Transactions of KSAE, Vol. 14, No. 5, pp.121-129 (2006) Copyright C 2006 KSAE 1225-6382/2006/083-17 가솔린엔진의흡기유량계수와포트설계인자의상관성에관한연구 이시훈 * 현대자동차 Analytical Approach on Intake Port Development of SI Engines Based on Correlations of Design Parameters and Flow Coefficients Sihun Lee * Gasoline Engine Test Team, Hyundai Motor Company, 772-1 Jangduk-dong, Hwaseong-si, Gyeonggi 445-706, Korea (Received 2 February 2006 / Accepted 15 March 2006) Abstract : An Intake Port of SI engines plays a key role on improving engine performance by maximizing full load volumetric efficiency or by optimizing in-cylinder air motion. However, designing an intake port has been usually performed based on port experts' experience and know-how, which means that analytical analyses are relatively insufficient. In this paper, port design parameters which decide an overall port shape were defined in order to correlate them relevantly with flow test results accumulated so far. Test species were composed of all twenty eight SI engines which cover major engine displacements from 1,000cc to 4,000cc. First, they were tested on a steady state flow test rig to find out their flow coefficients. Secondly, those flow coefficients were analyzed based on the port design parameters measured from the engines. The most effective parameters were port height, valve head diameter, and the ratio of port size and cylinder bore diameter. The final correlation equation could predict flow coefficients within 2% deviation. Key words : SI engine( 가솔린엔진 ), Intake port( 흡기포트 ), Port design parameter( 포트설계인자 ), Flow coefficient ( 유량계수 ) 1. 서론 1) 가솔린엔진의흡입공기량은그엔진의성능을결정하는매우중요한요소이다. 흡기다기관 (Intake Manifold) 출구의신기를연소실로운반하는흡기포트는그저항에따라전체흡입공기량을좌우하게되는데이는특히고속전부하성능에영향을미친다. 흡기포트는또한그형상에따라스월혹은텀블과같은실린더내부유동의모멘텀 (Momentum) 을결정하여연소속도로대별되는엔진의연소성능에큰영향을미친다. 결국가솔린엔진의성능에있어서흡기포트는매우결정적인역할을하게되며관 * Corresponding author, E-mail: sihun4u@hyundai-motor.com 련업계에서는그연구와개발에많은자원을투입해오고있다. 그러나현재의흡기포트개발방식은주로포트개발자의경험적인지식에의존함으로써체계적인연구방법은상대적으로부족한데, 그이유는흡기포트가상호연관된여러형상인자의복잡한조합의산물로서분석적인접근이용이하지않았기때문이다. 이와같은상황하에서는어떤흡기포트가주어진경계조건하에서충분히잘설계되었는지에대한판단이모호하여, 포트개발자가불필요한추가개발요구에부응해야만하는문제가있었다. 본연구는이러한현실에대한대안으로그동안축적된실험결과를데이터베이스화하고이를분석적으로선정된포트형상설계인자와관련 121
