CopyrightⒸ2011 KSAE 1225-6382/2011/113-08 Transactions of KSAE, Vol. 19, No. 5, pp.51-57 (2011)
오일 드레인과 엔진경사각도간의 상관관계
김 대 열*1)․박 병 완2)
동양미래대학 기계공학부1)․한국지엠 파워트레인 연구개발2)
A Study on the Correlation of Oil Drain and Engine Tilting Angle
Daeyeol Kim*1)․Pyongwan Park2)
1)School of Mechanical Engineering, Dong-yang Mirae University, Seoul 152-714, Korea
2)Power Train R&D, Technical Center, GM Korea Company, 199-1 Cheongcheon-dong, Bupyeong-gu, Incheon 403-714, Korea (Received 16 November 2010 / Accepted 27 April 2011)
Abstract : Parametric studies based on analysis of lubrication system of a four cylinder gasoline engine are illustrated system in this paper. In development process of engine lubrication system, parts of failure cases are related with oil pull over and oil churning phenomenon. The crankcase & head system pressure by oil churning phenomenon are gradual increased. It cause oil pull over phenomenon at engine breather line and oil over-consumption. In order to improve oil reduction and oil pull over phenomenon are also considered in the developing state. For this study, the characteristics of engine lubrication system are measured at various tilting angle and drain hole sizes. In addition, the oil flow & oil quantity are tested by blow by meter and catch jar. Results are presented to stabilize the oil supply system at sever driving condition. The data from present study are available for the engine lubrication system.
Key words : Blow-by gas(블로바이 가스), Crankcase pressure(크랭크케이스 압력), Engine tilting(엔진 틸팅), Oil drain(오일 배유), Oil supply system(오일 공급 체계), Catch jar(오일포집장치)
1. 서 론1)
최근의 엔진 개발은 친환경적, 고 연비를 목표로 함에 따라 저 배기량, 경량화 및 고 출력화로 진행되 고 있다. 이에 상승하는 엔진의 윤활시스템은 내구 성능과 관련하여 엔진 개발과정에서 매우 중요한 과정이다. 특히 최근에는 Chain tensioner, DVCP, Oil jet, 유압 타펫(HLA) 등과 같은 각종 윤활성 부품의 증가 및 엔진의 출력 향상에 따른 각종 베어링 류에 가해지는 하중 증가와 엔진 성능 향상으로 인하여 가속도가 증가로 인하여 여러 윤활시스템의 문제점 을 초래하고 있다.1,2)
위와 같은 문제들을 해결하기 위한 하나의 방법 으로 엔진 오일팬 내 오일량 증가를 통해 개선하는
*Corresponding author, E-mail: [email protected]
방법을 사용하였다. 그러나 이 방법은 오일 팬 내의 Churning 현상으로 인하여 발생되는 일종의 Oil mist 가 블로바이가스와 같이 크랭크케이스 내의 압력을 증가시켜 벤틸레이션 시스템에 영향을 줄 뿐만 아 니라 오일 드레인을 방해하여 오일 팬 내의 오일 량 이 감소한 반면에 엔진 실린더 헤드 쪽의 오일은 증 가한다. 또한 크랭크 케이스 및 헤드 내의 압력의 증 가로 인해 흡기시스템(Induction system)으로 오일이 역류하는 현상을 발생시켜 엔진 오일 과다 소모 및 불안전 연소를 일으킬 수 있다. 심할 경우에는 피스 톤 용융현상(Piston melting)등의 엔진 손상이 발생 할 수 있다. 따라서 오일 Churning 현상에 의한 가스 발생과 오일 팬에 떨어지는 오일유량 감소를 개선 시키는 방안으로 최적화된 오일공급 시스템 을 만 들기 위해 오일 드레인 구멍의 크기 및 위치선정을
김대열․박병완
적합하게 설계하거나 벤틸레이션 시스템을 최적화 하여야 한다.3)
따라서 본 연구에서는 엔진 경사 시험 장치 (Engine tilting test rig)를 이용하여 실제 차량 주행조 건 중에서 우 선회시 엔진 경사 조건이 오일 공급시 스템 및 벤틸레이션 시스템에 미치는 영향을 연구 하고자 한다. 이를 위해서 엔진 경사 조건에서 오일 팬 내의 오일 거동을 가시화하여 오일 이탈(Chur- ning) 현상을 파악하고 엔진 회전수에 따른 오일 유 량을 측정하였으며, 엔진 오일 드레인 및 벤틸레이 션 시스템의 차이를 통해 엔진경사 조건에서의 크 랭크케이스 및 실린더 헤드의 공기 압력과 브리드 라인(Breather line)의 공기 유량에 대한 오일 드레인 (Oil drain) 과 경사각도(Tilting angle) 간의 상관관계 를 비교 분석하였다. 그리고 최적화된 오일드레인 구멍(Oil drain hole)과 PCV(Positive Crankcase Ven- tilation) 시스템에 의해 Oil pull over 현상에 대한 해 결 방법을 제시하고자 한다.
