<학술논문>
DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2016.40.7.417ISSN 1226-4881(P rint) 2288-5324(Online)
반 쐐기형 연소실을 채택한 SI 기관에서 포트형상이 정상유동 특성에 미치는 영향 (1)
－유속분포 (1) 김 형 식* · 엄 인 용**†
* 서울과학기술대학교 에너지환경전문대학원, ** 서울과학기술대학교 기계․자동차공학과
Effects of Port Shape on Steady Flow Characteristics in an SI Engine with Semi-Wedge Combustion Chamber (1)
－ Velocity Distribution (1)
Hyeongsig Kim* and Inyong Ohm**†
* Graduate school of Energy & Environment, Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology,
** Department of Mechanical and automotive Engineering, Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology (Received October 5, 2015 ; Revised May 23, 2016 ; Accepted May 24, 2016)
Key Words: Steady Flow Bench(정상유동장치), Semi-Wedge Combustion Chamber(반 쐐기형 연소실),
Swirl(스월), Impulse Swirl Meter(충격식 스월 측정기), PIV(입자영상유속계), Velocity Profile (속도분포), Eccentricity(편심), Straight Port(직선형 포트), Helical Port(나선형 포트)
초록 : 본 논문은 반 쐐기형 연소실에서 포트 형상에 따른 정상유동 특성을 비교한 연구의 첫 번째로 통상적인 충격식 스월측정기 평가위치인 1.75에서 입자영상유속계로 반 쐐기형 연소실에 직선형 포트와 나선형 포트 를 적용하여 평면유속을 측정하고 비교하였다 . 속도분포 분석 결과 직선형 포트에서는 밸브리프트 4 mm 이하, 그리고 나선형 포트에서는 2 mm 이하에서 두 개의 스월이 형성되고 이후 리프트가 증가하면 하나의 스월만 관찰된다 . 리프트에 따른 유동체계의 천이점이 포트형상에 따라 상이하여 직선형 포트에서는 리프트 4 mm와 5mm를 경계로 유동 특성이 완전히 바뀌는 반면, 나선형 포트에서는 리프트 증가에 따라 점진적 변화만 관찰 된다 . 또한 모든 포트에서 1.75 위치에서 편심도는 측정값이 왜곡되지 않는 범위에 들어오지 않고, 특히 직선 형 포트의 편심도가 매우 크다. 동시에 포트형상에 관계없이 ISM 평가와 상응하는 실린더 중심 기준의 평균접 선속도는 ISM 평가에서 가정한 속도보다 매우 낮고, 속도분포 특성도 ISM 평가의 가정과 매우 다르다.
Abstract: This paper is the first investigation of the steady flow characteristics of an SI engine with a semi-wedge
combustion chamber as a function of the port shape. For this purpose, the planar velocity profiles were measured at the 1.75B position by particle image velocimetry. The flow patterns were examined with both a straight and a helical port. Two swirls were observed up to 4 mm valve lift with the straight port and up to 2 mm with the helical one; however, only one swirl was present after these lifts. The flow characteristics changed suddenly between 4 and 5 mm lift in the straight port; on the other hand, the change with lift was gradual with the helical port – the transition points between flow regimes were different with the port shapes. In addition, the centers of the swirls were relatively far from the cylinder center so that the effect of eccentricity may not be negligible at 1.75B, regardless the shape. The eccentricity values with the straight port were especially high – over 0.5 for all lifts.
Finally, real velocities were found to be much lower than those predicted by the assumption of ISM evaluation, with the profiles differing qualitatively as well.
†Corresponding Author. [email protected]
Ⓒ2016 The Korean Society of Mechanical Engineers
1. 서 론
내연기관의 내부유동은 연료의 혼합 , 분포, 점
Front Intake (Straight)Port
Exhaust
Rear Intake (Helical)Port
x y
(37.75, 0) (0,37.75)
(0, 37.75)− ( 37.75,0)− (0, 0)
1/4 2/4
3/4 4/4
Section Definition 1/4 : Rear-Exhaust(R-E) 2/4 : Front-Exhaust(R-E) 3/4 : Front-Intake (F-I) 4/4 : Rear-Intake (R-I) V : Planar Velocity SL : Streamline
VZ: Virtual Axial Velocity Field (or Planar Velocity Field)
Straight Port (Front)
Helical Port (Rear)
In.
Ex.
