정상적인 엔진 작동 조건에서 열선 공기 유량계의 성능 분석

2.1 시험 장치

Fig. 1은 동력계를 포함한 4기통 1.9 L 시험 엔진 어셈블리를 보여준다. 시험 엔진의 크랭크샤프트는 프롭(Prop) 샤프트에 의해 250 ps 동력계에 연결된다. 시험 엔진과 동력계는 Bedplate(3660 mm × 1830 mm × 305 mm) 위에 설치하였다. 시스템 진동을 차단하기 위해 Bedplate의 각 모서리에는 고무 진동판을 설치하였다. 동력계 어셈블리는 ±1% 속도 변위 내에서 제어되는 일정한 속도로 시험 엔진을 구동하거나 출력이 흡수될 수 있다. 컨트롤러는 또한 스로틀 위치를 닫힌 상태에서 WOT(Wide open throttle)까지 유지할 수 있다. 엔진 스로틀 제어레버는 동력계 컨트롤러의 전위차계(Potentiometer)에 의해 제어되는 자기 스테퍼(Magnetic stepper) 드라이버에 연결된다. 스로틀 위치는 자기 각도 드라이버(Magnetic angle driver)에 의하여 정확하게 제어 될 수 있다. 제어 각도는 스로틀 각도에 비례한다. 엔진의 연소에 의해 생성된 토크도 측정 될 수 있다.

Fig. 1

Test engine assembly including the engine and the dynamometer on a bedplate

2.2 열선 공기 유량계의 수정

실험에 사용되는 공기 유량계는 투명한 플라스틱으로 제작하였다. 유량계 내부에 레이저 도플러 유속계 광학 프로브(Optical probe)가 접근할 수 있도록 윈도우 어셈블리(Window assembly)를 유량계를 일부 가공한 후 설치하였다. 윈도우 어셈블리는 광학적으로 투명한 플렉시 유리로 제작하였으며, 내부 형상은 유량계 내부와 동일하게 가공하여 윈도우의 설치가 메인 보어와 바이패스 튜브 내부 유동장에 영향을 미치지 않도록 하였다. 윈도우 어셈블리는 광학 프로브 볼륨에서 입사 레이저 빔의 에너지 밀도를 향상시키며 설치된 윈도우에서 속도가 측정되는 유효데이터 수집 율이 2~3 배 증가하였다.

2.3 고속 유동 가시화 시스템

고속 유동 가시화 시스템은 광학장비. 고속 카메라. 스모그 발생장치 및 광원으로 구성된다. 광원으로 사용된 구리 증기 레이저(Copper vapor laser, CVL model No. 451 manufactured by Metalaser Technologies)는 평균 40W의 출력을 내며 펄스(Pulse) 속도가 5000 pps(Pulse per second)일 때 가시 스펙트럼의 녹색과 노란색 영역(510, 578 nm wavelength)에서 펄스당 8 mJ의 에너지를 방출한다. 구리 증기 레이저 빔의 지름은 50.8 mm이다. 고속 유동 가시화에 충분한 약 1.5 mm 두께의 레이저 시트(Laser sheet)는 한 변의 길이가 101.6 mm인 4각 실린더 렌즈와 초점 거리가 200 mm인 실린더 거울을 사용하여 만들었다. 유동 가시화는 공기 유량계에 레이저 시트를 통과시켜 공기와 함께 들어오는 스모크 입자(Smoke particle)를 통해 얻었다. 스모그는 시험 엔진의 흡입 과정에서 스모그 발생장치로부터 흡입하였다. 이러한 구성은 연구의 대상이 되는 공기 유량계 내부 유동장의 흐름을 방해하지 않는다. 작은 스모그 입자는 흡입 공기 유동을 따르고 고속 유동 가시화에 사용되는 필름을 노출시키기에 충분한 레이저 광을 산란 시킨다. 16 mm Nac E-10/EE 고속 회전 프리즘 카메라와 고속 f2.5 광학 시스템을 사용하여 레이저 시트와 스모그로 얻어진 공기 유동 이미지를 코닥 7620 텅스텐 필름에 기록하였다.

