 플리스에 흡착되어 블로바이 가스로부터 분리되도 록 필터를 설계하였음을 알 수 있다.
Fig. 2는 오일 미스트 분리용 필터만의 유동 특성 파악을 위해 제작한 사각형상의 테스트 헤드 커버 를 보여주고 있는 그림이다. 실린더 헤드 커버 내 설 치된 PCV 통로의 형상에 의한 블로바이 가스 유동 특성 때문에 발생할 수 있는 오일입자 분리 특성을 배제한 채 오일 미스트 분리용 필터만의 유동 특성 을 파악하기 위해 사각형상의 테스트 유로로 만들
Fig. 1 PCV Passage in cylinder head cover with oil mist filter
Fig. 2 Photos of simplified test head cover for figuring out oil droplet capturing characteristics of oil mist filter
Fig. 3 Mesh for 3-D simulation of simplified head cover with oil mist filter
Table 1 Grid information and boundary conditions for 3-D simulation of head cover with oil mist filter
Items Conditions
Total grid cells 8,364,161
Domain
Head cover (air fluid)
Fleece (porous)
Inlet fluid (morphology)
Air (continuous fluid)
Oil mist (particle transport fluid) Particle coupling model One-way coupling
Inlet boundary conditions
Air flow rate ( 12.3 ~ 98.4 l/min)
Oil mist diameter (10 ~ 90
) Outlet boundaryconditions 1 atm.
Particle wall treatment Stick to wall
Turbulence model
Air :
SST(Shear Stress Transport) Oil mist : dispersed phase zero equation
어진 헤드 커버를 제작하여 오일 미스트 분리용 필 터를 설치하였다.
Fig. 3은 필터만의 유동 특성 파악을 위해 구성한 3-D 모델 및 해석용 격자를 나타낸 그림이다. Table 1 에 표기하였듯이 격자는 약 830만 개로 구성하였으
블로바이 가스 내 오일입자들을 제거하기 위한 필터의 유동특성 수치해석
며, 섬유질 플리스는 다공성 고체(porous)로 처리하 였다. 특히 해석에 중요한 영향을 미치는 플리스의 경우 다공성 물질로 모델링을 할 때 물리적으로 타 당한 유동 저항 값을 결정하는 것이 매우 중요하다.
해석은 Ansys사의 유동해석 프로그램인 CFX를 사용하였다. 그리고 해석에 사용한 주요 모델과 경 게조건은 Table 1에 상세하게 표기하였다. 실제로 엔진 운전 중 블로바이 가스 내 오일 미스트는 미세 한 양이므로 이들 사이의 particle coupling model은 one-way model을 채택하여 계산하였으며, 실험과 같은 일정 온도조건에서 공기를 작동 유체로 수행 하였다. 그리고 공급 유량의 조건을 실제 엔진에서 발생하는 블로바이 가스 유량과 유사한 조건인 12.3 l/min부터 98.4 l/min까지 변화시키면서 수행하였으 며, 해석 모델의 타당성은 오일 미스트 분리용 필터 전 후단에서 실험을 통해 측정한 압력 차 값과 해석 을 통해 구한 압력 차 값을 서로 비교해 보는 것으로 하였다.
2.2 수치해석 모델 검증을 위한 리그 실험 Fig. 4는 오일 미스트 분리용 필터가 설치된 아크 릴로 만든 테스트 헤드 커버를 사용하여 필터의 공 기 저항 특성을 규명하기 위해 만들어 놓은 실험장 치 모습이다. 필터의 공기 저항 특성을 규명하기 위 해 Table 2에서 보여주듯이 공기 압축기를 통해 공 기를 16.7 l/min부터 100 l/min까지 변화시켜가면서 테스트 헤드 커버에 설치된 오일 미스트 분리용 필 터 양단에 뚫어 놓은 직경 6 mm의 구멍(Fig. 2 참조) 에 작용하는 차압을 KIMO사의 MP111(1Pa 분해능 을 가짐) 차압계를 사용하여 측정하였다. 실험 중 공 급되는 유량은 Flowmetric사의 터빈타입 공기유량 계(FM-8NT3-ADR-2030)를 사용하여 측정하였으며, 실험 조건을 일정하게 유지하기 위해 20 °C 일정 공기 공급 온도를 유지하도록 온도를 모니터링 하였다.