이시훈 시킴으로써양자간의적절한상관성을유도하고자하였다. 만약충분한상관성이확보된다면이로써주어진실린더헤드의경계조건하에서흡기포트의최대성능을유추할수있고이것이포트설계목표도달혹은개발완료여부를판단하는기준이될수있다. 흡기포트의성능은유동저항을최소화할수있는특성과효과적인실린더내부유동을발생시키는특성으로대별된다. 포트의유동저항은유량계수 (Flow Coefficient: Cf) 에의해서평가되는데이는정상유동리그시험에서측정되는값이다. 실린더내부유동은보통스월이나텀블혹은그조합을의미하는데이러한주유동의최적화는난류강도의증가를유도하여연소속도증가, 연소안정성확보등전반적인연소성능을향상시키는역할을한다. 1,2) 그러나일반적으로이두가지특성, 즉유량계수의최대화와효과적인실린더내부유동 ( 주로텀블 ) 의최적화를동시에확보하는것은용이하지않다. 관련업계의최근추세는텀블수준을크게훼손하지않는범위내에서 Cf를최대화하여주로최대출력을확보하는것이다. 텀블수준을크게훼손하지않는범위라는것이여전히모호한부분이있지만, 본연구는이러한추세에부응하면서또한비교적간단한분석만실시하기위해 Cf만을포트성능의평가인자로고려하였다. 포트형상을나타내기위해서는수많은형상인자를정의할수있다. 대표적인것으로는밸브각, 포트각, 최소단면적, 포트높이, 입구면적등이있으며이러한대표적인인자들이포트성능에미치는영향에대해서는일부연구된바가있다. 3) 그러나이러한인자들의개별적인최적화로는최대 Cf를얻기가불가능한데그것은각인자들의기하학적상호연관성과경계조건들로인한제약때문이다. 본연구에서는상기인자들중효과가클것이라고예상되는단몇가지의인자들만을일단선정하여이를 기본포트설계인자 라고정의하였고그것을분석이용이한형태로재구성하여 포트설계인자 라고정의하였다. 본연구의목적은이들포트설계인자와측정된 Cf 데이터베이스간의통계적처리를통하여양자간의상관성을파악하고이를검증하여, 포트설계와개발에대한적절한기준을제시하는것이다. 2. 흡기포트의설계인자 2.1 기본포트설계인자 언급한바와같이가솔린엔진의흡기포트형상을나타내는설계인자는무수히많고대부분은상호종속적인관계에있으므로, 분석적연구에이들을모두다룬다는것은불가능하다. 그러나포트개발의경험이있다면이들설계인자가운데주로 Cf에영향을미치는주요인자들을비교적용이하게선정할수있다. 이주요인자들을기본포트설계인자라고정의하여 Table 1과 Fig. 1에나타내었다. Table 1 Basic port design parameters 약어설명 PH_Straight MA ISD TD VD TA PA Port Height_Straight : Distance from valve seat ring to the intersection of valve centerline and port centerline Minimum Section Area Inner Seat Diameter Throat Diameter Valve Head Diameter Tumble Angle Port Angle Fig. 1에서 PH_Straight는유동이연소실로유도되기직전의직선부거리를나타내는인자로서, 밸브시트링으로부터밸브중심선과포트중심선을연장한가상의교차점까지의길이로정의된다. 일반적으로 PH_strait가길수록 Cf는증가하고텀블은감소하게된다. 3) MA는흡기포트의전구간에서포트중심선에수직한단면적의최소값이다. 일반적으로흡기유속및텀블에반비례하며, 텀블을추구하는포트에서과도하게축소할경우 Cf가크게저하될수있다. 따라서흡기포트의 Cf를개선해야하는경우, 먼저 MA가충분한지확인해보아야한다. 최근개발되는엔진들에서는 MA가비교적크게설정되는경향을보인다. 122 한국자동차공학회논문집제 14 권제 5 호, 2006
