Numerical Analysis on the Oil Film Behavior of Engine Main Bearing Considering Dilution of Diesel Fuel

경유 혼입을 고려한 엔진 메인 베어링의 유막거동에 관한 수치적 연구

김 한 구^†

다불산업(주) 기술연구소

Numerical Analysis on the Oil Film Behavior of Engine Main Bearing Considering Dilution of Diesel Fuel

Han Goo Kim

Research and Development Institute, Double Industrial Co., Ltd.

(Received May 25, 2010; Revised July 4, 2010; Accepted July 16, 2010)

Abstract − This paper describes the influence on engine main bearing behavior of the oil film when the fuel is diluted on a diesel engine equipped with DPF system. Oil film pressure and the thickness is calculated in accor- dance to the fuel dilution. The calculation is based on the numerical analysis of the engine main bearing. As a result, the engine oil viscosity decreased as the fuel dilution increased. This led the increment of the maximum oil thickness pressure. Verification of the minimum oil film thickness settlement by the engine gas pressure and the fuel dilution was confirmed. Destruction possibility of the engine main bearing was foreseen when the engine speed was 2000 rpm with the fuel dilution 15% and the 5W40 engine oil.

Keywords − engine main bearing( 엔진 메인 베어링 ), engine oil( 엔진오일 ), fuel dilution( 연료혼입 ), maximum oil film pressure( 최대유막압력 ), minimum oil film thickness( 최소유막두께 )

1. 서 론

최근 에너지 절약이 주요 관심사로 대두되면서 수송 분야에서는 연비가 좋은 경유 자동차에 대한 관심이 높 아지고 이에 따라 기술개발이 가속화되고 있다 .

경유 자동차는 휘발유 자동차에 비해 열효율이 우수 하고 , 지구온난화 현상의 주원인인 이산화탄소 (CO

) 배 출량도 적다 . 또한 , 최근에는 전자제어 고압 연료분사 장치인 커먼레일 시스템이 개발되어 경유 자동차의 단 점 중 하나인 진동과 소음문제가 대폭 개선되고 있으 며 이에 따라 최근 경유자동차 시장이 빠른 속도로 확 장되고 있다 . 하지만 경유 자동차는 휘발유 자동차에 비해 입자상물질 (PM:Particulate Matter) ^{과 질소산화물}

(NOx) 이 많이 배출되며 이는 대도시 공기오염의 주원

인이 되고 있다 . 특히 , PM 의 인체 유해성에 대한 논란 이 가중되고 있으며 , 전 세계적으로 입자상물질의 저감 요구가 높아지고 있다 .

경유 자동차에서 배출되는 입자상물질의 저감대책으 로 현재까지는 디젤매연여과장치 (DPF:Diesel Particulate

Filter) 가 가장 효율적인 것으로 알려져 있다 . DPF 시스

템을 사용하는 경우 후분사에 의해서 연료가 엔진오일 에 혼입되는 현상이 발생하게 되는데 이러한 현상은 엔 진오일의 점도가 감소하는 문제점을 발생시킨다 . ^연료

가 엔진오일에 혼입되는 과정은 다음과 같다 .

피스톤이 하사점 부근에 도달했을 때 분사된 연료는 산화를 통해 배기가스 온도를 상승시키는 역할을 하고

이로 인해 DPF 시스템은 재생을 위한 적정 온도조건

을 만족하게 된다 . ^{그러나 연료가 후분사됨 으로써 대}

†주저자·책임저자

: [email protected]

과정에서도 연료가 엔진오일에 혼입되는 현상이 발생 한다 [1-3].

일반적으로 세계적인 자동차 생산업체 및 연구개발 용역업체들은 실험을 통해 엔진오일의 6~10% ^{정도를 연}

료 혼입율의 한계치로 제시하고 있으며 연료혼입에 따

른 엔진오일 점도에 대한 연구도 진행되고 있다 . N. A.

Henein[4] 등은 디젤엔진에서 후분사에 따른 엔진특성을

연구 하였고 S. Bukovnik[5] 등은 엔진 베어링에서

0.5~5% ^{연료 혼입율이 최대유막압력과 최소유막두께 변}

화에 거의 영향을 미치지 않는다는 수치해석 결과를 보 고하였다 . ^{최근 들어} H. G. Kim ^과 C. K. Kim[6,7] ^은

엔진오일에 연료가 혼입되는 현상이 엔진오일 점도에

미치는 영향에 대하여 연구 하였으며 B. H. Song 과

T. S. Park[8] ^{은 연료가 혼입된 엔진오일이 디젤엔진에}

서 엔진 마모나 미연가스에 미치는 영향에 대하여 실 험적으로 분석하였다 . R. Oinuma ^등 [9] ^{은 디젤엔진에}

서 후분사시 연료혼입에 의한 피스톤 윤활조건이

0W20 엔진오일일 때보다 5W30 엔진오일일 때 더 악

화 된다는 실험결과를 제시하였다 .

