Study on the Modeling of the Intake and Exhaust Systems of an SI Engine Using GT-POWER

GT-POWER를 이용한 SI 기관 흡․배기 계통의 모델링에 관한 연구

김정석

¹

․윤건식†․우석근

²

(원고접수일：2011년 8월 10일, 원고수정일：2011년 9월 15일, 심사완료일：2011년 9월 22일)

Study on the Modeling of the Intake and Exhaust Systems of an SI Engine Using GT-POWER

Jeong-Seok Kim¹․Keon-Sik Yoon†․Seok-Keun Woo²

요 약 : 상용 성능 해석 소프트웨어인 GT-POWER를 이용하여 SI 기관의 흡·배기 계통에 관한 모델링을 시도하였다. 흡·배기 계통을 구성하는 주요 요소 중 플레넘 체임버, 배기 매니폴드 및 촉매변환기 각각에 대하여 적용 가능한 여러 모델을 적용하고 흡·배기 계통 주요 지점에서의 압력 변화 등을 측정하고 이 를 계산 결과와 비교하여 각 모델의 적용 가능성을 검토하였다.

주제어 : 스파크 점화 기관, 시뮬레이션, GT-POWER, 성능 예측, 흡·배기 계통

Abstract:

Prediction of the transient pressure variations and performance parameters has been carried out for an SI engine using one of commercial software, GT-POWER. Various models were applied for the calculation of properties of the plenum chamber, exhaust manifold and catalytic convertor which are very important components included in the intake and exhaust systems.

Key w ords:

SI engine, Simulation, GT-POWER, Performance prediction, Intake and exhaust systems

†교신저자

(

창원대학교 조선해양공학과

, E-mail:[email protected], Tel: 055-213-3682) 1 (

주

)

인더스콘 기술연구소

2 (

주

)GPC

1. 서 론

왕복형 박용 기관은 종래 디젤 기관을 주로 사용 하여 왔으나 환경 또는 운용 연비의 문제 등으로 최근에는 LNG 기관 또는 합성 가스를 연료로 하는 기관 등 가스 기관으로도 관심을 돌리고 있다. 스 파크 점화를 하고 또 혼합기 외부 형성식인 가스 기관은 압축착화 방식과 혼합기 내부 형성식인 디 젤기관과는 여러 가지 측면에서 상이한 동작 특성 을 나타내고 있으며 조선 해양 분야에 있어서도 이 에 관한 적극적인 연구가 요구된다. 본 연구에서는 향후 가스 기관 등의 성능 해석을 위하여 현존하는 소형 SI 기관을 대상으로 하여 흡․배기 계통을 구 성하는 요소들에 대한 모델링을 시도하였다.

흡․배기 계통에서의 유동해석을 위해서는 특성

곡선법(Method of Characteristics)을 이용한 해석을 필두로 하여[1-3] 유한차분법(Finite Difference Method)을 기반으로 하는 연구[4]들이 이루어졌으 며 최근에는 유한체적법(Finite Volume Method)을 적용한 상용 소프트웨어들[5-7]이 개발되고 있다.

이러한 상용 소프트웨어로서 미국 Gamma Technologies의 GT-POWER, 오스트리아 AVL의 BOOST 및 영국 Ricardo의 WAVE 등이 제시되고 있으며 엔진 제작업체에서는 이들 상용 소프트웨 어를 선호하고 있다.