가솔린엔진의흡기유량계수와포트설계인자의상관성에관한연구 변화를수반하여오히려 Cf 감소를초래할수있다. TA는밸브중심선과포트중심선과의사잇각으로정의되는데, 일반적으로 TA가클수록텀블이증가하므로텀블각이라한다. TA는텀블강도에는비례하지만 Cf에는반비례하는인자이며, 고출력을추구하는엔진들에서는이를축소하여 Cf를극대화하는경향이있다. 이외에도포트상면과하면굴절부위의곡률, 포트입구부 (Flange) 형상, 포트격벽 (Dividing Wall) 형상등포트의전체적인형상을결정하는다른인자들이있다. Fig. 1 Definition of basic port design parameters 포트크기를대변하는인자로는크게 ISD, VD, TD가있다. 이중 ISD는측정유량과이론유량의비로정의되는 Cf 계산에주로이용된다. 4,5) 즉이론유량의특성면적 (Characteristic Area) 을 0.25π(ISD) 2 로계산하고이를 ISA(Inner Seat Area) 로표현한다. 이와같이 ISD가포트크기를나타내는가장기본적인인자로주로사용되므로본연구에서는 Table 2와같이여타인자의무차원화를위해 ISD와 ISA를사용하였다. VD는포트크기효과와유동간섭이라는두가지측면에서 Cf에영향을미치게된다. 일반적으로포트는기하학적상사를이루면크기에관계없이유동패턴이동일하지만, 포트크기가극단적으로다를경우벽면마찰이나밸브스템의유동저항차이등으로인하여작은포트의 Cf가불리할것으로예상된다. 또한주어진연소실과실린더보어내에서 VD가크면클수록밸브와연소실벽면의간격이줄어들어유동이밸브를통과할때연소실혹은실린더벽과의간섭이커지고따라서 Cf는감소하게된다. TD는유동이밸브와밸브시트사이를통과하기직전에만나는포트의마지막부분으로압입된밸브시트와흡기포트주조면과의단차를제거하는가공에의해형성되는치수이다. 유동저항을최소화하기위해서는 TD를최대화하여단면적을확대할필요가있으나과도한확대는밸브시트면의급격한 2.2 포트설계인자 2.1에서언급한기본포트설계인자들은실헤드상에서측정이가능해야한다는점과분석을위한무차원화가필요하다는점에서재구성되어야한다. 그간의경험과간단한선행연구를통해상기기본포트설계인자중효과가미미한일부인자들을제외하고, 측정용이성과무차원화를고려하여재구성한포트설계인자들을 Table 2와 Fig. 2에나타내었다. Table 2 Port design parameters 약어 FA/ISA PH_Guide/ISD TD/ISD VD/Bore 설명 Flange Area / Inner Seat Area : ISA = 0.25πISD2 Port Height_Guide / ISD : Normalized distance from valve seat ring to the port upper side near valve guide Normalized Throat Diameter Normalized Valve Head Diameter Fig. 2 에서 FA 는단지 3D CAD 상에서만정의되는 Fig. 1의 MA를대신하여도입된인자로서실헤드에서 MA에비해상대적으로계측이용이하다. 가솔린엔진은디젤엔진과달리흡기관성효과를이용한흡기다기관튜닝이성능개발의중요한수단이므로포트입구면적 (Flange Area) 은연결된흡기다기관의면적에의해제약을받는다. 결과적으로 FA는 MA 가되거나혹은 MA 에큰영향을미치게되어 MA 대신 FA를포트의크기를나타내는인자로사용할수있다. Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 14, No. 5, 2006 123
Sihun Lee Table 3 Port design parameters of test intake ports Fig. 2 Definition of port design parameters PH_Guide는 Fig. 1에서의 PH_Straight를대신하여정의된인자이다. PH_Straight는포트중심선을연장한가상의선상에존재하여실측이불가능하다. 따라서 PH_Straight와기하학적으로는유사하지만실헤드에서계측이용이한 PH_Guide를 PH_ Straight대신사용하게되었다. PH_Guide는밸브시트링으로부터밸브중심선이포트상면소재면과만나는점까지의길이로정의된다. TD/ISD는 Cf에대한 TD의영향을서로다른크기의포트에서비교할수있도록무차원화한인자이다. VD/Bore는밸브와실린더벽간의유동간섭의정도를나타내기위하여도입된인자이다. 언급한바와같이흡입유량증대를위해서밸브크기를키우면밸브와실린더벽의근접으로유동간섭이발생한다. 즉 VD/Bore가상대적으로큰경우 Cf가감소하는현상이나타난다. 2.3 포트설계인자의측정결과 2.2에서정의된포트설계인자를 1,000cc부터 4,000cc에걸친총 28종의국내외유수엔진에대하여측정하였고, 이를 Table 3에나타내었다. 3. Cf 측정 3.1 Cf 시험방법흡기포트의 Cf를평가하기위한정상유동리그장치가 Fig. 3에나타나있으며, 일반적으로 Ricardo 社 Fig. 3 Steady state flow test rig layout 의시험장치와방법을기본으로하고있다. 4,5) 정상유동리그장치의주요한기능은흡기포트양단압력을일정하게유지하면서유량을계측하는것이다. 유량의계측은보통밸브높이1mm 간격으로실시되는데측정된유량은식 (1) 에의하여 Cf로 124 한국자동차공학회논문집제 14 권제 5 호, 2006