2. 실험 장치 및 방법 2.1 실험 장치
Fig. 1은 엔진 경사 시험 장치(Engine Tilting Test Rig)이다.4) 이 실험 장치는 차량의 급가속, 급제동 및 좌우 선회를 모사할 수 있도록 엔진을 전후. 좌우 4방향으로 최대 1°/sec 속도로서 50°까지 기울이면 서 작동할 수 있도록 제작되었다. 엔진 내 크랭크케 이스 및 실린더 헤드 내의 압력을 측정하기 위하여 압력센서와 브리드 라인에서의 공기의 유량을 측정 하기 위하여 블로우 바이 미터(Blow-by meter)를 설 치하였으며, Oil pull over 현상을 알아보기 위하여 엔진과 블로우 바이 미터 사이에 별도의 오일 포집 장치(Catch jar)를 Fig. 2와 같이 설치하였다. 또한 실 험 조건을 일정하게 유지시키기 위하여 냉각수 온 도 컨트롤러를 설치하였으며, 이러한 센서 및 측정 기들로부터 엔진의 운전 속도 및 기울임 방향을 제 어할 수 있도록 하였다.
2.2 오일 Drain System
Fig. 3은 수평 조건에서의 엔진오일 드레인백 (Engine oil drain back) 시스템을 간단히 나타낸다.
Fig. 1 Engine tilting test rig
(a) Blow by meter (b) Catch jar Fig. 2 Blow by meter & catch jar
Fig. 3 Schematic diagram of oil drain system
엔진 헤드 윤활 시스템으로 공급된 오일은 중력을 이용한 자유 낙하 원리로 다시 엔진 오일 팬으로 떨 어져 오일펌프에 의해 재순환하게 된다.
Fig. 4는 엔진이 특정 방향으로 기울어지면서 실 린더 헤드와 오일 팬에 있는 오일도 엔진이 기울어 지는 방향으로 모여드는 현상을 보여준다. 오일 팬 을 살펴보면 엔진오일이 기울어지면서 크랭크축의 일부가 접촉하는 현상이 일어난다. 접촉된 오일 중
오일 드레인과 엔진경사각도간의 상관관계
Fig. 4 Schematic diagram of tilted oil drain system
일부는 크랭크축의 회전에 의해 오일 팬 내부 중에 가스 형태로 있게 되어 블로우바이 가스와 함께 크 랭크 케이스 압력을 증가 시키는 원인이 된다.
실린더 헤드 쪽의 오일도 한쪽으로 몰리게 되어 오일 구멍 중에서 일부는 드레인 역할을 하지 못하 게 된다. 만일 나머지 오일 드레인 구멍의 크기가 충 분하지 못하거나 막히게 된다면 오일 팬으로 드레 인 되는 오일의 유량이 부족하여 오일은 실린더 헤 드 쪽에서 누적되기 시작한다. 따라서 각각의 오일 드레인 구멍에서의 유량측정이 필요하며 측정하기 위해선 우선 오일유속을 구한다.