Fig. 5는 Fig. 4의 실험 장치를 사용하여 오일 미스 트 분리용 필터의 유동저항 특성을 실험한 결과이 다. 그림을 살펴보면 필터의 유동저항 경우 유량의 제곱에 비례하는 전형적인 유동 저항의 특성을 잘 보여주고 있음을 확인할 수 있다. 실험은 플리스 샘 플에 따른 편차를 확인하기 위해 플리스를 바꾸어
Fig. 4 Test rig and head cover with filter for figuring out flow characteristics of oil separator
Table 2 Supply air conditions for head cover rig test
Items Ranges
supply air flow rate (l/min) 16.7 ~ 100 supply air temperature (°C)
±
Fig. 5 Characteristics of flow resistance of fleece in oil sepa- ration filter
가면서 각각에 대해 실험을 수행하였으며, 플리스 를 제외한 필터 케이스만의 저항을 알아보기 위해 플리스를 제외한 실험 또한 수행하였다. 플리스 샘 플에 따른 편차를 확인하기 위해 플리스를 바꾸어 가면서 수행한 #1 fleece, #2 fleece 결과를 살펴보면
Jeong-Eui Yun․Kangseog Chae․Hyukjin Kang․Doyoung Chung
샘플들 사이의 오차는 거의 없음을 확인 할 수 있다.
그리고 엔진 전 부하 운전 조건에서의 블로바이 가 스 유량인 50 l/min 조건에서는 약 153 Pa 정도의 유 동 저항이 있음을 보여주고 있다. 그리고 플리스를 제외한 오일 필터 케이스만의 저항을 알아보기 위 해 수행한 No fleece 실험 결과를 살펴보면 플리스가 있을 경우에 비해 유동 저항이 다소 감소하지만 큰 값은 아님을 확인할 수 있다. 그러므로 오일 미스트 분리용 필터가 차지하는 유동 저항의 대부분은 플 리스 보다는 케이스의 형상에 기인한다는 것을 확 인할 수 있다.
2.3 수치해석 모델 검증을 위한 리그 실험 유동해석 프로그램의 경우 다공성 물질의 유동 저항을 다양한 형태의 수식으로 momentum source 항으로 처리하는 방식을 취하고 있으며, 본 연구에 서는 아래 식 (1) ~ (3)과 같은 등방성 다공 물질에 사 용하는 각 방향의 momentum source항
식을 채택하였다. 이 식들은 작동 유체의 점도
, 밀도
, 그리고 속도 (
)의 항으로 표현되며, 여기서
은 점성 손실(viscous loss)의 크기를 나타내는 계수이며,
는 관성 손 실(inertia loss)을 나타내는 계수이다.
(1)
(2)
(3)실험값들을 사용하여 다공성 물질인 플리스의 유 동 저항을 나타내는 이들 계수들 값과의 관계식을 구하고자 할 때 위의 식으로부터 momentum source 항을 작동유체가 다공물질의 두께(L)를 통과할 때 나타나는 압력 차(
∆
)로 정의한 후 아래의 식 (4) 형 태로 변형하여 C1(linear resistance coefficient), C2 (quadratic resistance coefficient)값을 결정하는 방법 을 취한다.8)
∆
(4)Fig. 6 Simulated velocity and pressure distribution on vertical plane. Air flow rate = 98.4 l/min, porosity loss coeffi- cients C1=
, C2=
Fig. 7 Effect of porous loss coefficients on simulated pressure difference results between the position shown in test head cover of Fig. 2
Fig. 6은 앞에서 설명한 해석모델을 사용하여 계 산한 헤드 커버 내 블로바이 가스 유동의 속도 및 압 력 분포를 그려 놓은 그림이다. 그림을 살펴보면 오 일 미스트 분리용 필터가 설치된 영역을 전 후로 필 터의 유동 저항에 의한 급격한 속도 변화 및 압력차 가 발생한다는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 7은 Fig. 4에서 그려 놓은 실험 장치로 측정한 플리스 전 후단 압력 차 값(Fig. 2, Fig. 5 참조)과 플리 스의 저항계수 값
,
값을 변화시켜가면서 해석 을 통해 계산한 압력 차 값 사이의 결과를 비교 해놓Numerical Analysis of Flow Characteristics of the Filter for Separating Oil Mist from Blow-by Gas
은 결과이다. 해석은 플리스의 저항계수 값 중 점성저 항을 나타내는
을 무시하여 최적화한 값과
,
모두를 고려하여 최적화한 값을 사용하여 계산 한 결과를 Fig. 5에 나타낸 실험값과 비교하여 그려 놓은 그림이다. 그림을 살펴보면 점성저항(C1=
)과 관성저항(C2=
) 모두를 고려한 경우 실제 실험값과 잘 일치함을 확 인할 수 있다. 이러한 검증과정을 통해 플리스의 저항 값을 최종적으로 결정하여 모든 해석을 수행하였다.3. 해석 결과 및 고찰
Fig. 8은 오일 미스트 분리용 필터의 효율을 평가 하기 위해 실제 엔진의 전 부하 시 블로바이 가스 유 량에 상응하는 49.2 l/min의 유량이 헤드 커버에 흐 를 때 10, 50, 90 ㎛ 크기의 오일 미스트 거동을 계산 한 결과이다. 그림을 살펴보면 블로바이 가스에 섞 여 함께 움직이는 오일 미스트가 필터를 통과하면 서 대부분 섬유질의 플리스에 흡착되지만 일부는 이를 통과하여 밖으로 빠져 나간다는 것을 확인할 수 있다. 그리고 이렇게 필터를 통과하여 빠져 나가 는 입자의 수는 오일 미스트의 크기가 작아질수록 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 이유는 오일 미스트의 크기가 작아질 경우 오일 미스트의 질량 이 줄어 관성력이 감소하기 때문이라 여겨진다.