상용 소프트웨어의 장점 중의 하나는 특정한 요 소의 해석에 대하여 다양한 선택 가능성을 제공하 고 있는 점이다. 한편으로 이 다양성은 사용자로 하여금 대상요소에 대한 최적의 선택이 무엇인지

에 대한 판단을 요구하게 된다. 기관의 시뮬레이션 은 실린더 내 과정의 해석과 함께 실린더 밖에서 의 과정, 즉 흡․배기 계통에서의 해석으로 나누어 진다. 흡기 및 배기 계통은 실린더를 통하여 서로 영향을 미치게 되므로 흡․배기 계통을 구성하는 각 요소에 대한 최적의 모델링 방법을 검토하는데 있어서 경우의 수를 현저하게 증가시킨다. 본 연구 에서는 흡․배기 계통을 구성하는 주요 요소에 대 한 모델링 방법의 가능성을 검토하기 위하여 GT-POWER를 이용하여 플레넘 체임버(Plenum Chamber), 배기 매니폴드(Exhaust Manifold) 및 촉 매변환기(Catalytic Converter) 등의 주요 요소에 대 하여 여러 가지 가능한 해석 모델을 적용하고 이 들의 적합성을 검토하고자 하였다.

2. 해석 방법

2.1 대상 기관

해석의 대상이 되는 기관은 실린더 직경 73mm, 행정 74mmm, 압축비 9.3을 갖는 3기통 가솔린 기 관으로서 Figure 1에 대상 기관을 단순화하여 나타 내었다. 실험을 위하여 스로틀 바디 직전의 에어 클리너를 제거하고 스로틀 바디를 서지탱크와 연 결하였으며 시뮬레이션에 있어서도 이 구성을 그 대로 반영하였다.

Figure 1: Schematic diagram of test engine.

이상의 대상 기관에 대한 해석을 위해서는 흡․

배기 계통을 구성하는 각 관에서의 유동 해석과 함께 스로틀 바디, 플레넘 체임버, 밸브, 매니폴드 분기점(Manifold Junction), 촉매 변환기 및 소음기

에서의 유동 해석이 적절하게 이루어져야 한다. 아 울러 실린더 내에서의 과정, 특히 연소 과정에 대 한 적절한 모델링이 이루어져야 한다. 본 연구에서 도구로 사용하는 GT-POWER는 유한체적법을 기반 으로 관내에서의 유동을 계산하고 있다. GT- POWER는 흡․배기 계통을 구성하는 각 요소에 대해서 선택 가능한 다양한 모델을 제시하고 있으 므로 사용자는 대상 요소에 대한 최적의 모델링 방법을 도출하여야 한다. 최적의 모델링은 우선적 으로 실제 유동 현상을 잘 반영하여야 하며 다음 으로 모델링이 용이하여야 한다.

본 연구에서는 흡․배기 계통의 주요 요소 중 플레넘 체임버, 배기 매니폴드 및 촉매 변환기를 대상으로 하여 각 요소에 대해 적용 가능한 모델 들을 적용하고 계산을 시행하여 각 요소에 적용 가능한 모델들의 적합성을 검토하고자 하였다. 이 과정에서 연소 모델의 적용에 따른 복잡성을 제거 하고자 실린더 내에서의 압력 변화는 실험을 통하 여 취득한 자료로서 고정하였다. 흡․배기 계통 각 요소에 대하여 적용 가능한 모델들은 다음과 같다.

2.2 플레넘 체임버

GT-POWER의 주요한 특징 중 하나는 대상 요 소에 대한 3D CAD 자료가 존재할 경우 이를 바로 불러 들어와서 모델링해 주는 기능이다. 이 기능을 사용할 경우 실제 형상과 가깝게 모델링할 수 있 는 장점이 있다. 그러나 3D CAD 자료를 입수할 수 없는 경우는 사용자가 실제 형상을 참조하여 직접 모델링하여야 한다.