실린더 헤드에서의 오일을 드레인시키는 부분의 압력과 유속을 P1, V1, 크랭크케이스 내 압력과 유속 을 P2, V2 으로 정하였다. 압력 P1, P2는 엔진 회전수 및 경사각도 조건에 따른 설치된 압력센서를 통해 측정한다.
베르누이 방정식에 적용하면 다음과 같다.
P + (1/2)ρV2+ ρgy = constant (1) P1+ (1/2)ρV12
+ ρgy1= P2 + (1/2)ρV22
+ ρgy2 (2) V22= V12+ 2(P1- P2)/ρ + 2g(y1- y2) (3) 여기서 오일을 드레인하는 시작점의 유속을 V1=0로 정의되며, y1-y2는 오일 낙하높이로 실린더 헤드의 오일드레인 구멍에서 엔진블록 하단부의 오 일 드레인까지의 높이이다. 여기서 얻어진 유속 V2
를 오일 드레인 구멍 면적과 곱하면 유량이 된다. 따 라서 오일 드레인 구멍의 유량을 구할 수 있다.
2.3 실험 방법5,6)
엔진 경사 실험 장치로 차량의 우 선회를 모사하 기 위하여 실험 장치에 장착된 엔진을 오른쪽 방향
으로 40°까지 1°/sec의 일정한 속도로 기울이면서 크 랭크 케이스 및 헤드 내의 오일 압력 변동을 1분간 유지하면서 실시간으로 측정하였다. 일정한 엔진 운전 조건에서 메인 갤러리 오일압력이 엔진 경사 각도가 0°일 때 압력 대비 0.5 bar이상 저하되거나 Oil pull over 현상이 발생하는 때에는 엔진 보호를 위하여 실험을 일시 중단하였다. 또한 일정한 시험 조건으로 냉각수 온도는 90°C를 유지 하였으며, 엔 진 오일양은 정상오일 보충량 3.5ℓ(Max L)와 정상 오일 보충량에 추가로 1.0ℓ를 더한 4.5ℓ(Max+1L) 의 두 가지로 하였으며, 그리고 엔진의 회전속도는 3000rpm 및 5000rpm에서 실험을 하였다.
Fig. 5는 엔진 블록에 있는 오일 드레인 구멍 및 PCV 시스템의 구멍의 위치에서 Oil pull over 현상의 개선 가능성에 대해 실험하였다. 그러므로 Fig. 5에 서의 1, 4, 5번은 오일 드레인 구멍이고 2, 3번은 PCV 시스템의 구멍이다.
Table 1에 나타난 바와 같이 오일 구멍의 지름을 네 가지 경우의 실험조건으로 엔진 경사조건에서 오일 공급양 및 구멍의 면적에 의한 영향과 Oil pull over 현상과의 상관관계가 있음을 확인할 수 있다.
Fig. 6은 엔진 경사조건 변화에 따른 Oil churning
Fig. 5 Schematic diagram of test engine block
Fig. 6 Visual engine oil pan
Daeyeol Kim․Pyongwan Park
Table 1 Oil & PCV hole diameter size (units: mm)
#1 #2 #3 #4 #5
Case 1 6 11 - 8 -
Case 2 6 11 16 8 -
Case 3 6 11 16 16 -
Case 4 6 11 16 16 10
현상을 확인하기 위하여 오일 팬 내부의 오일 유동 을 가시화시켜 특수 제작한 투명 아크릴 오일 팬을 엔진에 장착한 사진을 나타낸다.
3. 실험 결과 및 고찰 3.1 오일공급량 및 드레인 높이
엔진 경사 시험 전에 실린더 헤드에 공급 되는 오 일의 양을 먼저 확인하였으며, 블록과 헤드 사이를 막고 By-pass 라인에 유량계를 설치하여 측정해 본 결과, 본 실험조건에서 엔진회전수 3000RPM일 때 헤드 공급 유량은 6.3ℓ/min, 5000RPM일 때 , 7.35ℓ /min을 설정하였다. 오일 드레인의 높이는 엔진이 수평일 때는 400mm이나 경사(Tilting)를 주게 되면 Table 2와 같이 오일 드레인 높이가 감소한다.