Analytical Approach on Intake Port Development of SI Engines Based on Correlations of Design Parameters and Flow Coefficients 계산된다. 그리고이 1mm간격으로계산된 Cf들을식 (2) 에따라밸브프로파일을고려하여평균한것이일반적으로통용되는 Cf이다. 본연구에서는밸브프로파일효과를배제하기위해표준밸브프로파일 (standard valve profile) 로평균된 Cf_svp를사용하였다. (1) Q : Measured Flow Rate A : Inner Seat Area V 0 : Theoretical Velocity of Compressible flow (a) FA/ISA vs. Cf_svp (2) α 1 : IVO (Intake Valve Open) α 2 : IVC (Intake Valve Close) 3.2 Cf 시험결과상기리그장치를이용하여 2.3에언급한엔진의흡기포트 Cf를측정한결과가 Fig. 4에그래프로나타나있다. (b) PH_Guide/ISD vs. Cf_svp (c) TD/ISD vs. Cf_svp Fig. 4 Intake ports Cf test results 4. Cf 와포트설계인자의상관성분석 4.1 단변수해석 (Simple Regression Analyses) Table 3과 Fig. 4에나타낸포트설계인자들과 Cf 의상관성을확인하기위하여먼저간단한단변수해석부터실시하였다. 단변수해석은 Cf가단순히한설계인자만에종속되는값이라고가정하는것이다. 각각의포트설계인자와 Cf의단변수해석에의한상관관계를 Fig. 5에나타내었다. (d) VD/Bore vs. Cf_svp Fig. 5 Single variable analysis results Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 14, No. 5, 2006 125
다. 6) 그림에서보여지는바와같이 Cf 와각설계인자 이시훈 이러한상관관계는선형회귀분석에의해파악할수있는데본연구에서는마이크로소프트엑셀프로그램에내장된선형회귀분석도구를이용하여이를실시하였다. 각그림에표시된방정식은선형회귀방정식이며 R 2 는상관계수로서추정된회귀선이관측치들을얼마나잘설명하는지를나타내는수치이다. 예를들어 R 2 가 0.90이라는것은통계에사용된표본의 90% 가회귀선에적합하다는것을의미한 들간에의미있는상관관계식은얻을수가없었다. 이것은 Cf가여러설계인자들과복합적인종속관계에있음을무시한결과라고할수있다. 즉이와같은단변수해석에서는다른설계인자들의영향이노이즈 (Noise) 형태로추가되어해석하고자하는그인자와 Cf 간의상관성을훼손하게되는것이다. 따라서 Fig. 5의각추세선의 R 2 는매우낮은수준을나타낸다. 다만 PH_Guide와 Cf의상관성을나타내는추세선의 R 2 만이 0.41로써다른설계인자들에비해 Cf에대한영향이상대적으로크다는것을알수있다. 이러한단변수해석의한계를극복하기위해모든인자들의영향에대해종합적인해석을수행하는다변수해석을실시하는것이바람직하였다. 4.2 다변수해석 (Multiple Regression Analyses) 다변수해석은 Cf가여러설계인자들과복합적인함수관계에있음을가정하는것이다. 본연구에서는상기다변수해석을위해통계전용프로그램인 Minitab을사용하였으며, Cf를각설계인자에대해선형적인관계로가정하는식 (3) 을기본으로하였다. (3) 식 (3) 에나타난독립변수들중 VD는 2.1에언급된바와같이포트크기효과와유동간섭의특성을나타내는인자이다. 이중유동간섭은 VD/Bore에의하여이미고려되어있다. 포트크기효과는초기에그영향이크지않을것이라생각하여제외시켰 Fig. 6 Minitap analysis result 으나연구를진행하는동안그영향이매우큰것으로파악되어식 (3) 에 VD로포함하게되었다. Fig. 6 은 Minitab상에서수행한다변수해석결과를나타내고있다. 