Combustion Chamber Piston
Fig. 1 Coordinate system for data representation,
shape of intake port and combustion chamber
화 및 화염 전파 등 연소과정에 큰 영향을 주어 기관 성능과 매우 밀접한 관련이 있기 때문에 특 성을 파악하여 기관의 설계에 반영하는 것이 매 우 중요하다. 그러나 실물기관은 센서 장착과 광 학적 접근에 매우 불리한 구조를 가지고 있어 내 부유동을 직접 관찰하는 것은 상당히 어렵고, 동 시에 내연기관 사이클은 단절적 과정으로 구성되 므로 유동은 본질적으로 비정상 3차원 난류 유동 이므로 해석적 방법으로도 그 파악이 용이하지 않다.
그러나 기관성능 예측과 설계목표의 달성을 위 해 내부유동특성에 대한 정보는 반드시 필요한 부분이므로 , 주로 정상유동을 평가하여 내부유동 을 예측하는 방법들이 사용되었다.
(1~3)정상유동평가 방법은 이미 1970년대부터 흡기 시스템 개발에 보편적으로 사용되어 왔고 현재도 이 방법이 사용되고 있다 . 이 방법으로 파라미터 에 따른 흡기시스템 특성 변화에 대한 연구는 매 우 풍부하게 이루어져 왔고 , 특히 CI(compression ignition) 같이 밸브각도가 0이거나 매우 작은 경 우 기관성능과 정상유동특성과의 연관성은 매우 양호하며 동시에 일관성을 유지한다. 그러나 흡 기시스템에 또는 기관의 내부 유동에 영향을 줄 수 있는 파라미터가 CI보다 다양하고 변화의 폭 도 큰 SI(spark ignition) 기관에서 CI에서와 같은 연관성과 일관성이 성립하지 않는 경우가 종종
발생한다 .
(4,5)이러한 관찰을 바탕으로 SI 기관에
서 밸브각도를 주요 파라미터로 하여 정상유동 평가 방법을 실험적으로 검토한 결과 ,
(6,7)현재 가 장 널리 사용되는 충격식 스월 측정기(ISM, impulse swirl meter)를 이용하는 경우 스월이 강 체 회전을 한다는 가정에서 여러 문제점이 발생 하는 것으로 나타났다 . 즉 스월의 편심은 실제 토크에 큰 영향을 주지만 ISM으로는 편심 효과 의 확인이 불가능하고 , ISM으로 예측한 스월의 각속도는 실제와 큰 차이가 나며 이것은 결과적 으로 스월계수를 왜곡시킨다 .
(6)아울러 현재 통용 되는 위치 즉 실린더 하면에서 보어(bore)의 1.75 배 만큼 하류에 위치한 1.75 측정위치에서 반경 방향의 접선속도는 이상적인 분포와 상당히 차이 가 나는데 , 스월의 편심과 속도분포는 모두 유동 특성을 왜곡시키지만 편심은 과소평가 쪽으로 그 리고 속도분포는 과대평가 쪽으로 작용하지만 , 속도분포의 영향이 편심보다 훨씬 크고 지배적인
것으로 평가되었다 .
(7)이상과 같이 정상유동평가 방법의 문제점들은 실제 정상유동의 구조 즉 속도분포가 정상유동평 가의 가정인 강체회전에 부합하지 않기 때문에 발생한다 . 따라서 정상유동평가 방법에 대한 논 의를 계속하기 위해서는 정상유동의 유동구조 파 악이 선행되어야 한다 . 이전 연구에서는 지붕 (pent-roof)형 연소실에서 직선형 포트를 대상으로 밸브각도를 주요 파라미터로 하여 유동 특성을 조사하였는데, 본 논문 및 후속 논문에서는 반 쐐기 (semi-wedge) 형 연소실에서 포트 형상에 따 른 특성을 고찰하고자 한다. 이를 위해 입자영상 유속계 (PIV, particle image velocimetry)를 정상유 동장치에 적용하여 통상적인 정상유동실험 조건 에서 나선형 포트와 직선형 포트의 유속분포를 측정하였다. 본 논문에서는 일반적인 ISM 측정위 치인 1.75에서 포트 형상에 따른 변화에 주목하 면서 논의하기로 한다.
