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Ⓒ2011 KSAE 1225-6382/2011/114-18 Transactions of KSAE, Vol. 19, No. 6, pp.126-132 (2011)
모터링 내구시험을 상사한 비정상 온도이력을 받고 있는 엔진 터보차져의 열적 거동해석
최 복 록*1)․방 인 완2)․장 훈2)
강릉원주대학교 기계자동차공학부1)․현대자동차 파워트레인해석팀2)
Thermal Structural Analysis of the Engine Turbocharger under the Transient Temperature History Corresponding to the Motoring Fatigue Test
Boklok Choi*1)․Inwan Bang2)․Hoon Chang2)
1)
School of Automotive and Mechanical Engineering, Gangneung-Wonju National University, Gangwon 220-711, Korea
2)
Powertrain Analysis Team, Hyundai Motor Company, 772-1 Jangdeok-dong, Hwaseong-si, Gyeonggi 445-706, Korea (Received 21 April 2011 / Accepted 20 June 2011)
Abstract : Fatigue cracks of the turbocharger are often observed for high performance engines under thermal shock tests. Maximum exhaust gas temperature of recently developed gasoline engines could reach approximately 950°C. It's very important to estimate transient temperature histories during thermal shock cycles to predict the stress and the fatigue life of the turbocharger. With these temperature profiles, temperature-dependent material properties and boundary conditions, we could identify critical locations by the application of finite element simulation technologies. In this paper, we applied the reliable analysis approach to the actual turbocharger to predict the weak locations due to the repetitions of plastic strains and compared the results with the crack locations under physical engine test.
Key words : Turbocharger(터보차져), DI engine(직접분사방식 엔진), Thermal shock cycle(열충격 사이클), FEM (유한요소법), Transient state(비정상상태), Plastic strain(소성변형률)
1. 서 론
1)
자동차의 내연기관은 피스톤이 상사점에서 하사 점으로 내려갈 때 연소실 내의 부압으로 혼합기 또 는 공기를 빨아들이게 되며, 이 같은 방식을 자연흡 기(natural aspiration) 방식이라 한다. 그러나 엔진은 흡입과정에서 여러 가지 저항을 받고 있으므로 실 제 흡입되는 공기의 양은 실린더 크기보다 적게 된 다. 따라서 흡입량을 늘리기 위해 밸브 수를 늘리거 나 밸브 직경을 크게 하기도 하지만 또 하나의 방법 으로 터보차져를 사용하여 터빈을 강제적으로 돌려 흡입공기의 압력을 높이면 많은 공기가 실린더내로
*
Corresponding author, E-mail: [email protected]
들어가서 연료의 양도 많아지면서 파워도 상승시킬 수가 있다. 이와 같이 터보차져로 공기를 강제로 보 내는 방식을 과급방식이라고 한다.
Fig. 1은 터보차져의 작동 원리를 나타낸 것으로 엔진의 배기매니폴드 하단에 볼트 등으로 체결되어 있으며, 엔진에서 배출되는 배기가스의 압력 에너 지를 이용하여 터빈 휠을 돌리게 된다. 그리고 터빈 휠은 흡기매니폴드와 에어클리너 사이에 위치해 있 는 컴프레서 휠과 하나의 축으로 연결되어 있으며, 이 컴프레서 휠이 바로 엔진 실린더로 들어가는 공 기를 압축하는 것이다. 즉, 컴프레서가 배기 터빈의 힘으로 외부의 신선한 공기를 흡입, 압축하여 실린 더로 강제적으로 이송할 뿐만 아니라 보다 많은 공
모터링 내구시험을 상사한 비정상 온도이력을 받고 있는 엔진 터보차져의 열적 거동해석
Fig. 1 Schematic diagram of the turbocharger
기를 공급하게 된다.1,2)
가솔린 엔진 터보차져의 경우 디젤 엔진에 비해 배기가스의 온도가 매우 높으므로 매우 열악한 열 적인 환경에 놓여 있으며, 이 같은 열적 하중에 의해 피로 파손 문제가 빈번히 발생할 수 있는 부품중의 하나이다.3-6) 따라서 본 연구에서는 열충격 내구시 험 조건의 열전달 해석을 통해서 얻어진 비정상 온 도해석 결과를 이용해서 실제 내구시험에서 발생한 파손 현상을 재현할 수 있는 해석적 방법을 제시하 였으며, 열응력 해석을 위해서는 비선형 해석에 많 이 사용되는 상용 프로그램인 ABAQUS Ver. 6.77)을 사용하였다.