위와 같은 실험값은 베르누이 방정식을 적용하여 유추해보면 경사 각도가 높아짐에 따라 드레인 높 이가 낮아지게 된다. 이는 오일 드레인 유속 V2의 감 소를 나타내고 수평조건에 비교해 보면 오일 드레 인 양이 감소한다. 하지만 유량으로 비교해 본 결과 0°와 40°간의 유량의 차는 0.1ℓ/min 정도의 차이를 보여 거의 영향을 주지 않는 것으로 확인할 수 있다.
Table 2 Oil drain height (units: mm)
Angle Height
0° 400
10° 394
20° 376
30° 344
35° 328
40° 306
3.2 PCV Hole의 면적에 따른 영향
Table 1의 Case 1과 Case 2 실험 조건에서 PCV 구 멍 면적에 따른 영향을 비교하였다. PCV 구멍이 1 개인 Case 1은 PCV 구멍이 2개인 Case 2와 비교하면
Fig. 7 Crankcase & head pressure, pull over (Case 1)
크랭크케이스에서 발생하는 블로우바이 가스 및 오 일 Churning으로 인해 발생하는 가스의 처리능력이 작은 것을 알 수 있었다.
Fig. 7에서 Case 1의 경우로 실험한 것을 나타낸 것으로 5000RPM, Max+1ℓ(4.5ℓ)의 조건에서는 크 랭크케이스의 압력이 3.1kPa로 전체 시험 중 가장 높았으며, 실린더 헤드의 압력도 1.8kPa로 최대로 나타냈다. 반면에 Oil pull over는 Fig. 3과 같이 엔진 경사각도가 클수록 브리더 라인 쪽에서 발생하였 고, 오일양을 시험 전후의 오일포집장치(Catch-jar) 무게 차로 확인한 결과 오일 무게는 230g이 측정되 어 가장 많이 나타냈다. 그러므로 오일 드레인 양은 Oil pull over가 클수록 적게 되어 약 5.8ℓ/min으로 수평일 때의 공급량 7.35ℓ/min에 비해 부족한 현상 을 나타냈다.
5000RPM, Max(3.5ℓ) 조건에서는 5000RPM, Max+1ℓ(4.5ℓ)의 경우와 같이 PCV 구멍과 드레인 오일 구멍이 충분하지 못해, 급선회일 때 크랭크케 이스 및 실린더 헤드부분에서 압력상승이 일어나는 현상이 일어났다. 크랭크케이스 압력은 약 2.5kPa, 실린더헤드는 0.8kPa이 측정되었으며, Oil pull over 는 약 112g정도의 오일의 양이 측정되었다. 5000 RPM, Max(3.5ℓ)에서는 Oil pull over가 약 80g이 측 정되었으며 3000RPM, Max(3.5ℓ) 조건에서는 크랭 크케이스와 헤드압력이 (-0.1~0.1kPa)로 측정되었으 며, Oil pull over현상은 나타나지 않았다.
Fig. 8은 Case 2의 경우로 3000rpm, 5000rpm 및 Max (3.5ℓ), Max+1.0ℓ(4.5ℓ)으로 총 4번에 의해서 실시하였으며, 5000RPM, Max+1.0ℓ(4.5ℓ) 에서만
A Study on the Correlation of Oil Drain and Engine Tilting Angle
Fig. 8 Crankcase & head pressure, pull over (Case 2) 오일의 양이 42g 정도로 경사각도 40° 도달 직후에 Oil pull over 현상을 나타냈다. 크랭크케이스 및 실 린더 헤드의 압력도 상대적으로 Case 1에 비하여 낮 은 수치를 보였다. 이는 엔진오일이 정상적으로 오 일팬으로 재순환되지 못하고 엔진 헤드 상단에 누 적되어 있다가 내부 압력의 증가로 인해 Oil pull over 현상이 일어 난 것으로 판단된다. 또한 엔진회 전수가 높고 주입한 오일량이 많을수록 Oil pull over 현상이 잘 일어나는 사실을 알 수 있다.