2. 실험장치 및 방법
Fig. 1에 본 연구에서 사용한 포트의 개략도와
를 속도분포 및 기타 결과가 제시되는 기본적인
좌표계를 나타내었다 . 흡기포트는 비대칭 포트이
Common Port shape Helical Port
Straight port
Valve lift(mm) 1 ~ 8, 1 mm increment Valve Angle 25°
Combustion Chamber Semi-Wedge
Measuring position 1.75(132.1mm from Head) Pressure drop 15" H2O (383mm H2O)
PIV Laser
Separation 25
Frequency 5
Width ≪100
No. of raw data 200
Processing Method 50% Overlap, 16 ×16 pixel Software Insight(TSI)
Particle
Size ≪1
No. density 107 particle/
Stokes no. ≪1
Table 1 Experimental conditions and specifications
of PIV System
Laser
Valve lifter
Synchronizer
Particle generator
High pressure air Image processor
CCD
Surge Tank Flow Meter
Valve Lifter
1.75B B
Cylinder Δp Head
Blower Swirl Meter
Cylinder Adapter
(b) PIV System (a) Steady Flow Bench
Fig. 2 Schematics of (a) steady flow bench and
(b) PIV system
며, 나선형 포트(후측)와 직선형 포트(전측)로 구 성되어 있다 . 여기서 나선형 포트의 유동특성은 후측(rear)의 밸브만 개방하여 측정하고, 직선형 포트의 경우 전측 (front)의 밸브만 개방하였다.
Fig. 2에 실험장치의 개략도를 제시하였는데, ISM(G. Cusson사 P7300/200)은 통상적인 정상유 동장치 시험에서의 측정위치인 1.75 위치에 설 치하였고 , 층류유량계(laminar flow meter, Mariam 사 Z50MC2-4)는 ISM의 하류에 설치하였다. PIV 로 유속을 측정할 때는 , 실린더의 하부를 투명 아크릴로 제작하고, ISM의 장착부위에 레이저 시 트 빔 (laser sheet beam)을 조사하였다.
Fig. 2(b)에 도시된 PIV 시스템은 CCD 카메라 (1K x 1K KODAK Megaplus ES 1.0), 렌즈(85mm PC-E Micro Nikkor), 광원(30 NewWave Dual Nd-Yag) 및 동기화 장치(TSI, model 610034)로 구 성되었다. 내부 입자들의 이동거리 및 속도를 정 확하게 측정하기 위하여 CCD 카메라에 평철렌즈 (plano convex lens, PLCX F:500mm)와 평요렌즈 (plano concave lens, PLCC F:-15mm)를 부착하여 영상을 획득하였다. 미립자로는 오일을 사용하였
으며 , 미립자 발생기(TSI_SIX-JET Atomizer 9306) 를 사용하여, 1 ㎛ 이하의 입자를 발생시켰다. 이 미지 획득과 처리는 TSI사의 소프트웨어(Insight) 를 이용하여 보어 75.5 mm에 대해 59×59~37×37 의 속도 분포를 구하였다 . 실험 조건과 기타 PIV 시스템의 사양은 Table 1에 나타내었다.
3. 결과 및 검토
3.1 평면유속분포 특성
Fig. 3에 밸브리프트가 1~4 mm로 낮을 때 직선 형 포트의 유동특성, 즉 평면 속도분포( ), 유선 (SL) 그리고 가상의 축 방향 속도분포(
)를 나 타내었다. 본 연구에서 PIV 측정은 2차원 평면 유동을 대상으로 하였으므로 , 축 방향 속도분포 (
)는 측정값이 아니라 평균속도(유량으로 산출) 를 기반으로 축 방향 속도가 수평면 속도에 비례 한다고 가정하여 산출한 값이다 . 그러나 유동 자 체가 수평면과 수직면으로 구분되어 진행하는 것 이 아니라 , 수평면 유속 분포는 3차원으로 거동 하는 유동의 일부를 측정한 것이므로, 축 방향 속도가 수평면에서 측정한 유속에 비례한다는 것 은 합리적인 가정으로 사료된다. 따라서 정성적 으로 수평면 속도분포도 동시에 나타낸다 .