플레넘 체임버를 해석하는데 있어서는 크게 두 가지 가능성이 있다. 즉 플레넘 체임버를 관으로 간주하는 방법과 하나의 큰 체적으로 간주하는 방 법이다. 관으로 간주하는 경우는 체임버 내에서의 압력파의 거동을 잘 계산할 수 있으나 계산하여야 하는 관의 개수 및 경계점의 개수가 늘어나게 된 다. 관으로 계산하는 경우는 앞서 언급한 바와 같 이 3D CAD 자료를 이용하여 실제 형상에 가깝게 모델링하는 경우와 단순화 시켜서 모델링하는 두 방법이 있다. 본 연구에서는 앞의 경우를 실제 P.C. 모델(Actual P.C. Model), 플레넘 체임버의 체

적과 동일한 체적을 갖는 원통 단면의 관의 연결 체로 단순화하여 모델링한 경우를 단순 P.C. 모델 (Simplified P.C. Model)로 부르기로 한다. 플레넘 체임버를 하나의 큰 체적으로 간주하여 체임버 전 체를 하나의 경계점으로 해석한 경우를 탱크 P.C.

모델(Tank P.C. Model)이라 부른다. 실제 P.C. 모델 에서는 체임버와 러너 사이의 실제의 각도가 반영 되나 단순 모델에서는 모델링의 용이성을 위하여 각 관은 직각으로 연결되는 것으로 간주하였다.

플레넘 체임버를 관으로 간주할 경우, 즉 실제 P.C. 모델과 단순 P.C. 모델을 적용할 경우 플레넘 체임버는 4개의 관과 4개의 경계조건(3개의 분기관 과 1개의 닫힌 경계)으로 구성되며 탱크 P.C. 모델 을 적용할 경우 플레넘 체임버는 단 한 개의 경계 점으로 처리된다. Figure 2는 플레넘 체임버의 형 상에 대한 3D CAD 자료와 이를 세 가지로 모델링 한 그림을 보여주고 있다.

(a) Plenum chamber configuration

(b) Actual P.C. model

(c) Simplified P.C. model

(d) Tank P.C. model Figure 2: Plenum chamber modeling.

2.3 배기 매니폴드

대상 기관의 배기 매니폴드는 3차원적으로 구부 러진 3개의 관들이 두 개의 분기점을 통하여 합쳐 지고 있는 형상이다. 이 경우의 모델링에 있어서도

3D CAD 자료를 이용하여 실제의 형상에 가깝게 자동으로 모델링하는 실제 매니폴드 모델(Actual Manifold Model)과 이를 단순화하여 형상을 직접 모델링하는 단순 매니폴드 모델 (Simplified Manifold Model)의 두 가지 가능성이 있다. 후자의 경우에 있어서는 관이 직관의 형상인 것으로 가정 하였다. Figure 3은 배기 매니폴드의 형상과 모델 링 방법을 나타내고 있다.

(a) Exhaust manifold configuration

(b) Actual manifold model

(c) Simplified manifold model

Figure 3: Exhaust manifold modeling.

2.4 촉매 변환기

촉매 변환기의 모델링은 입․출구에서 직경의 변화를 갖는 관들로 간주하여 모델링하는 방법과 촉매 변환기를 하나의 체적으로 간주하여 모델링 하는 두 가지 가능성이 있다. 전자의 경우를 관 모 델 (Pipe Model), 후자의 경우를 탱크 모델 (Tank Model)로 부른다. 관 모델을 사용할 경우 촉매변환 기는 3개의 관과 2개의 경계로서 표시되며 탱크 모델을 적용할 경우는 단 한 개의 경계로서만 나 타난다. Figure 4는 촉매 변환기의 형상과 모델링 방법을 보여주고 있다.

(a) Catalytic converter configuration

(b) Pipe model (c) Tank model Figure 4: Catalytic converter modeling.

3. 해석 결과

대상 기관의 플레넘 체임버에 대해 세 가지 모 델을 적용하고 배기 매니폴드 및 촉매 변환기에 대해서는 각각 두 가지 모델을 적용하였다. 운전조 건은 특정 흡기 조건에 대하여 기관회전속도를 1500rpm에서 4000rpm까지 500rpm 간격으로 변화 시켰다. 12가지 모델링 각각에 대하여 6가지 운전 조건을 적용하여 총 72 가지 경우의 계산 결과가 존재하나 여기에서는 대표적인 몇 개의 경우에 대 한 결과를 제시한다. 계산 결과를 검증하기 위한 실험 자료는 3기통 MPI 가솔린 기관에 대한 본 연 구진의 이전의 연구에서 얻은 자료를 이용하였다 [8].