본 연구에서는 DPF 시스템을 도입한 디젤엔진에서 후분사시 연료혼입이 엔진 메인 베어링에 미치는 영향 에 파악하기 위하여 연료 혼입율에 따른 엔진 메인 베 어링의 유막거동을 수치적으로 해석하였다 . 따라서 ,

DPF ^{시스템 개발시 수치해석 결과를 엔진 메인 베어}

링설계에 기초자료로 사용하고자 한다 . 2. 이론적 해석

2-1. 레이놀즈 방정식

엔진 메인 베어링에 원활한 윤활유 공급이 이루어진 다는 가정을 하게 되면 , 베어링의 마찰면에는 유막이 잘 형성이 되어진다고 볼 수 있다 . 따라서 , 본 연구에

엔진 메인 베어링의 경계조건을 요약하면 다음과 같다 .

• 축방향

: 베어링 끝단부의 대기압

• 원주방향

: 유체윤활 구역

: ^{캐비테이션 구역}

2-2. 운동 방정식

엔진 메인 베어링에서 피스톤 관성력이 윤활유막에 작용하는 하중을 계산하기 위하여 사용된 운동 방정식 은 식 (2) ^{와 식} (3) ^{으로 표현할 수 있다} .

(2) (3)

3. 수치적 해석

3-1. 해석모델 및 조건

해석에 사용된 엔진 베어링은 직렬 4 기통 디젤엔진

에 장착된 것으로 행정은 85.6 mm, 보어 크기는

86.2 mm 를 갖는다 . 또한 , 엔진 메인 베어링의 직경은

58 mm, 폭은 17.5 mm, 초기 유막간극은 30 µ m 이다 .

해석에 사용된 엔진 메인 베어링의 유한요소모델을

Fig. 1 에 보여주고 있다 .

Fig. 2 에는 4 행정 동안 엔진 연소실에서 발생한 가

스압력을 엔진속도가 1,000~4,000 rpm 인 경우에 대해 서 나타냈으며 엔진속도가 2000 rpm 일 때 가장 높은 가스압력을 보여주고 있다 .

Fig. 3 에는 해석에 사용된 5W40 엔진오일의 온도증

가에 따른 점도 측정치를 연료 혼입율에 따라 나타내 고 있다 .

P P =

P P >

, θ = 1

P P =

^, θ ^< 1

Mq ·· + + _Dq · _Kq = f

f f =

+ + f∗ i∗

3-2. 해석방법

엔진오일에 연료가 혼입되었을 때 엔진오일의 점도 변화가 엔진 메인 베어링 유막거동 특성에 어떠한 영 향을 미치고 있는지를 파악하기 위해서 탄성유체윤활 이론을 바탕으로 엔진 메인 베어링의 유막두께 , 압력 분포를 수치적으로 해석하였다 .

EXCITE[10] 프로그램을 이용한 수치 해석방법을 보

면 다음과 같다 . ^{운동 방정식에서 계산된 하중으로부}

터 엔진 메인 베어링 유한요소 모델에 대한 탄성 변형 량이 구해진다 . 유한요소해석에 의해 구해진 탄성 변 형량으로 부터 엔진 메인 베어링에 발생하는 압력분포 를 계산하고 , 이 계산 결과로부터 엔진 메인 베어링에 발생한 압력분포를 적분한 하중값과 운동 방정식으로

부터 계산한 하중값을 비교하여 이들 계산치가 적당한 오차범위 이내에서 수렴하게 되면 엔진 메인 베어링의 유막두께와 압력분포가 구해지게 된다 . 이때 사용된 레 이놀즈 방정식은 2 차 후방차분법으로 이산화 하여 가 우스자이델 (Gauss-Seidel) 방법을 사용하였고 , 운동 방정

식은 뉴톤랩슨 (Newton-Raphson) ^{방법으로 계산하여 유}

막거동 특성을 고찰하였다 [11-13].

4. 해석결과 및 고찰

본 해석은 자동차 운행시 엔진오일 온도인 100

C ^일

때 연료 혼입율에 따른 5W40 엔진오일의 점도 측정

치를 사용하여 수치해석을 수행하였다 . 해석결과 엔진

속도가 2000 rpm 일 때 최대유막압력과 최소유막두께

가 발생하였으며 그 결과를 다음과 같이 나타내었다 . Fig. 4(a)~(b) ^{에는 엔진속도가} 2000 rpm ^{일 때 연료 혼}

입율에 따른 유막압력분포를 나타내고 있다 . 전체적인 유막압력분포 형상은 연료 혼입율에 상관없이 비슷한 형상을 보여주고 있으며 엔진 메인 베어링의 좌측 하단 부에서 최대유막압력이 발생하고 있다 . 또한 , 연료 혼입 율이 0% ^{일 때 최대유막압력은} 139.7 MPa ^{이 발생하였으}

며 연료 혼입율이 최대인 15% 일 때는 177.1 MPa 이 발

생하였다 .