먼저 평면 속도분포( )와 유선(SL)을 관찰하면,
밸브리프트가 낮은 경우 포트를 하나만 사용하여
V
Straight L=1mm
20 m/sec V
L=2mm
V
L=3mm
V
L=4mm
SL SL SL SL
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
VZ
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
VZ
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
VZ
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
VZ
Fig. 3 Velocity field, streamline and virtual axial(or planar) velocity distribution of straight port(valve lift=1
~4 mm)
스월을 유도했음에도 불구하고 두 개의 스월 거 동이 뚜렷이 나타난다. 즉 거동중심이 2/4분면에 위치하여 시계방향으로 회전하는 스월과 그 대각 방향인 4/4분면에 중심을 둔 반시계 방향 스월 등 2개의 스월이 존재한다. 스월의 회전 방향으 로 판단해 보면 2/4분면에 위치한 스월이 직선형 포트를 거쳐 1/4 및 2/4분면 방향으로 진입한 주 유동에 의해 생성된 것이고(1차 스월), 대각 방향 4/4분면에 위치한 스월은 3/4 및 4/4 분면에서 실 린더 벽에 근접하여 진입한 유동이 주 유동과 충 돌하면서 발생한 것 (2차 스월)으로 판단된다. 스 월 유동의 속도는 두 스월의 경계점인 실린더 중 심에서 1/4분면과 3/4분면을 가로지르는 방향으로 가장 빠르고, 미세하게 시계 방향의 주 스월의 속도가 더 빠르게 나타난다 .
이렇게 두 개의 스월이 나타나는 현상은, 밸브 각도를 변경하며 직선형 포트에 대해 유속분포를
측정한 이전연구
(7~9)의 결과와는 상반된 것이다 . 비교를 위해 이전 연구에서 낮은 밸브리프트에서 PIV 측정을 통해 유속분포로 구한 유선을 Fig. 4 에 제시하였다. Fig. 4에서 V/A는 밸브각도(valve angle)를 의미하며, 밸브각도는 실린더 수직축과 밸브의 스템(stem)이 이루는 각도로 정의된다. 그 리고 Fig. 4의 헤드는 흡입 포트가 Fig. 2의 1/4분 면에 위치한다.
그림에서 알 수 있듯이 이 경우에는 밸브리프 트 2, 3 mm에서도 하나의 스월 거동만 관찰된다.
이러한 차이는 연소실 형상이 서로 다르기 때문
에 발생한 것으로 판단된다. 즉 실린더 중심 즉
Fig. 2의 1/4 및 2/4분면 방향(Fig. 4의 경우 3/4
및 4/4 분면)으로 진입하는 주 유동이 배기 측 연
소실 면을 따라 진행하다 포트의 반대쪽 실린더
벽에 도달하면 이 벽에 의해 제약을 받으며 스월
거동을 발생시키는데 ,
(10)연소실 형상이 다르면
SL
V/A=11 L=2mm
SL
V/A=16 L=2mm
SL
V/A=21 L=2mm
SL
V/A=26 L=2mm
SL
V/A=11 L=3mm
SL
V/A=16 L=3mm
SL
V/A=21 L=3mm
SL
V/A=26 L=3mm
Fig. 4 Streamline of straight port according to valve angle (valve lift = 2, 3 mm, Bore = 86mm, pent-roof
combustion chamber)
V
Helical L=1mm
20 m/sec V
L=2mm
V
L=3mm
V
L=4mm
SL SL SL SL
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
VZ
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
VZ
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
VZ
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
VZ
Fig. 5 Velocity field, streamline and virtual axial(or planar) velocity distribution of helical port(valve lift =
1~4 mm)
V
Straight L=5mm
20 m/sec V
L=6mm
V
L=7mm
V
L=8mm
SL SL SL SL
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
VZ
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
VZ
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
VZ
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
VZ
Fig. 6 Velocity field, streamline and virtual axial(or planar) velocity distribution of straight port(valve lift = 5
~ 8 mm)
실린더 벽에 충돌하는 유동의 각도가 변하기 때 문에 이후 실린더 하류로 진행하는 유동의 방향 에 차이가 나기 때문이다 .
구체적으로 Fig. 3의 연소실은 반 쐐기(semi- wedge)형이므로 배기 측 연소실을 따른 유동이 거의 직각에 가까운 각도로 연소실 벽과 충돌하 여 배기 측 실린더 벽에 근접하여 진행하고 , 반 면 Fig. 4의 연소실은 지붕(pent roof)형이므로 실 린더 벽과 직각보다 큰 둔각을 이루며 충돌하므 로 주 유동이 반 쐐기형보다 더 실린더 축 중심 으로 이동하여 하나의 스월 거동을 유도한 것으 로 판단된다. 이 부분은 스월 거동 중심과 연관 하여 뒤에서 조금 더 자세히 논의하겠다 .