Fig. 9는 Fig. 8의 현상을 보충적으로 설명하기 위 해 특정 단면에서 계산한 블로바이 가스 속도벡터 그림이다. 그림에서 확인할 수 있듯이 필터의 전단 의 좁은 통로를 지나면서 가속되어 흘러들어 오는 블로바이 가스 중 일부는 플리스에 부딪히지 않고 필터 옆의 틈새를 통해 곧 바로 뒤쪽으로 빠져나가 는 것을 확인할 수 있다. 그러므로 작은 직경을 가진 오일 미스트 경우는 관성력이 작으므로 플리스에 부딪히지 않고 이들 블로바이 가스와 함께 필터 옆 의 일부 틈새를 통해 빠져 나갈 수 있으므로 오일 미 스트의 크기에 따라 필터의 효율이 달라질 수 있음 을 예상할 수 있다.
이러한 현상을 고려하여 입구에서 입경 별 각각 1000개의 오일 미스트를 흘렸을 때 오일 필터 앞쪽 의 실린더 벽(front wall)에 달라붙는 오일 미스트들 의 수(
), 플리스에 흡착되는 오일 미스트들의(a)
(b)
(c)
Fig. 8 Oil droplet behavior around oil separation filter.
Blow-by flow rate=49.2 (l/min), Oil droplet size, (a)10
㎛, (b) 50 ㎛, (c) 90 ㎛
수(
), 플리스를 통과하여 실린더 뒤쪽 벽(rearwall)에서 달라붙는 입자들의 수(
) 그리고 흡착 되지 않고 헤드 커버를 빠져 나가는 오일 미스트들 의 수(
)를 계산하여 이들 값들로부터 오일 미 스트의 흡착효율을 식 (5), (6)과 같이 정의하여 오일 미스트 크기 변화에 따른 필터만의 오일 미스트 필 터흡착효율 (
) 과 필터를 포함한 실린더 헤드 커버 내 전체 표면에 달라붙은 오일 미스트 헤드커윤정의․채강석․강혁진․정도영
브 흡착효율(
)을 분리하여 계산하였다.