Fig. 5 에는 엔진속도 증가에 따른 최대유막압력을 나

타내고 있다 . 가스압력이 최대인 2000 rpm 일 때 가장 큰 최대유막압력을 나타내고 있으며 관성력이 최대인

4800 rpm 일 때는 연료 혼입율에 상관없이 비슷한 최대

유막압력을 나타내고 있다 . 연료 혼입율이 증가할수록 최대 유막압력이 증가하는 것을 알 수 있으며 이러한

Fig. 1. Finite element model of engine main bearing.

Fig. 2. Gas pressure with engine speed.

Fig. 3. Viscosity of 5W40 engine oil with temperature.

해석결과로부터 연료 혼입율이 최대유막압력에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다 . ^또한 , ^{연료 혼입율} 0% ^대

비 연료 혼입율 증가에 따른 최대유막압력은 최대

26.8% 까지 증가하였다 .

Fig. 6(a)~(d) ^{에는 크랭크 각에 따른 엔진 메인 베어}

링의 최소유막두께를 나타내고 있다 . 엔진 메인 베어 링 최소유막두께는 엔진속도가 2000 rpm~4800 rpm 인 경우 가스압력의 영향을 받기 때문에 크랭크 각도에 따라서 비슷한 경향의 최소유막두께 변화를 나타내고 있지만 엔진속도가 4800 rpm 인 경우 엔진 관성력의 영향을 받기 때문에 엔진속도가 2000 rpm~4000 rpm 일 때와는 다른 경향의 최소유막두께 변화를 나타내고 있 다 . ^따라서 , ^{크랭크 각도에 따른 최소유막두께 변화 및}

발생위치는 엔진속도에 영향을 받는다는 것을 알 수 있다 .

Fig. 7 에는 엔진속도에 따른 엔진 메인 베어링의 최

소유막두께를 나타내고 있다 . 가스압력이 최대인

2000 rpm ^{일 때 가장 작은 최소유막두께를 나타냈으며}

Fig. 4. Maximum oil film pressure distribution of the 5W40 engine oil with fuel dilution ratio at 100

C.

Fig. 5. Maximum oil film pressure of 5W40 engine oil

with engine speed at 100

C.

연료 혼입율이 증가함에 따라 최소유막두께가 감소하 는 것을 알 수 있다 . 따라서 , 최소유막두께는 가스압력 과 연료 혼입율에 따라 결정된다는 것을 확인하였다 .

연료 혼입율 0% 대비 연료 혼입율 증가에 따른 최소 유막두께은 최대 75.0% 까지 감소하였으며 엔진속도가

2000 rpm ^{일 때 연료 혼입율이} 15% ^{인 경우 엔진 메인}

베어링 유막파손 가능성을 확인하였다 .

Fig. 8 에는 가스압력이 최대값을 나타내는 2000 rpm

일 때 연료 혼입율에 따른 최대유막압력을 나타내고 있다 . 전체적으로 연료 혼입율이 증가할수록 최대유막 압력이 선형적으로 증가하는 경향을 보여주고 있다 .

Fig. 9 ^{에는 연료 혼입율에 따른 최소유막두께를 나}

타내고 있다 . 전체적으로 연료 혼입율이 증가할수록 최 소유막두께는 감소하는 경향을 나타내고 있다 . 특히 ,

연료 혼입율이 15% ^{일 때 엔진 메인 베어링의 최소유}

막이 파손될 수 있는 가능성을 보여주고 있다 . 5. 결 론

본 연구에서는 디젤 자동차에서 발생하는 입자상물

질을 줄이기 위하여 사용하는 DPF 시스템에서 후분사

시 연료혼입이 엔진 메인 베어링의 유막거동에 미치는 영향을 파악하고자 수치해석을 수행하였다 .

해석결과 엔진 메인 베어링에서 연료 혼입율이 증가 할수록 최대유막압력 증가하는 경향을 나타냈으며 최

Fig. 6. Minimum oil film thickness of the 5W40 engine oil with engine speed at 100

C.

Fig. 7. Minimum oil film thickness of the 5W40 engine speed with engine oil at 100

C.

Fig. 8. Maximum oil film pressure with fuel dilution ratio at 100

C.

Fig. 9. Minimum oil film thickness with fuel dilution

ratio at 100

C.

θ : ^충전율

h : 간극높이 η : 점도

u

: ^저어널 ( ^쉘 ) ^{반경방향 속도}

t : 시간

x ( ^z ) : ^반경 ( ^축 ) ^{방향 좌표}

M : 베어링 구조물 무게행렬 D : 베어링 감쇠행렬 K : ^{베어링 구조물 강성행렬}

q : 변위벡터 f

: ^{외력 벡터}

f

: 구속력 벡터 i

: 관성력 벡터

참고문헌

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