3.3 오일 Drain의 면적에 따른 영향
Table 3은 엔진이 수평조건일 때와 엔진 이 경사 조건일 때의 오일 드레인 구멍의 면적을 나타낸다.
Case 1, 2의 조건은 가장 오일 드레인 면적이 작은 상 태이고 Case 3, Case 4 순으로 면적이 넓어진다. 이는 구멍 크기 및 개수 증가 차이이다.
Case 1, Case 2 조건의 차이점은 3번 PCV구멍이 Case 1의 경우는 없고, Case 2의 경우는 있다. Case 2 와 Case 3 시험 조건에서는 오일 드레인 면적에 따 른 영향을 비교하였다. 선회시 오일 드레인을 확인 한 결과, 엔진블록의 오른쪽을 기울이게 되면 Fig. 5 에서 나타난 바와 같이 #1 구멍은 드레인 기능을 상 실하게 되며 사용 가능한 드레인 구멍은 #4 번이 된 다.
Fig. 9는 Case 2와 Case 3의 압력비교를 설험한 것 으로서 크랭크케이스의 압력은 오일 드레인 구멍 면적이 넓은 Case 3은 0.1~0.9kPa, 면적이 좁은 Case 2는 0.1~1.0kPa로 측정되어 거의 같은 상태를 나타 냈다. 실린더 헤드 압력은 Case 3는 0.1~0.7kPa, Case 2
Table 3 Oil drain area (units: cm2)
수평시 엔진 Tilting
Case 1, 2 0.785 0.5024
Case 3 2.2922 2.0096
Case 4 3.925 2.7946
Fig. 9 Compare with pressure of Case 2, 3(5000rpm, Max+1.0)
Fig. 10 Case 2 & 3 oil drain flow rate(5000rpm, Max+1.0) 는 0.1~0.6kPa로 측정되어 거의 같게 나타냈다. Case 2의 드레인 오일유량은 Case 3대비 하여 1/4의 수준 으로 줄었고 유량 역시 Case 3에 대비 23% 수준의 결과를 보여주었다.
Fig. 10은 Table 1의 Case 2과 Case 3의 조건에서 Max+1.0(4.5ℓ) 5000RPM일 때의 Oil drain flow rate 를 나타낸다. 경사각도가 상관없이 거의 일정한 비 율로 나타났다. Case 2의 경우 오일 공급량은 7.35ℓ /min 일 때, 경사각도 35°와 40°일 때의 드레인 유량 은 각각 7.61ℓ/min, 6.92ℓ/min 로 측정되었다. 경사 각도 40° 도달 이전에 오일 드레인양이 공급량보다
김대열․박병완
적은 상태(1% 정도)로 되었다. 이는 실린더 헤드 부 근에 오일이 누적되어 실린더 헤드에서 블로우바이 가스와 크랭크케이스내의 Churning 현상으로 인해 발생된 가스로 브리더 라인을 통해 역류한 것으로 판단된다.
3.4 Oil Pull Over 개선 방안
Fig. 11은 엔진 경사각도가 0°와 40°일 때, 오일 거 동의 차이를 가시화 된 오일 팬을 통해 보여준다. 그 리고 Maxℓ(3.5ℓ), Max+1.0ℓ(4.5ℓ)의 엔진 오일 양에 따른 실험을 실시하였다.
Fig. 12는 Table 1의 Case 3의 Maxℓ(3.5ℓ), Max+
1.0ℓ(4.5ℓ)조건으로 크랭크케이스와 실린더 헤드 의 압력을 비교한 결과에 대해 나타난 것이며, Case 1, 2에서 발생한 Oil pull over 현상을 개선시키기 위 한 경우이다. Max+1.0ℓ(4.5ℓ)일 때 크랭크케이스 와 실린더헤드의 압력이 증가한 것으로 나타났고, 경사각도 35°부터 급격히 증가한 것으로 보여준다.