2.4 2차원 레이저 도플러 유속계

공기 유량계 메인 보어와 바이패스 튜브의 유동장 해석에서 정량적 분석은 매우 중요하다. 유동 가시화는 정성적 분석의 중요한 정보를 제공하지만 국부적인 유동장의 정량적인 정보를 제공하지는 못한다. 따라서 고속 유동 가시화로 관심 영역을 식별한 후 필요한 측정 면에서 레이저 도플러 유속계 측정을 하였다. 2차원 레이저 도플러 유속계는 4W Ar-Ion레이저와 TSI 제품의 렌즈, 프리즘, Receiving optics, 신호 처리장치(Digital burst correlator, IFA750), Bragg-cell frequency shifter, 광학 테이블 이송장치 그리고 데이터 취득을 위한 컴퓨터로 구성된다. Ar-Ion 레이저로부터 나오는 복합 파장 빔은 프리즘에 의하여 여러 개의 단 파장 빔으로 나누어지며 그중 블루 빔(488.0 nm)은 y-성분, 그린 빔(514.5 nm)은 z-성분 속도측정을 위하여 사용하였다. Fig. 2는 레이저 도플러 유속계를 나타낸다. 레이저 도플러 유속계는 유동에서 입자의 속도를 측정하기 때문에 산란 입자는 유체 유동을 정확하게 따라야 하며 측정에 사용되는 레이저 파장에서 큰 굴절률을 갖는 것을 선택하는 것이 중요하다. 분무된 Propylene glycol(평균입경: 0.6-1.5μm)을 산란 입자로 사용하였다.

Fig. 2

Laser Doppler velocimetry systeme

열선 공기 유량계에서 흡입 공기 흐름의 유동을 이해하는 것이 본 연구의 주요 목적이다. 따라서 공기 유동은 엔진의 크랭크샤프트 각도에 기초하여 분석하였다. 크랭크샤프트 각도는 시험 엔진의 크랭크샤프트에 직접 연결된 엔코더(BEI model H25D)에 의해 감지되었다. 엔코더 출력은 엔진 속도를 계산하고 측정된 속도 및 공기 유량계 출력 신호에 크랭크샤프트 각도 정보를 제공하는데 사용하였다. 엔코더는 1회전에 1회 기준펄스와 함께 1024개의 균일한 회전정보를 제공한다. 기준펄스는 각각의 측정에 대하여 피스톤 상사점에서 발생하도록 설정하였다.

2.5 열선 공기 유량계 출력 신호 데이터 수집

열선 공기 유량계 신호는 레이저 도플러 유속계의 인터페이스(interface: TSI, Model 1989Y)에 연결되었으며, 바이패스 튜브 엘리먼트 위치에서 레이저 도플러 유속계에 의해 측정된 속도와 비교하였다. 크랭크샤프트 각도 엔코더 출력은 각 측정의 시간 기준으로 사용하였다. 14 볼트 직류 전원 공급 장치를 사용하여 공기 유량계에 전원을 공급하였으며, 고속 디지타이저는 크랭크샤프트 각도의 측정과 동시에 사용하였다. 이것은 공기 유량계 출력 전압 대 크랭크샤프트 각도 정보를 제공한다.

2.6 좌표계 및 측정

공기 유량계에서 유동 통로에 대한 측정 위치를 정의하기 위해 2개의 원점을 이용하였다. 메인 보어 유동의 원점(O_M)은 엘리먼트 면에서 메인 보어의 중앙에 위치한다. 바이패스 튜브 유동은 Fig. 3의 점선 통로를 따라 흐르고 하단 좌측에서 메인 보어 통로 방향으로 배출되며, 엘리먼트 면 튜브 중앙에 원점(O_B)이 위치한다. x-축은 레이저의 광학축과 평행하고, 양의 방향은 레이저 빔 진행 방향이다. 원점에서 레이저를 향한 방향은 음의 방향인 반면 레이저에서 멀어지는 방향은 양의 방향이다. y-축은 흡입 공기 유동 방향이며 양의 방향은 엔진을 향하는 방향이다. z-축은 수직 방향이며 위를 향하는 방향이 양의 방향이다.

Fig. 3

Coordinate system and laser Doppler velocimetry measurement planes

레이저 도플러 유속계 측정은 공기 유량계의 2개 다른 면인 바이패스 튜브 엘리먼트 면 및 바이패스 튜브 출구 면에서 수행하였다. 바이패스 튜브 엘리먼트 면은 엘리먼트 위치의 수직면(x-z plane)이다. 바이패스 튜브 출구 면(x-z plane)은 바이패스 튜브 출구를 지나간다. 좌표계와 측정 면은 Fig. 3에 나와 있다.

3.1 유동 가시화

공기 유량계는 엔진 스로틀 바디에 연결된 흡기 튜브의 끝에 설치하였으며, 레이저 빔 시트를 관심 평면에 통과하도록 하였다. 공기 유량계의 정성적 유동 패턴을 관찰하기 위해 가시화를 하였으며, 사용된 프레임 속도는 초당 600 프레임이다. 크랭크샤프트 각도가 변화함에 따라 y-성분 유속이 증가 및 감소하는 주기적 유동 패턴(Cyclic flow pattern)이 관찰되었다. 메인 보어 유속이 증가 또는 감소할 때 바이패스 튜브 유속도 같은 패턴을 보였다. 한 번에 하나의 평면만 유동 가시화가 가능하므로 메인 보어 및 바이패스 튜브 유동의 위상은 확인할 수 없었다. 엔진속도 2800 rpm의 유동 가시화는 메인 보어 유동과 바이패스 튜브 유동 패턴이 유사함을 보였다.