2. 수치해석 모델 2.1 터보차져의 파손 현상
터보차져에서 열적인 원인으로 파손이 많이 발생 하는 부위는 고온의 배기가스가 통과하는 터빈 하 우징부이며, 컴프레서 하우징의 경우에는 온도가 크게 높지 않으므로 열피로 파손이 거의 일어나지 않는다. 그리고 터빈 하우징에 있어서도 파손 문제 가 많이 생기는 부위는 구조적인 복잡성 뿐만 아니 라 상대적으로 온도구배가 심하게 발생하는 부위들 이며, 대개 다음과 같다.
먼저, 배기매니폴드와 체결되어지는 터빈 하우 징의 입구측 플랜지이다. 이곳은 배기가스의 간섭 을 피하기 위해서 많은 경우 중앙에 분리형 격벽이 존재하며 이로 인해서 격벽부의 코너부와 격벽부 중앙에서 많은 파손 현상을 수반하게 된다. 다음으
(a) Inlet flange (b) Split wall in volute
(c) Waste gate valve seat
Fig. 2 Crack areas of the thermal fatigue due to the thermal shock load
로 과급 압력이 규정 값 이상으로 상승하는 것을 방 지하는 역할을 하기 위한 웨이스트 게이트 밸브의 좌면부이다. 이곳도 플랜지 구조와 마찬가지로 좁은 공간에 복잡한 형상을 가지고 있으며, 중앙에 격벽 을 가지고 있으므로 격벽이 연결되는 코너부에서 균 열이 많이 발생한다. 그리고 마지막으로 하우징 내 부의 스크롤 형상을 분리하기 위한 격벽부에서의 균 열을 들 수 있다. 스크롤 부위는 텅(tongue)부라고 불 리는 곳을 기준으로 동일한 압력 분포를 가지기 위 해서 시계 방향으로 격벽부의 단면적이 점차 감소하 는 구조로 되어 있으며, 많은 경우 크랙들이 스크롤 격벽부의 반경 방향으로 나타나는 것이 특징이다.
Fig. 2는 엔진의 모터링 열충격 내구시험을 통해 서 발생한 터보차져 하우징의 균열발생 위치들을 보여주고 있다. 세 곳 모두 격벽의 구조로 이루어진 부위에서 파손이 일어나고 있으며, 높은 온도구배 뿐만 아니라 구조적으로도 주변 형상에 의해 구속 이 많이 일어나는 부위임을 예상할 수 있다.
2.2 유한요소 모델
Fig. 3은 Altair사의 HyperMesh를 이용해서 구성
Boklok Choi․Inwan Bang․Hoon Chang
(a) Exhaust manifold + turbocharger model
(b) Contact conditions b/w both flanges
Fig. 3 Turbocharger system model한 분리형 터보차져계의 유한요소 격자 구조를 나 타낸 것이다. 구조해석을 위해서 구성한 각 부품들 로는 터보챠져와 배기매니폴드, 그리고 실린더헤드 를 등가화한 단순모델과 각 연결부에서의 체결 축 력을 고려하기 위한 볼트 모델 등이 포함되어 있다.
이 같은 모델의 경우 실제 엔진에서의 결합 조건과 매우 유사한 구조를 나타낼 뿐만 아니라 구속조건 도 근사하게 표현할 수 있다는 장점이 있다. 여기서 구속은 실린더헤드 면에서 모두 적용하였으며, 수 직방향 변위는 배면에서의 절점들을 모두 구속함으 로써 나타내었고, 상하방향은 실린더헤드 밑면 절 점들의 자유도를 길이방향을 따라서 구속하였다.
그리고 길이방향 강체 변형은 배기매니폴드의 기준 홀에 해당하는 하나의 절점에서 구속하였다.
한편, 실린더헤드와 배기매니폴드의 입구측 플 랜지, 그리고 배기매니폴드의 출구측 플랜지와 터 보차져의 입구측 플랜지가 접촉하는 각각의 체결 부위에서는 접촉조건을 적용함으로써 온도의 상승 또는 하강시 발생하는 열적 접촉거동을 잘 나타낼
수 있도록 하였으며, Fig. 3의 (b)는 접촉조건을 정의 하기 위한 접촉면(surface)을 보여주고 있다.
2.3 비정상 온도분포 해석
터보차져의 열응력 해석을 위해서는 엔진 운전조 건 하에서의 정상 또는 비정상 상태(steady or tran- sient state)의 온도분포 해석 결과가 필요하다. 본 연 구에서 적용한 온도해석 결과는 “H”사에서 직접 수 행하였으며, 엔진 다이나모에서의 모터링 열충격 내구시험을 대상으로 비정상 조건의 CHT (Conju- gate Heat Transfer) 해석을 통해서 각 절점에서의 온 도이력을 시간의 함수로 구하였으며, 실험결과와 비교함으로써 결과의 타당성을 충분히 검증하였다.