이는 Oil churning 현상에 의해 발생된 것으로 판단 된다. 또한 크랭크케이스 및 실린더 헤드 압력이 0.1~0.9kPa로 측정되어 Fig. 7, 8의 Case 1, 2 와 비교 하여 압력증가가 적었다. 이는 추가된 오일 드레인 구멍 개수증가와 구멍의 지름이 증가하여 Oil pull over 현상을 해결할 수 있었다.
오일 드레인 유량은 Max(3.5ℓ)일 때는 29~34ℓ /min, Max+1.0(4.5ℓ)일 때는 28~33ℓ/min로 오일 공 급량(7.35ℓ/min)과 비교하여 충분한 수준이었다.
이는 비교적 많은 오일 드레인 구멍과 적절한 PCV 시스템으로 인해 Oil pull over현상은 나타나지 않은 것으로 판단된다.
Fig. 13은 Table 1에서 Case 3, 4의 Max+1.0ℓ(4.5 ℓ), 5000RPM의 조건으로 크랭크케이스와 실린더 헤드의 압력을 비교한 결과에 대해 나타난 것이다.
크랭크케이스와 실린더헤드의 압력은 Churning 현상이 가장 심한 엔진 회전 수 5000rpm, Max+1.0ℓ (4.5ℓ)의 조건에서 Case 4의 경우가 Case 3의 경우 보다 - 0.1 ~ 0.4kPa 정도로 나타나 좀 더 안정된 상태 를 보였다. 이는 Case 4는 크기가 지름 10mm 인 #5 구멍이 더 추가되어 나타난 현상으로 판단된다. 또 한 Oil pull over 현상은 없었다.
Fig. 11 Zero and 40 degree of oil churning (5000rpm, Max L)
Fig. 12 Comparison of crankcase & head pressure for Max L, Max+1.0L (Case 3)
Fig. 13 Comparison of crankcase & head pressure in Case 3, 4 (5000rpm, Max+1L)
4. 결 론
본 연구에서는 엔진 경사 시험 장치를 사용하여 실제 차량의 급선회(우측)조건 시 나타나는 엔진 경 사조건에 의해 4가지 방식의 엔진 형태의 오일 공급 시스템의 변화에 대해 알아보았다. 이를 위하여 엔 진 경사 및 운전 조건 변화에 따른 엔진 오일 드레인 높이의 변화량을 확인하고 크랭크케이스 및 실린더
오일 드레인과 엔진경사각도간의 상관관계
헤드 내의 압력을 측정하였다. 이를 베르누이 방정 식에 대입하여 오일 공급량과 드레인 양을 비교 분 석하였으며, 또한 오일 팬 내의 오일 거동을 가시화 함으로써 오일의 Churning 현상과 오일 포집 장치 (Catch jar)을 사용하여 Oil pull over하는 오일 량을 파악한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 일정한 운전 조건에서 엔진 경사각이 증가함에 따라 크랭크축과 오일 팬의 오일이 접촉하여 발 생하는 Oil churning 현상으로 인해 크랭크케이 스 내부와 엔진 상단부인 실린더 헤드 부분에 압 력 상승을 일으킨다. 이로 인한 압력 증가는 엔진 오일의 재순환을 방해하는 원인이 된다.
2) 엔진 경사 각도의 증가로 인해 압력이 높아져 오 일 드레인 량이 적게 되어 Oil pull over 현상이 발 생한다. 이로 인해 오일 소모가 많고 엔진 윤활시 스템에 영향을 미치는 원인이 될 수 있다. 또한 Oil pull over로 인한 오일이 흡기시스템(Induc- tion system)을 통해 엔진 연소실로 유입되어 불 완전한 연소를 일으킬 것으로 판단된다.
3) 엔진 경사각이 증가함에 따라 오일압력거동을 분석하고, 오일 재순환 문제를 해결하기 위해서 적절한 오일의 드레인 구멍 수와 크기 및 구멍 위 치, PCV 구멍의 설계가 필요함을 알게 되었으며, 이를 통해 오일 공급 및 순환 시스템, PCV시스템 에 대한 최적화 방향을 제시할 수 있었다.
References
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