3.2 레이저 도플러 유속계 측정

공기 우량계의 주 유동(y-성분)에 수직면인 엘리먼트 면 과 바이패스 튜브 출구 면 2지점에서 레이저 도플러 유속계 측정을 하였다. 측정 면은 유동 가시화 결과를 검토 후 결정하였으며 엔진속도는 2800 rpm이다.

3.2.1 연소 및 모터링 조건에서 메인 보어 유동의 비교

모터링과 연소 조건에서 공기 유량계에 각각 형성되는 유동장을 비교하였다. 유동 속도를 엘리먼트 면 메인 보어 중심선을 따라(x-축) 16개 위치에서 모터링 및 연소 조건의 엔진속도 2800 rpm, WOT에서 측정하였다. 16개의 위치는 중심(O_M)으로부터 ±1 mm 위치에서 4 mm 마다 설정하였다.

Fig. 4(a)와 4(b)는 모터링과 연소 조건에서 측정한 16개 위치의 y-성분 속도를 나타낸다. 엔진속도 2800 rpm에서 모터링 조건의 y-성분 속도는 연소 조건과 비교하여 최고 속도는 비슷한 양상을 보이지만 최저 속도에서는 약 2 m/s 큰 값을 가진다. 주기적인 속도 프로파일은 두 조건 모두에서 관찰되는 특징이지만, 큰 차이는 연소 조건에서 y-성분 최저 속도가 약간 더 작은 것이다. 엔진 흡기 시스템의 유동은 역류(Backflow)와 맥동이 결합되어 복잡하기 때문에 그 영향으로 판단된다. Fig. 5(a)와 5(b)는 모터링과 연소 조건에서 z-성분 속도를 각각 보여준다. 연소 조건에서 z-성분 속도가 모터링 조건과 비교하여 약간 크지만 패턴은 서로 매우 유사하다.

Fig. 4

The y-component velocities vs. crank angle in the element plane of the main bore of the hot-wire air flow meter at engine speed of 2800 rpm(each curve corresponds one of 16 measurement points). (a) Under firing condition (top), (b) Under motoring condition (bottom)

Fig. 5

The z-component velocities vs. crank angle in the element plane of the main bore of the hot-wire air flow meter at engine speed of 2800 rpm(each curve corresponds one of 16 measurement points). (a) Under motoring condition (top), (b) Under firing condition (bottom)

공기 유량계의 메인 보어는 바이패스 튜브 날개 중심 주위에 대칭인 2개의 분리된 유로를 가진다. 속도 프로파일(y-성분) 대 측정된 위치를 모터링 및 연소 조건 모두에 대해 분석하였다. Fig. 6(a)와 6(b)는 평균속도 프로파일 대 측정 위치를 7개 다른 크랭크샤프트 각도에서 보여준다. 이 비교는 최솟값 부근 영역에서 약간 차이는 나지만 프로파일이 모터링 및 연소 조건에 의해 크게 영향을 받지 않는다는 것을 보여준다. 일반적으로, 두 조건 모두에서 양의 속도 프로파일은 거의 편평한 프로파일이이다.

Fig. 6

The y-component velocities vs. positions for different crank angles in the element plane of the main bore of the hot-wire air flow meter. The engine speed was 2800 rpm. (a) Under motoring condition (top), (b) Under firing condition (bottom)

메인 보어 속도 프로파일은 y-성분 최저 속도의 일부 영역을 제외하고 모터링과 연소 조건에 따라 크게 변화하지 않았다. 즉, 연소 조건에서 유동 특성은 모터링 조건의 경우와 유사하다.

3.2.2 바이패스 튜브 유동의 비교

모터링 상태에서 엘리먼트 면 속도를 4곳의 다른 바이패스 튜브 위치에서 측정하여 차이를 비교하였다. 4곳의 위치는 비이패스 원점(OB) y=0, z=0에서 x= 2.62 mm, 2.52 mm, -2.23 mm 및 -2.33 mm이다. 레이저 도플러 유속계 광학 프로브는 광학 구성에 기초하여 계산될 수 있다. 엘리먼트가 설치된 바이패스 튜브의 지름은 약 12 mm이며, 레이저 빔 렌즈의 초점거리와 반각은 450 mm와 3.18°이다. 레이저 도플러 유속계의 측정 부피 지름은 약 0.22 mm이며 길이는 약 4.0 mm이다.