Fig. 5에는 나선형 포트를 사용했을 때 역시 밸 브리프트 1~4 mm에서의 변화를 나타낸 것이다.
그림에서 관찰되듯이 나선형 포트를 채택하여 도 밸브리프트가 1, 2 mm로 매우 낮을 때는 두
개의 스월 거동이 존재한다 . 그러나 3 mm 이후에
는 전 평면에 걸친 하나의 스월만 존재한다. 이
러한 유동 특성도 포트와 연소실 형상의 영향을
동시에 받은 결과로 판단된다. 즉 직선형 포트에
서는 유동이 실린더 벽에 의해 제약을 받아 이
벽을 따라 흐르면서 스월의 생성되지만, 나선형
포트를 채용한 경우 포트를 통과하면서 선회유동
이 발생하고
(10)동시에 실린더 벽 효과가 더해진
다 . 따라서 리프트가 낮을 때(1, 2 mm)는 실린더
의 중심 쪽(1/4 및 2/4분면)으로 진입하는 주 유
동이 충분히 강하지 않고 , 직선형 포트와 마찬가
지로 포트 반대쪽의 실린더 벽에 도달하여 벽을
타고 진행하고 , 그 외의 방향으로 진입한 유동과
충돌하여 두 개의 스월이 존재한다. 그러나 직선
형 포트보다는 주 유동의 접선속도가 빠르기 때
문에 이 유동에 의한 스월이 더 강하다. 이후 밸
브리프트가 더 증가하면 주 유동이 더 강화되면
V
Helical L=5mm
20 m/sec V
L=6mm
V
L=7mm
V
L=8mm
SL SL SL SL
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
VZ
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
VZ
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
VZ
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
VZ
Fig. 7 Velocity field, streamline and virtual axial(or planar) velocity distribution of helical port(valve lift = 5
~8mm)
서 전체 평면에 걸친 스월 거동이 나타난다.
Fig. 6은 직선형 포트에서 밸브리트가 5~8 mm 로 높은 경우, 유속분포 특성을 나타낸 것인데, 밸브리프트가 5 mm를 너머서면서 이전과는 매우 다른 특성을 나타냄을 알 수 있다. 먼저 두 개의 스월 중 하나가 소멸되어 주 유동에 의한 스월만 존재한다. 그러나 스월의 형태는 실린더 중심과 거동의 중심이 일치하는 이상적인 형태와는 거리 가 멀고, 낮은 밸브리프트에서 2/4분면에 위치하 던 거동 중심이 3/4분면과 4/4분면의 경계로 이동 해 있다. 또한 속도 벡터와 유선으로는 잘 관찰 되지 않지만 , 속도분포 등고선(
)을 보면 스월 거동 중심의 대각 방향에 속도가 매우 낮은 부분 이 존재한다 . 스월 중심의 이동 형태로 미루어 볼 때, 이 속도가 낮은 부분은 낮은 리프트에서 관찰되었던 4/4 분면의 2차 스월이 강한 주 유동 에 의한 1차 스월에 의해 소멸되는 과정에서 발
생한 것으로 판단된다.
한편 포트의 대각 방향 즉 1/4분면에서 실린더 외각의 접선 속도가 매우 빠름을 알 수 있다.
Fig. 7은 밸브리프트가 5~8 mm일 때 나선형 포 트의 유속분포 특성을 나타낸 것이다. 전체적으 로 잘 발달된 스월 거동이 관찰되고 있으며 , 이 를 직선형 포트의 특성과 비교하면 다음과 같다.