Fig. 4는 해석에서 대상으로 한 모터링 열사이클 모드를 엔진 회전수와 시간으로 단순화해서 나타낸 도식도이다. 하중의 반복효과를 고려하기 위해서 열사이클 하중을 2번 반복해서 해석에 적용하였으 며, Fig. 5는 하나의 연속 사이클에 대한 승온시와 냉 각시 각각에서의 비정상 온도를 추출한 시간 간격 들을 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 승온 시와 냉각시 모두 배기매니폴드에 비해서 터보차져
Fig. 4 Simplified thermal shock modes
Fig. 5 Sampling times during thermal shock cycles
Thermal Structural Analysis of the Engine Turbocharger under the Transient Temperature History Corresponding to the Motoring Fatigue Test
(a) Heat up condition
(b) Cold down condition
Fig. 6 Transient temperature distributions during motoring thermal shock cycles
의 스크롤 부위에서 급격히 가열되고 또한 급격한 기울기로 냉각이 되는 것을 알 수 있다.
다음으로 Fig. 6은 분리형 터보차져 모델의 온도 분포를 Fig. 5에서 설정한 가열과 냉각 각 시간에 대 해서 내부 단면형상을 나타낸 것이다. 그림 (a)에서 보는 바와 같이 승온 초기단계에서는 주로 터보차 져의 스크롤 격벽부 주위에서 높은 온도분포를 나 타내고, 이후 계속 상승하다가 T4 sec 부근에서는 정 상상태의 온도와 유사한 분포를 가지고 있다. 최대 온도는 910 ~ 940°C 정도로서 실제 모터링 내구 시 험에서의 측정값과 유사한 크기를 나타낸다. 그리 고 그림 (b)는 냉각시의 각 시간에서의 온도분포 결 과이다. 냉각과정 동안에는 가열시와 반대로 터보 차져의 스크롤 격벽부 부근부터 급격히 냉각이 일 어나며, 이후 T10 sec 부근에서 터보차져의 대부분 이 충분히 냉각되어 있음을 알 수 있다.
2.4 터빈 하우징에서의 소성변형률
본 연구에서는 배기매니폴드, 실린더헤드, 그리 고 볼트의 체결력 뿐만 아니라 부품 상호간의 접촉 현상 등을 모두 고려한 터보차져계의 시스템 모델 을 대상으로 유한요소 해석을 수행하였다. 온도 조 건은 Fig. 6에서 나타낸 비정상 상태의 유동해석 결 과인 온도분포들을 이용하였으며, 사용한 재질은 온도에 따라서 재료의 거동이 크게 변하는 주기하 중 하의 특성(cyclic stress-strain properties)들을 모두 고려하였다.8-10)
Fig. 7은 온도변화에 따른 터보차져 입구측 플랜 지에서의 면압 분포를 나타낸 것이다. 그림에서 보 는 바와 같이 고온에서는 팽창하며 격벽부의 길이 방향으로 큰 접촉압력이 발생하고, 냉각시에는 고 온조건에서와 반대로 약 90도 위상차가 있는 위치 에서 최대 면압이 나타나고 있다. 이것은 엔진이 열 사이클 하중을 받고 있는 동안에 배기매니폴드의 출구측 플랜지와 접촉하고 있는 터빈 하우징의 입 구측 플랜지가 동일한 위상의 변형을 일으키지 않 으면서 상호 열변형을 구속하고 있음을 알 수 있다.
Fig. 8은 분리형 터보차져 모델에 대해서 앞 절에 서 나타낸 주요 크랙 위치에서 소성변형률 진폭의 크기와 분포를 나타낸 것이다. 스크롤 격벽부에서
최복록․방인완․장 훈
(a) Hot condition (b) Cold condition
Fig. 7 Contact pressures b/w two flanges(a) Split wall at scroll
(b) Waste gate valve seat areas
(c) Inlet flange
Fig. 8 Distributions of the plastic strain range during motoring thermal shock
Fig. 9 Variations of the plastic strain for repeated thermal cycles
는 텅부를 기준으로 약 2시 방향에서 최대 소성변형 이 발생하며, 그 크기는 약 0.573%이다. 그리고 원주 방향을 따라서 비슷한 크기의 소성변형이 간헐적으 로 나타나고 있으므로 스크롤의 격벽부에서는 여러 곳에서 균열이 발생할 수 있는 구조이다. 이것은 온 도분포 결과에서 보는 바와 같이 비정상 상태의 초 기 승온과정에서 스크롤의 격벽부 주위만 급격히 가열되고 있으며, 따라서 압축의 응력 및 소성변형 이 쉽게 발생할 수 있을 것이며, 또한 냉각시는 반대 의 현상으로 인장의 잔류응력이 존재하게 될 것이 다. 그리고 (b)의 웨이스트 게이트 밸브 좌면부에서 도 내부의 배기가스와 접하는 격벽부를 중심으로 코너부에서 많은 소성변형이 발생하고 있으며, 앞 에서 나타낸 파손 위치와도 잘 일치하고 있다. 마지 막으로 입구측 플랜지에서도 비슷한 크기의 소성변 형이 발생하고 있으며, 위치는 파손 현상에서 나타 낸 바와 같이 격벽부의 코너들에서 발생하고 있다.