Fig. 7은 엔진속도 2800 rpm, 모터링 조건에서 엔진의 크랭크샤프트 각도 변화에 대한 엘리먼트 면의 속도 프로파일을 나타낸다. 결과는 바이패스 튜브의 중심선을 따라 4곳에서 측정된 속도가 위치의 영향을 받지 않음을 보여준다. 측정은 바이패스 튜브 유동의 가장 복잡한 조건인 WOT에서 이루어졌다.

Fig. 7

Velocity vs. crank angle at 4 different locations in the element plane of the bypass tube at the engine speed of 2800 rpm

3.2.3 바이패스 튜브 출구에서의 속도

바이패스 튜브 출구 속도는 WOT, 모터링 상태의 2800 rpm 엔진속도애서 측정하였다. Fig. 8은 속도 프로피일을 보여준다. y-성분 속도는 약 –20 m/s~20 m/s 범위에서 주기적으로 크랭크샤프트 각에 따라 변화한다. 바이패스 튜브 출구의 y-성분 속도는 엘리먼트 면의 메인 보어 유동과 비교하여 최저 속도 부근에서 방향이 바뀌는 것으로 나타난다. 바이패스 튜브 출구 면의 최고 유속이 길게 유지(크랭크샤프트 각 약 90°)되는 현상과 큰 역 방향 유속은 바이패스 튜브 입구 면과 출구 면 사이의 압력 차이를 발생시킨다. 압력 차이는 바이패스 튜브 흐름을 메인 보어에 비하여 높게 만들며, 바이패스 튜브 출구의 유동 방향 변화는 튜브 내 유동 방향에는 민감하지 않은 것으로 보인다. 따라서 튜브 내 유동이 양의 방향이 유지되도록 한다. 위상은 엘리먼트 면 위치와 비교하여 왼쪽으로 약간 이동하는 것으로 보인다. 이것은 출구 영역이 바이패스 튜브 볼륨보다 엔진에 의한 유동장 변화 영향을 빨리 받는 것으로 판단된다. z-성분 속도는 속도 벡터가 위 이래로 주기적으로 변화하는 것을 보여준다.

Fig. 8

Velocity vs. crank angle in the bypass outlet plane at engine speed of 2800 rpm

3.2.4 메인 보어 유동과 바이패스 튜브 유동의 비교

공기 유량계의 주요 목적은 바이패스 튜브에서 샘플링 된 정보를 사용하여 흡기 시스템의 질량공기 유량을 측정하는 것이므로 바이패스 튜브 유속과 메인 보어 유속을 비교하는 것은 중요하다. Fig. 9는 엔진속도 2800 rpm, 모터링 조건에서 바이패스 튜브 유속과 메인 보어 유속의 비교를 보여주며, 엘리먼트 위치에서 측정된 바이패스 튜브 유속은 동일한 위치의 메인 보어 유속에 비하여 보다 높게 나타난다. 이는 바이패스 튜브 출구와 엘리먼트 위치 사이의 압력차로 설명될 수 있다. 즉, 바이패스 튜브 출구는 공기 유량계의 가장 작은 단면적 영역에 위치하며 최고 유속이 길게 유지되고 역 방향의 유속이 커서 압력이 낮게 유지된다. 주기적 패턴은 동일하며, 속도 크기는 거의 같은 범위에서 변하므로, 따라서 이 엔진속도에서 메인 보어 유속은 바이패스 튜브에 설치된 열선 센서로 측정이 가능한 것으로 판단된다.

Fig. 9

Comparison of the bypass flow velocity with the main bore flow velocity at engine speed of 2800 rpm

3.3 레이저 도플러 유속계 출력과 공기 유량계 전압 출력의 비교

레이저 도플러 유속계에 의해 측정된 속도는 순간 유동 형태를 보여줄 수 있다. 빛의 속도로 전송되는 광전자증배관(Photomultiplier tube)에 의한 산란된 빛의 감지는 매우 짧은 시간에 이루어진다. 다른 한편으로, 전류에서 전압으로 변환된 엘리먼트 신호는 엘리먼트 재료의 열적특성, 질량 및 전기회로에 사용된 재료의 특성과 같은 다양한 요소에 의존한다. 엘리먼트 출력 전압을 레이저 도플러 유속계로 측정한 속도와 비교하였다.

Fig. 10은 엔진속도 2800 rpm 조건에서 공기 유량계 출력 전압과 레이저 도플러 유속계로 측정한 속도를 비교한 것이다. 공기 유량계 출력 전압은 비교를 위해 속도 프로파일의 최대 및 최소에 맞게 스케일링 하였다. 일반적으로 공기 유량계 출력 전압은 위상차 및 저주파수 응답을 제외하고 속도 프로파일과 모양이 유사하다. 위상이 크랭크샤프트 각도 약 40°다른 것을 제외하고는 잘 일치한다.

Fig. 10

Comparison of the hot-wire air flow meter output voltage vs. crank angle with laser Doppler velocimetry measurements at engine speed of 2800 rpm