스월 거동의 중심은 직선형 포트보다 더 실린
더 중심에 근접해서 존재하며, 리프트가 증가함
에 따라 중심은 스월의 회전 방향인 반시계 방향
으로 이동하는 것이 확실히 관찰된다. 또한 스월
의 형태도 완벽하게 이상적인 형태는 아니지만
전체적으로 직선형 포트보다는 전개 상태가 양호
하다 . 속도분포 등고선을 보면 포트(4/4 분면)의
전면 즉 1/4분면과 측면 즉 3/4분면에 유속이 빠
른 부분이 나타나지만 속도의 차이가 직선형 포
트에서처럼 크지 않다. 이에 따라 스월의 중심에
-30 -20 -10 0 10 20 30
-30 -20 -10 0 10 20 30
2 4 6 8
Lift 0
0.2 0.4 0.6 0.8 1
Eccentricity
Helical, 1.75B Straight, 1.75B Straight, 1.75B, 2nd
Fig. 8 Variation of swirl center and eccentricity as
a function of valve lift according to port
shape
1 2 3 Lift(mm)4 5 6 7 80 0.2 0.4 0.6 0.8 1
DischargeCoeff.(AE/AC) StraightHelical
Fig. 9 Discharge coefficient as a function of lift
서 반경 방향으로의 접선속도의 구배가 비교적
일정하게 나타남을 알 수 있다 . 3.2 스월 거동 중심의 변화
스월 중심와 실린더 중심과의 거리 즉 편심도 속도분포와 결부되어 ISM 측정 결과를 왜곡시킬 수 있기 때문에,
(6,7)정상유동 특성을 파악하기 위 해서는 이 중심 거동도 파악할 필요가 있고 , Fig.
8에 포트형상 및 리프트에 따른 스월 중심위치와 편심도 (eccentricity)를 도시하였다. 편심도는 실린 더 중심에서 스월 중심까지의 거리를 실린더 반 경으로 나눈 것이다 .
그림에서 관찰되듯이 포트 형상에 따라 스월 거동 중심의 변화는 매우 다르게 나타난다 . 먼저 직선형 포트는 4 mm와 5 mm를 경계로 중심의 위 치가 크게 변하지만 , 1~4 mm 사이와 5~8 mm 사 이에서는 변화가 매우 적어 중심이 밀집되어 분 포한다 .
이것을 Fig. 3과 Fig. 5의 유속분포 특성과 결부 하여 보면 , 직선형 포트의 경우 밸브리프트 4 mm 에서 5 mm로 변할 때 실린더 내 유동이 완전히 다른 특성을 가진 유동으로 천이한다고 판단된 다. 즉 4 mm 이하의 낮은 리프트에서는 1/4 및 2/4 분면 방향으로 진입하는 주 유동과 4/4 분면 방향을 포함해 포트의 하부를 통해 실린더 벽에 근접하여 진입하는 유동의 강도에 큰 차이가 없 어 두 유동이 충돌하며 방향이 다른 두 개의 스 월이 생성된다 . 그러나 5 mm부터는 주 유동이 진 입하는 방향으로는 유동 제약(flow restriction)이 없어 리프트 증가에 따라 계속 유동이 강화되지 만 주 유동 이외의 유동 특히 포트의 하부로 진 입하는 유동은 실린더 벽에 의해 제약되므로 주 유동보다 상당히 약하여,
(11)주 유동이 실린더 내
의 유동을 지배하는 것으로 판단된다 .
아울러 이러한 변화가 점진적으로 진행되지 않 고 급격히 발생하는 것은 , 리프트 증가에 따라 유 동체계(flow regime)가 변하면서 밸브의 실제 개방 면적 (본 연구에서는 밸브 커튼 면적)에 대한 유효 유동면적(effective flow area)의 비인 유출계수가 불연속이거나 급격히 변하는 것이 원인으로 판단 된다.
(12)Fig. 9에 리프트 변화에 따른 유출계수를 나타내었는데 , 그림에서 알 수 있듯이 두 개의 스 월에서 하나의 스월로 천이하는 지점 즉 직선형 은 4mm 그리고 나선형은 2mm를 전후하여 유출 계수가 증가하다 감소한다. 이러한 유출계수의 변 화는 유동 진입 방향과 유량에 영향을 주므로 실 린더 내 유동 형태로 변화한 것으로 판단된다.
특이한 것은 4 mm 이하에서 2차 스월의 중심 과 5 mm 이상의 스월 중심위치가 매우 밀접한 위치에 분포한다 .
편심도는 모든 리프트에서 0.5 근방을 유지하 는데 , 이전연구
(6)에 의하면 편심도 0.15 이하에서 만 ISM 측정값에서 편심의 영향을 무시할 수 있 기 때문에 , 모든 리프트에서 편심의 영향이 고려 되어야 하는 수준이다.