3.1 플레넘 체임버 모델링

Figure 5는 플레넘 체임버의 모델링을 세 가지로 변화 시킨 경우의 흡․배기 계통 각 위치에서의 압력변화를 기관회전속도 2500rpm인 경우를 대표 로 선정하여 나타낸 것이다. 그림에 나타난 바와 같이 흡기 계통, 즉 플레넘 체임버 내와 흡기 매니 폴드에서의 순간 압력 변화를 계산한 것은 실험에 서 나타난 성향을 잘 반영하고 있으며 정량적으로

도 거의 일치하는 결과를 보여주고 있다. 플레넘 체임버의 모델링 방법에 따른 차이도 거의 나타나 지 않고 있다. Figure 6의 실린더로 공급된 공기 유 량 예측의 경우를 보면 체임버의 해석을 위하여

Figure 5: The effect of the plenum chamber

modeling on the pressure variations (2500rpm, -100mmHg, exhaust manifold - actual model, catalytic converter - pipe model).

Figure 6: The effect of the plenum chamber

modeling on the air delivery (-100mmHg, exhaust manifold - actual model, catalytic converter - pipe model).

적용한 세 모델 모두 기관회전속도에 따른 공기 유량을 잘 예측하고 있으며 실제 P.C. 모델, 단순 P.C. 모델, 탱크 P.C. 모델의 순으로 정확도를 나열 할 수 있으나 그 차이는 근소하다. 실제 P.C. 모델 의 경우 최대 오차는 3500rpm에서 1.3%이며 평균 오차는 0.7% 정도로 나타나고 있다. 이 결과는 배 기 매니폴드와 촉매 변환기에 대하여 특정 모델링 을 적용한 경우에 대한 것이지만 배기 모델링을 다르게 적용한 경우에 있어서도 이 성향은 거의 동일하게 나타나고 있는 것을 확인할 수 있었다.

따라서 흡기 계통의 요소에 대한 모델링의 효과를 검토할 때에는 배기 모델링의 모든 가능성에 대해 서 별개로 계산하지 않고 특정 배기 모델링에 대해 서 흡기 모델링의 변화의 영향을 검토한다 하더라 도 동일한 결과를 얻을 수 있다는 것을 나타내고 있다. 이는 흡기와 배기의 중간에 있는 실린더 압력 의 변화를 실험값으로 일정하게 유지하였으므로 배 기 모델링의 변화가 흡기 계통에서의 압력 변화에 (역으로 흡기 모델링의 변화가 배기 계통의 압력 변 화에) 크게 영향을 미치지 못하기 때문이다. 따라서 실린더 압력 변화를 주어진 값으로 고정한 경우에 있어서 흡기 모델링과 배기 모델링의 영향은 서로 독립적으로 검토할 수 있음을 알 수 있다.

3.2 배기 매니폴드 모델링

Figure 7과 8은 배기 매니폴드의 모델링의 효과 를 검토한 결과이다. 플레넘 체임버의 모델링에 대 해서는 실제 P.C. 모델로 하였다. 배기 매니폴드를 3D CAD 자료를 이용하여 모델링한 경우(Actual Manifold Model)와 직관으로 단순화 하여 모델링 한 경우(Simplified Manifold Model)에 있어서 흡기 계통에 미치는 영향, 즉 플레넘 체임버와 흡기 매니 폴드에서의 압력변화는 거의 차이가 없음을 알 수 있다. 배기 매니폴드의 모델링 방법에 따라 주로 차 이가 나는 부분은 모델링의 대상이 된 배기 매니폴 드에 가장 가까운 부위인 배기 매니폴드 상의 압력 변화로서 이 압력은 배기 매니폴드의 모델링에 따라 근소하나마 차이를 보이고 있다. 성향은 두 경우 모 두 거의 비슷하나 배기 매니폴드의 모델링으로서 실 제 매니폴드 모델을 사용한 경우가 실험값에 보다

가깝게 나타나고 있다. Figure 8에서 보는 바와 같이 공기 공급량은 두 모델에서 거의 비슷하게 나타나고 있는 것을 알 수 있다.