×
(5)
×
(6)여기서,
: total number of oil droplet seeded in inlet area (
)
: number of oil droplet attached on fleece
: number of oil droplet attached on front cylinder wall
: number of oil droplet attached on rear cylinder wall
: number of oil droplet escaping into atmosphereFig. 10은 식 (5), (6)에 따라 계산한 오일 미스트의 크기 변화에 따른 필터흡착효율(
)과 헤드커브 흡착효율(
) 결과 그래프이다. 그림을 살펴보면Fig. 9 Velocity vector distribution on section plane. Blow-by flow rate=49.2 (l/min)
Fig. 10 Effect of oil droplet size on filter efficiency. Blow-by flow rate=49.2 (l/min)
먼저 10 ㎛ 오일 미스트 경우 필터흡착효율(
) 은 29.9 %로 상당히 작은 값을 가진다. 그러나 오일 미스트의 크기가 증가할 경우 오일 미스트의 관성 력의 증가로 인해 섬유질의 오일 흡착제 플리스가 내장된 오일 필터에서 오일 흡착효율이 급격하게 증가하여 90 ㎛ 크기의 입자에 대해서는 흡착효율 이 95.2 %에 이르게 된다. 이러한 이유로 헤드커브 흡착효율(
) 또한 10 ㎛ 오일 미스트 경우 83.7 % 정도의 값을 가지지만 90 ㎛ 크기의 입자에 대해서 는 99.3 %의 값을 가진다.4. 결 론
본 연구는 실린더 헤드 커버 내 PCV 통로에 설치 된 오일 미스트 분리용 필터의 유동 특성 규명을 목 적으로 수행되었다. 이를 위해 오일 필터 내 설치된 섬유질 형태의 오일 흡착제인 플리스를 다공성 물 질로 모델링하여 전체적인 전산 해석 모델을 만들 었으며, 해석 모델의 정확성을 위해 다공성 물질의 저항특성과 관련된 점성 및 관성 저항 값
,
를 실험결과와 비교를 통해 결정하였다. 최종적으로 이렇게 설정한 전산 모델을 사용하여 오일 미스트 크기 변화에 따른 오일 필터의 오일 흡착효율을 설 정하여 필터의 특성을 해석하였으며 그 결과는 아 래와 같다.1) 필터 내 오일 흡착제인 플리스를 다공성 물질로 고려할 경우 점성저항(C1=
) 및 관성저항(C2=
) 모두를 고려한 경블로바이 가스 내 오일입자들을 제거하기 위한 필터의 유동특성 수치해석
우 실제 실험값과 잘 일치함을 확인할 수 있다.
2) 블로바이 가스와 함께 유동하는 오일 미스트들 의 흡착효율과 관련하여 오일 필터만의 필터흡
착효율(
)과 필터를 포함한 실린더 헤드 커버 내 표면 전체에 흡착하는 오일 미스트들의 헤 드커브 흡착효율(
)을 정의하였다.3) 플리스 흡착제가 포함된 필터흡착효율(
)은 10 ㎛ 오일 미스트에 대해서는 29.9 %로 작은 값 을 가지지만 90 ㎛ 크기의 입자에 대해서는 흡착 효율이 95.2 %로 급격하게 증가한다.4) 헤드커버 흡착효율(
)은 10 ㎛ 오일 미스트 경우에 대해서는 83.7 %이지만 90 ㎛ 크기의 입 자에 대해서는 99.3 %의 값을 가진다.5) 흡착효율
,
는 오일 미스트들의 크기에 따라 증가하는 경향을 보인다. 이러한 이유는 오 일 미스트들의 크기가 증가함에 따라 오일 미스 트들의 관성력 증가로 인해 플리스 흡착제가 포 함된 오일 필터에서 필터흡착효율이 급격하게 증가하기 때문이다.후 기
본 연구는 2015년 강원대학교 대학회계 학술연구 조성비로 연구하였음(관리번호-201510064).
References
1) B. O. Park, S. Y. Lee, Y. T. Park, J. G. Lee, H.
S. Nam and S. H. Hong, “Development of Ven- tilation System of V6 Diesel Engine,” KSAE Spring Conference Proceedings, pp.92-101, 2013.
2) C. S. Kim and S. Y. Park, “Performance Analysis of Oil Separators for Gasoline Engine Using CFD Simulation,” Journal of KAIS, Vol.13, No.2, pp.516-521, 2012.
3) H. G. Kim, Y. B. Yoon, Y. J. Park, S. W. Lee and Y. S. Cho, “Numerical Analysis of Oil Sepa- ration Performance for Baffle Plate Designs,”
KSAE Spring Conference Proceedings, pp.208- 213, 2009.
4) W. S. Kee, H. G. An, Y. S. Cho and B. C. Na,
“An Experimental Study on Separation Effici- ency for Oil Particle Diameter of Oil Separator in Cylinder Head Cover,” KSAE Spring Con- ference Proceedings, pp.184-189, 2009.
5) K. S. Kim, “Numerical Simulation of Blow-by Gas and Oil Droplet Separation,” KSAE Fall Conference Proceedings, pp.612-617, 2006.
6) P. Bastias, D. Grafl, J. Wagner, D. Caloghero, M. Puckett and D. Nash, “Air/Oil Separation in Cylinder Head Cover,” SAE 2004-01-2933, 2004.
7) K. Satoh, T. Kawai, M. Ishikawa and T.
Matsuoka, “Development of Method for Predic- ting Efficiency of Oil Mist Separators,” SAE 2000-01-1234, 2000.
8) ANSYS, CFX Ver15 User’s Manual, 2015.