상기 Minitap 해석에의해얻어진상관관계식, 즉식 (3) 의각계수가결정된식 (4) 는다음과같다. (4) 각설계인자와 Cf에대한상관관계는식 (4) 에서타설계인자들을좌변으로넘겨기존의 Cf_svp에타설계인자의효과를보정한다음 Fig. 7의 (a) ~(e) 와같은그래프를통해서파악할수있다. Fig. 7 에서 Corrected Cf_svp 는이와같이보정된 Cf 를나타낸다. 다변수해석의결과인 Fig. 7의각설계인자에대한 Cf 추세선을살펴보면 R 2 가 0.6에서 0.9 사이이므로설정된포트설계인자들의 Cf 상관성은매우높다고할수있다. 즉단변수해석을통해서보았던상호영향에의한오차가크게감소하였음을알수있다. 예상했던바와같이 PH_Guide 즉포트높이가 Cf에가장큰영향을주는설계인자이며, 그다음으로 FA와 VD도비교적큰영향을주는설계인자임을알수있었다. TD/ISD 및 VD/Bore도어느정도영향을주긴하지만이들에대한 Cf 의존도는의외로약하게나타났다. 126 한국자동차공학회논문집제 14 권제 5 호, 2006
가솔린엔진의흡기유량계수와포트설계인자의상관성에관한연구 (a) FA/ISA vs. Corrected Cf_svp for other parameters (e) VD/Bore vs. Corrected Cf_svp for other parameters Fig. 7 Multiple variable analysis results (b) PH_Guide/ISD vs. Corrected Cf_svp for other parameters Fig. 8 Comparison of measured Cf and predicted Cf (c) TD/ISD vs. Corrected Cf_svp for other parameters 상기결과가운데특히고려할만한것은 VD에대한 Cf 의존도이다. 일반적으로기하학적상사가이루어지면포트크기에관계없이동등한 Cf를나타낼것으로알려져있으나상기결과로부터 Cf는 VD에비례하는것을알수있다. 이는비록기하학적상사가이루어지더라도포트가작으면작을수록크기효과에의해표면마찰력이커져서 Cf가감소하는것을나타낸다. 마지막으로식 (4) 의 Cf 예측정확도를확인해보기위하여각각의실린더헤드에서측정된 Cf와식 (4) 에서예측된 Cf를 Fig. 8에함께나타내었다. 그림에서보여지듯이식 (4) 는측정된 Cf를 2% 의오차범위내에서예측하고있다. (d) VD vs. Corrected Cf_svp for other parameters 4.3 상관관계식의검증 식 (4) 의유용성을시험으로검증하기위하여일 Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 14, No. 5, 2006 127
Sihun Lee 명 Flow box라고불리는포트모형을만들었다. Flow box는모두두가지로기본포트형상과 PH_ Guide가 2.7mm 증대된변형포트형상으로제작되었으며 Fig. 9는그형상을비교하여나타내고있다. 또한식 (4) 에의해예측된 Cf와정상유동리그시험을통해측정된 Cf는 Table 4에정리되어있다. 시험결과의해석을위해서는일반적인정상유동리그시험의시험오차가약 1% 이내라는것을고려해야한다. 먼저각각의포트에대해서식 (4) 는 0.7%, 1.4% 의오차를보이면서측정 Cf 값을예측하고있다. 또한 PH_Guide 증가에대해서식 (4) 는 2.5% 의 Cf 증분효과를예측하였고시험결과는 3.2% 의효과를나타내고있다. 따라서식 (4) 는 Cf의예측과포트설계인자의변형에따른효과예측을위하여유용하게사용될수있음을알수있다. 일이다. 본연구의상관성분석을통해중요한포트설계인자들의결정과 Cf의적절한예측이동시에이루어지면이러한조기개발과개발노력절감의효과를얻을수있다. 여기서는합리적인포트설계인자의선정범위와 Cf 개발목표를제시하여상기목적을달성해보고자하였다. Cf 목표를설정하고이를달성하려면먼저흡기포트의 Cf를결정하는설계인자에대한목표치수설정이필요하다. 본연구에서나타난바와같이 Cf 를증대하기위해서는 Cf에가장큰영향을주는포트높이와 Flange 면적의최대화가필요하나, 이는실린더헤드높이증가와흡기다기관단면적증가를유발하여저중속토크저하를초래한다. 따라서본연구에서분석된 28종의엔진들가운데가장큰 PH_Guide와 FA 값을목표로삼는것은현실적이지않다. 하지만 Cf 증대에따른고속출력을지향하는엔진이라면적절한수준의 PH_Guide와 FA를확보하는것이필요하다고생각되어이두인자에대한목표값을전체표본의 60% 이상수준으로하였다. 