Figure 7: The effect of the exhaust manifold

modeling on the air delivery (2500rpm, -100mmHg, plenum chamber - actual P.C. model, catalytic converter - tank model).

Figure 8: The effect of the exhaust manifold

modeling on the air delivery (-100mmHg, plenum chamber - actual P.C. model, catalytic converter - tank model).

3.3 촉매 변환기 모델링

Figure 9는 동일한 운전조건에서 플레넘 체임버 는 실제 P.C. 모델, 배기 매니폴드는 실제 매니폴 드 모델을 적용한 경우, 촉매 변환기의 모델링의

Figure 9: The effect of the catalytic converter

modeling on the pressure variations (2500rpm, -100mmHg, plenum chamber - actual P.C. model, exhaust manifold - actual model).

Figure 10: The effect of the catalytic converter

modeling on the air delivery (-100mmHg, plenum chamber - actual P.C. model, exhaust manifold - actual model).

효과를 나타낸 그림이다. 촉매 변환기 모델링의 경 우 각 모델 별 압력파 변화형상의 경향이 동일한 형태로 보이고 있다. 두 가지 모델 모두 촉매 변환 기 전후의 압력파의 계산에 있어서 실제의 경우와 비교하여 위상의 차이를 보이고 있다. 이는 대단히 복잡한 내부 형상을 가지고 있는 촉매 변환기를 처리하는데 있어서 관 또는 탱크로서 지나치게 단 순화하였기 때문으로 판단된다.

그러나 본 연구에서와 같이 촉매 변환기 내에서 의 화학 반응을 고려하지 않고 단순히 유동만을 계산하는 경우에 있어서는 복잡한 모델보다 이상 과 같이 단순한 모델을 적용함으로써 얻어지는 계 산의 용의성을 고려할 때 관 모델 또는 탱크 모델 의 적용도 무리가 없을 것으로 생각된다. Figure 10의 공기공급량 역시 전반적으로 거의 비슷한 정 확도를 보이고 있다. 압력파 및 공기량의 계산에 있어서 두 모델 사이에 큰 차이가 없는 만큼 촉매 변환기에 대해서는 보다 단순한 탱크 모델의 사용 이 바람직할 것으로 판단된다.

지면 관계상 논문상에 자료를 나타내지는 않았 으나 다른 부하 조건, 즉 W.O.T., 흡기관 압력 -200mmHg 및 -300mmHg에 대해서도 이상과 동일 한 결과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

4. 결 론

다중 연료 분사 방식의 가솔린 기관을 대상으로 상용 성능 해석 소프트웨어인 GT-POWER를 이용 하여 흡․배기 계통을 구성하는 주요 요소들에 대 하여 여러 가지 가능한 모델링 방법들을 적용하고 계산 결과들을 비교한 결과 다음과 같은 결론을 내릴 수 있었다.

1. 실린더 압력 변화에 대하여 실험값을 이용한 경우 배기 모델링을 바꾸어도 흡기 계통의 압력 변화 예측에는 차이를 보이지 않는다. 따라서 흡․

배기 계통 각각의 모델링에 대한 검토는 서로 독 립적으로 시행할 수 있다.

2. 배기 매니폴드와 촉매 변환기에 대한 가능한 모든 모델링의 조합에 대하여 플레넘 체임버 모델 링을 세 가지로 변화하여 검토한 결과 플레넘 체 임버를 관으로 간주하여 계산한 경우가 하나의 체

적으로 간주하여 계산한 경우 보다 정확하나 그 차이는 크지 않다.