이것은 온도 구배에 따른 플랜지의 자체적인 열변 형에 의한 구속뿐만 아니라 Fig. 7의 압력분포에서 보는 바와 같이 배기매니폴드의 플랜지와 상호 접 촉에 의한 간섭으로부터도 많은 영향을 받을 것으 로 사료된다.
이상과 같이 터빈 하우징에 대해서 계산되어진 소성변형률의 진폭 크기는 일반적으로 열피로 수명 과 직접 연관이 있으므로, 향후 열피로 시험을 통해 얻을 수 있는 재료의 수명 관계식을 이용해서 정량 적인 수명을 예측하는 것이 가능할 것이다.11-13)
Fig. 9는 열사이클 하중의 반복에 따라 발생하는
모터링 내구시험을 상사한 비정상 온도이력을 받고 있는 엔진 터보차져의 열적 거동해석
등가 소성변형률(equivalent plastic strain)의 크기를 시간에 대해서 나타낸 것이다. 가열과 냉각초기의 온도 구배가 심한 부위에서는 소성변형도 급격히 발생하며 이후의 완만한 온도 기울기에 대해서는 소성변형률의 변화도 매우 완만하게 나타나고 있 다. 따라서 모터링 내구 시험시의 열충격 하중에 대 해서 각 사이클의 가열과 냉각 초기에서의 온도 분 포의 영향이 응력 및 내구수명에 많은 영향을 미칠 것으로 사료된다. 그리고 사이클 하중이 반복됨에 따라서는 크기 차이가 매우 미소하게 나타나고 있 음을 알 수 있다.
3. 결 론
본 연구에서는 고온의 배기가스 압력에 의해 작 동되는 엔진 터보차져의 열응력 및 열피로 현상에 대한 해석적인 방법을 확립하기 위해서 승용 가솔 린엔진을 대상으로 해석을 수행하였으며, 그 결과 는 다음과 같다.
1) 온도 분포는 엔진 가속화 내구시험 방법 중의 하 나인 모터링 열사이클 내구시험 모드를 상사화 해서 비정상 상태에서의 CHT 해석을 수행하였 다. 그 결과 분리형 터보차져의 경우 스크롤 격벽 부에서 가열초기 높은 온도 기울기를 나타내고 이후 완만하게 상승하다가 최대 온도에 이르며, 실제 내구시험에서의 크기와 유사한 값을 나타 내었다. 그리고 냉각시에는 반대로 터보차져의 스크롤 격벽부 부근부터 급격히 냉각이 일어나 며, 이후 냉각과정을 거쳐서 하나의 사이클이 완 료되었다.
2) 분리형 터보차져를 대상으로 유한요소 해석모 델을 구성하였으며, 배기매니폴드와 실린더헤 드, 그리고 체결축력과 접촉현상 등을 고려하였 다. 그 결과, 스크롤 격벽부와 웨이스트 게이트의 밸브 좌면부, 그리고 터빈 하우징의 입구측 플랜 지 등에서 비교적 큰 소성변형이 발생하였으며, 실제 내구시험에서 균열이 발생한 위치와 매우 잘 일치하고 있음을 알 수 있었다.
3) 터보차져 스크롤 격벽부의 한 점을 대상으로 열 사이클이 진행됨에 따라 소성변형의 크기를 나 타낸 결과, 가열과정에서는 초기 온도구간에서
소성변형이 급격히 발생하며 이후의 시간에서는 그 변화가 매우 완만하게 나타나고 있다. 그리고 냉각과정에서도 마찬가지로 냉각초기 동안에 대 부분의 소성변형이 발생하며 이후의 과정에서는 적은 변화를 나타낸다. 한편 하중이 반복됨에 따 라서는 그 차이가 매우 미소하게 나타나고 있으 므로, 많은 사이클 하중을 고려하지 않더라도 정 확한 결과를 얻을 수 있을 것으로 예측된다.
후 기
이 논문은 2007년도 강릉원주대학교 학술연구조 성비 지원에 의하여 수행되었습니다.
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