직선형 포트와는 달리 나선형 포트의 경우 스
월 중심의 변화에 일정한 경향이 나타난다. 즉
낮은 리프트에서 1/4분면에 위치한 중심이 리프
트 증가에 따라 스월의 회전 방향으로 이동하고
있다 . 이것은 리프트가 증가하면 스월이 더 강화
되므로 실린더 내에서 유동의 중심도 이 방향으
로 이동하기 때문인 것으로 판단된다 . 편심도는
4 mm까지 감소하다 다시 6 mm 이상에서 증가하
지만 , 리프트 변화와 상관성을 찾기는 어렵다. 즉
스월 중심 변화에서 볼 수 있듯이 중심의 궤적이
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
Vθ(Non-Dim)
1.75B, Real 1.75B, Fitting Non-Dim.ω (a) Cylinder Center
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
Vθ(Non-Dim)
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
Vθ(Non-Dim)
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
Vθ(Non-Dim)
0.2 0.4 0.6 0.8 1
Non-Dim Distance -0.5
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
Vθ(Non-Dim)
(b) Swirl Center 2mm
4mm
5mm
6mm
0.2 0.4 0.6 0.8 1
Non-Dim Distance 8mm
Fig. 10 Non-dimensional tangential and angular velocity
profile as a function of non- dimensional distance from (a) cylinder center and (b) swirl center (straight port)
실린더 중심에 근접하다 다시 멀어지면서 표면적 으로 나타난 현상에 불과하다. 그리고 편심도 수 준도 직선형 포트보다 작지만 역시 ISM 측정에 서 무시할 수 있는 수준에 이르지는 못한다.
3.3 반경 방향을 따른 속도분포
1.75 위치에서 ISM으로 평가하는 경우, 속도 분포가 가장 큰 유동특성 왜곡의 원인임을 서론 과 이전연구를 통해 지적하였다 . 즉 이 분포는 반경방향과 축 방향 모두 중요한데, 특히 편심이 큰 경우 분포상태가 스월 계산의 기본이 되는 각 운동량에 미치는 영향이 크지만, ISM으로 측정하 면 이 영향이 충분히 나타나지 않는다 .
(11)Fig. 10은 직선형 포트에서 밸브리프트에 따라 반경 방향을 따른 접선속도분포를 제시한 것이 다. 동시에 위에서 언급한 바와 같이 축 방향 속 도분포에 대한 정성적 정보를 제공한다 .
그림에서 일점쇄선은 ISM로 측정한 토크를 역 산하여 접선속도 (가상속도)를 계산하고, 각 위치 에서의 속도를 계산된 최고속도(가상 최고속도)로 무차원화 하여 나타낸 분포이다 . 따라서 이 속도 분포는 ISM 평가 방법에서 가정한 속도분포이다.
밴드 형태로 보이는 실선은 PIV로 측정한 실제 접선속도를 가상 최고속도로 무차원화 한 속도이 며 , 점선과 쇄선은 각각 실제 접선속도 및 각속 도( ) 분포를 3차식으로 곡선 맞춤(curve fitting) 한 결과 (평균속도)이다. 실린더 중심(Fig. 10(a), Cylinder Center)은 실린더의 기하학적 중심을 기 준으로 반경 방향의 속도분포를 나타낸 것으로 역시 ISM 평가의 가정에 상응하는 것이다. 스월 중심 (Fig. 10(b), Swirl Center)은 실제 스월의 중심 을 기준으로 접선속도를 나타낸 것이다.
먼저 ISM 측정에 상응하는 실린더 중심 속도 분포는 2개의 스월이 형성되는 4mm 이하에서 가 상속도보다 매우 낮거나 심지어 음 (-)의 값을 가 지기도 한다. 이에 따라 각속도도 ISM 측정에서 가정한 값보다 작은데 , 이것은 ISM으로 평가한 스월의 강도 즉 스월계수가 과대평가되었음을 의 미한다 . 스월이 하나만 존재하는 5mm 이상에서 음(-)의 속도분포는 나타나지 않고 비교적 일정한 형태를 보여주지만 , 역시 실제보다 ISM 평가가 크게 나타난다.
스월 중심은 4mm 이하에서 중간 리프트까지는 가상속도 보다 크지만 그 이후 감소하여 음의 값
이 되는데, 이것은 역방향으로 또는 2차 스월이 존재하기 때문이다 . 5mm 이사에서는 스월 중심 과 가까우면 속도분포가 이상적인 분포(가상속도) 와 잘 일치하지만 무차원 거리 0.4를 너머서면 거의 증가하지 않고 일정한 수준을 유지하거나 최외각에서 약간 증가한다 .