3. 배기 매니폴드의 모델링에 대한 경우는 실제 매니폴드 모델을 사용한 경우가 단순화한 경우보 다 실험값에 더 가까운 결과를 보이고 있으나 그 차이는 크지 않으므로 실용적인 목적에 있어서는 단순화한 모델의 사용도 가능하다.

4. 촉매 변환기의 경우 관들의 조합으로 모델링 한 경우와 하나의 체적으로 간주하는 경우의 두 가지로 모델링한 결과 촉매 변환기 전후에서 압력 파의 차이는 크게 나타나지 않으며 공기 공급량의 예측의 정확도도 비슷하다. 따라서 모델링의 편의 와 계산의 단순성을 위해서는 탱크 모델의 사용이 바람직하다.

5. 동일한 운전조건에서 흡․배기 계통 주요 요 소에서의 압력파 변화 형상은 아주 근소한 차이를 보이고 있으나 의미를 가질만한 차이는 아니다. 따 라서 예측의 정확성과 모델링 과정의 편의성을 추 구하는 관점에서는 플레넘 체임버에 대해서는 단 순 P.C. 모델, 배기 매니폴드의 경우 단순 매니폴 드 모델 및 촉매 변환기에 대해서는 탱크 모델의 조합이 가장 유리한 조건을 가지는 모델링으로 볼 수 있다.

후 기

이 논문은 2009~2010년도 창원대학교 연구비에 의하여 연구되었음.

참고문헌

[1] R.S. Benson, W.J.D. Annand and P.C. Baruah,

“A simulation model including intake and exhaust system for a single cylinder 4-stroke cycle S.I. engine”, Int. J. Mech. Sci., vol. 17, no. 2, pp. 97-124, 1975.

[2] R. S. Benson, The Thermodynamics and Gas Dynamics of Internal Combustion Engine, Clarendon Press, vol. 1, pp. 424-457, 479-570, 1982.

[3] 윤건식, 우석근, 서문진, 신승한, “4행정 사이클 스파크 점화기관의 시뮬레이션에 관한 연구”,

한국박용기관학회지, vol. 25, no. 6, pp. 82-93, 2001.

[4] P.A. Lakshminarayanan, P.A. Janakiraman, M.K.

Gajendra Babu and B.S. Murthy, “Prediction of gas exchange process in a single cylinder internal combustion engine”, SAE Paper 790359, 1979

[5] A. Harten, “High order accurate essentially non-oscillatory schemes Ⅲ”, Journal of Computational Physics, vol. 71, no. 2, 1987.

[6] AVL, BOOST version 5.0 User Guide, pp.

4-26, 29-33, 64-83, 2006.

[7] Gamma Technologies, GT-POWER version 6.2 User's Manual, pp. 24-27, 2006.

[8] 우석근, “4행정 사이클 스파크 점화기관의 시 뮬레이션에 관한 연구”, 창원대학교 박사학위 논문, pp. 51-95, 2001.

저 자 소 개

김정석(金楨錫)

2005년 동아대학교 신소재물리학과 (이 학사), 2010년 창원대학교 대학원 산업 기계공학과 (공학석사), 현재 (주)인더스 콘 기술연구소 근무, 관심분야: 열해석, 모터제어

윤건식(尹健植)

1982년 고려대학교 기계공학과 (공학사), 1984년 고려대학교 대학원 기계공학과 (공학석사), 1988년 고려대학교 대학원 기계공학과 (공학박사), 현재 창원대학교 조선해양공학과 (교수) 관심분야: 열공 학, 박용기관, 엔진 시뮬레이션

우석근(禹碩根)

1972년 서울대학교 기계공학과 (공학 사), 1995년 창원대학교 대학원 기계공 학과 (공학석사), 2002년 창원대학교 대 학원 기계공학과 (공학박사), 현재 (주)GPC 대표이사, 관심분야: 디젤기관, 비상발전기