이를수치로표현하면아래와같다. PH_Guide목표값 : ISD 크기의 1.15배 FA 목표값 : ISD 면적의 90% Fig. 9 Port modification Table 4 1500cc engine flow box test results 식 (4) 예측결과측정결과 Cf_svp 변동량 Cf_svp 변동량기본 - 0.7% 0.406 0.409 포트형상 - 변형 - 1.4% 0.416 0.422 포트형상 2.5% 3.2% 5. Cf 개발목표설정 흡기포트의설계개념을조기에확정하여포트개발기간을단축하거나, 개발된흡기포트가경계조건내에서충분히개발되었는가를판단하여불필요한추가개발노력을방지하는것은매우중요한 상기 PH_Guide와 FA 목표값을식 (4) 에적용하여 Cf 개발목표치를구해보면다음과같다. 먼저 Cf 개발목표는엔진크기에따라다를수있으므로 VD 를엔진크기를대변하는인자로보고경차엔진의경우 25mm, 소형엔진의경우 31mm, 중형엔진의경우 35mm로식 (4) 에입력한다. 다음 TD/ISD와 VD/ Bore의경우이미엔진크기에무차원화되어있고표본의산포도크지않으므로표3의평균값을식 (4) 에입력한다. 그결과경차엔진목표 Cf는 0.400, 소형엔진목표 Cf는 0.412, 중형엔진목표 Cf는 0.420 이되며이를향후포트개발의기준으로사용할수있다. 6. 결론포트설계인자와 Cf와의관계를파악하기위하여계측가능한설계인자선정작업과다양한흡기포 128 한국자동차공학회논문집제 14 권제 5 호, 2006
Analytical Approach on Intake Port Development of SI Engines Based on Correlations of Design Parameters and Flow Coefficients 트에대한유동시험을수행하여이들의상관성을분석하였다. 이를통하여다음과같은결론을얻었다. 1) 흡기포트 Cf를결정하는중요한인자는 Port Height와 Inner Seat Diameter의비, Flange Area와 Inner Seat Area의비, Valve Head Diameter, Valve Head Diameter와 Cylinder Bore의비, Throat Diameter와 Inner Seat Diameter의비이다. 2) 상기설계인자중에서특히포트높이와포트입구면적이 Cf에가장큰영향을미치는중요한변수이다. 따라서이두인자에대한적절한설계목표값을설정하였고이때흡기포트의개발기준이되는 Cf를결정하였다. 3) 상기설계인자로구성된 Cf 추정식을확립하였고, 이를활용하면흡기포트의개념설계단계에서 Cf 예측이가능하다. References 1) J. B. Heywood, Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill, New York, 1988. 2) I. Y. Ohm and Y. S. Cho, In-Cylinder Fuel Behavior According to Fuel Injection Timing and Port Characteristics in an SI Engine : Part II-With Low/Medium Swirl, Transactions of KSAE, Vol.9, No.3, pp.9-17, 2001. 3) H. Blaxill, J. Downing, J. Seabrook and M.ike Fry, A Parametric Approach to Spark-Ignition Engine Inlet-Port Design, SAE 1999-01-0555, 1999. 4) Ricardo, Steady State Flow Bench Port Performance Measurement and Analysis, Report DP93/0704, Shoreham, 1993. 5) H. Xu, Some Critical Technical Issues on the Steady Flow Testing of Cylinder Heads, SAE 2001-01-1308. 2001. 6) J. L. Devore, Probability and Statistics for Engineering and the Sciences, Brooks/Cole, Pacific Grove, 1991. Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 14, No. 5, 2006 129