Fig. 11에는 나선형 포트의 반경 방향을 따른
접선속도의 분포를 나타내었다 . 먼저 실린더 중
심의 경우 동일 반경방향 위치에서 실제 속도 변
동의 폭이 직선형 포트보다 대폭 감소하였음을
알 수 있다. 그리고 두 개의 스월이 존재하는 2
mm에서도 개별 측정 위치에서 1차 스월과 반대
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
Vθ(Non-Dim)
1.75B, Real 1.75B, Fitting Non-Dim.ω (a) Cylinder Center
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
Vθ(Non-Dim)
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
Vθ(Non-Dim)
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
Vθ(Non-Dim)
0.2 0.4 0.6 0.8 1
Non-Dim Distance -0.5
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
Vθ(Non-Dim)
(b) Swirl Center 2mm
3mm
5mm
6mm
0.2 0.4 0.6 0.8 1
Non-Dim Distance 8mm
Fig. 11 Non-dimensional tangential and angular velocity
profile as a function of non-dimensional distance from (a) cylinder center and (b) swirl center(helical port)
방향의 유동이 존재하지만 평균적으로 양(+)의 값을 유지한다 . 그러나 가상속도에 대한 실제 속 도분포 평균곡선은 직선형 포트와 큰 차이가 없 어 , 역시 직선형과 마찬가지로 ISM 측정은 과대 평가됨을 알 수 있다.
스월 중심의 경우도 동일한 반경방향 거리에서 속도 변화 폭은 감소하였으나 직선형 포트와 큰 차이는 없다 . 다만 5 mm 이상의 리프트에서 직선 형 포트는 중심의 최외각 위치에서 속도가 약간 증가하는 경향이 있으나 나선형 포트의 경우 무 차원 거리 0.8까지 증가하다 이후 약간 감소한다.
본 연구에서는 현재의 통상적 측정위치인 1.75
에 국한하여 유속분포 특성에 대해 논의하였 다 . 그러나 ISM 측정과의 단순비교가 본 연구의 목적이 아니라 ISM 평가 값과 실제 유속을 측정 하여 구한 평가 값의 차이를 여러 흡기계 설계변 수에 따라 파악한 후 ISM 평가의 문제점을 도출 하여 궁극적으로 개선된 안을 제안하는 것이 목 적이다. 이러한 맥락에서 후속 연구에서는 일단 1.75 이외의 위치에서 동일한 평가를 통해 위치 의 영향을 파악하고, 이어서 정상유동 시험에서 얻어지는 여러 특성 값 즉 스월 계수 , 스월 비 등을 다양한 방법으로 구하여 정량적으로 비교하 고자 한다 .
4. 결 론
반 쐐기형 연소실에서 직선형 포트와 나선형 포트를 대상으로 통상적인 ISM 평가위치인 1.75
에서 PIV로 유속을 측정하고 비교한 결과 다음 과 같은 결론을 얻었다.
(1) 직선형 포트에서는 밸브리프트 4 mm 이하, 그리고 나선형 포트에서는 2 mm 이하에서 두 개 의 스월이 형성되고 이후 리프트가 높아지면 하 나의 스월만 나타난다.
(2) 리프트에 따라 두 개의 스월에서 하나의 스 월로 천이하는 것은 천이점에서 유동체계가 변하 기 때문에 유량과 유동 방향에 변화가 생기기 때 문이다.
(3) 직선형 포트에서는 리프트 4 mm와 5 mm를 경계로 유동 특성이 완전히 바뀌는 반면, 나선형 포트에서는 리프트 증가에 따라 점진적 변화만 관찰된다.
(4) 1.75 위치에서 모든 포트에서 편심도는 측정값이 왜곡되지 않는 범위에 들어오고, 특히 직선형 포트의 편심도가 매우 크다 .
(5) 1.75 위치에서 포트형상에 관계없이 ISM 평가와 상응하는 실린더 중심 기준의 평균접선속 도는 ISM 평가에서 가정한 속도보다 매우 낮고, 동시에 속도분포 특성도 ISM 평가의 가정과 매 우 다르다.
후 기
이 연구는 서울과학기술대학교 교내 학술연구
비 지원으로 수행되었습니다 .
참고문헌
