압력 릴리프밸브의 Mesh Filter 적용에 대한 실험적 연구

1. 서 론

차량에 적용되는 대표적인 동력전달 기술인 타이밍 체인 시스템은 크랭크축에서 발생하는 동력을 체인을 통하여 캠축을 가동 시키는 방식이다.¹⁾ 타이밍 체인 시스템은 체인을 비롯하여 체인 텐셔너, 스프로켓, 텐셔너 암 및 체인가이드 부품으로 구성되어 있다. Fig. 1은 기본적인 타이밍 체인 시스템의 구성을 표현한 것으로 시스템의 주요 부품인 체인 텐셔너는 유압식과 기계식 텐셔너로 구분되며 타이밍 체인의 거동과 체인장력 조절의 목적으로 유압식 텐셔너가 주로 적용된다. 엔진 오일의 압력에너지를 이용한 유압력과 스프링의 기계적 구동력으로 체인 거동을 제어하는 유압식 텐셔너는 내부에 체크밸브와 유량조절을 통해 고압실 압력을 조절하는 압력 릴리프밸브 및 벤트 디스크가 조립되어 엔진에서 공급되는 오일의 압력에너지를 이용하여 작동된다. 그리고, 체인 장력의 변화를 유발하는 크랭크 비틀림 진동과 캠 토크에 동적으로 반응하며 적절한 힘을 텐셔너 암에 전달하여 체인의 구동을 조절하고 체인이 연신 되더라도 적정한 장력을 유지할 수 있도록 제어한다. 선행된 연구 결과에 따르면, 타이밍 체인계의 장력을 결정하는 주요 부품인 텐셔너가 체인에 가하는 힘이 변화하는 경우, 체인의 장력, 진동 및 전달 오차가 힘의 증감에 따라 같은 경향으로 변화한다.²⁾ 그리고, 일반적으로 상용되는 엔진 회전 속도 범위 내에서 전술 한 인자들의 변화에 따라서 주행 중 소음 및 진동도 변화하는 경향이 보고되어 왔다.³⁾

Fig. 1

Configuration of the timing chain system

최근 자동차 엔진 기술은 연비를 개선하고 출력을 향상시키기 위한 엔진 기술로서⁴⁾ 밸브 타이밍 분야의 신기술이 적용되면서 체인시스템에 영향을 주는 엔진 크랭크 비틀림 진동과 캠 토크가 증가되는 등 체인의 안정적인 거동에 불리한 사용조건이 발생하여 비정상적인 엔진 소음 및 진동을 유발하고 있다. 이러한 환경으로 발생하는 엔진의 비정상적인 소음 및 진동을 개선하기 위하여 체인 텐셔너에 압력 릴리프밸브를 적용하는 사례가 늘고 있다. 압력 릴리프밸브는 텐셔너의 오일누설 유량을 텐셔너 내부 압력에 따라 조절하여 오일압이 상대적으로 부족한 엔진 저속 시 발생하는 이상소음을 해결할 수 있으나, 이물질로 인해 압력 릴리프밸브의 기능이 손실되면 텐셔너의 체인거동 조절기능도 손실되어 엔진에서 이상소음이 발생하는 문제가 있다. 본 논문에서는 텐셔너의 압력 릴리프밸브에 메시필터⁵⁾를 적용하여 텐셔너 및 밸브의 기능을 보호한 경험을 바탕으로 이물질과 압력 릴리프밸브 기능 간의 상관관계를 실험 결과 분석을 통해 소개하고 이물질로 인한 기능저하를 막기 위해 적용되는 필터 사양 선정에 필요한 자료를 공유하고자 한다.

2. 체인 텐셔너의 작동

유압식 체인 텐셔너는 스프링에서 발생하는 기계적 구동력과 유압 제어를 통한 유압력으로 구동되며 유량을 제어하는 과정에서 발생하는 유압에너지가 텐셔너의 주요 작동에너지 원천이다. 그래서, 엔진으로부터 공급되는 오일의 압력에 따라서 텐셔너 작동력이 변화하고 체인장력과 거동에 영향을 준다. 엔진 오일압력이 낮은 저속 조건에서는 체인 장력이 낮고 체인 거동이 증가하는 반면 오일 압이 높은 고속 조건에서는 체인장력이 증가하고 체인거동은 안정화된다. 그러므로, 엔진의 특성에 따라 텐셔너의 사양을 결정하는데 이를 텐셔너 튜닝(Tuning)이라 부르며 일반적으로 텐셔너 내부의 오일 누설량을 변화시켜 유압에너지를 적절하게 조절한다.

Fig. 2는 텐셔너 튜닝을 위한 오일 누설유량을 조절하는 방식을 나타내는 것으로 가장 단순한 튜닝방식은 텐셔너 바디 내경과 피스톤 외경의 치수차이를 통해 틈새를 조절하여 오일 누설량을 조절하는 방식이다. 이 틈새를 PB간극이라고 부르는데 관련 부품인 텐셔너 바디 보어와 피스톤 외경의 가공에 필요한 공차내역이 존재하여 이 간극을 조절하는 방식으로는 세밀한 텐셔너 튜닝을 하기에는 한계가 있다. 이 방식을 개선하기 위하여 벤트 디스크(Vent disk) 및 압력 릴리프밸브가 개발되었고, 이 부품을 통해 텐셔너 유압력의 미세한 조절이 가능하여 엔진 환경에 적절한 텐셔너 튜닝이 가능하다.

Fig. 2

Tensioner tuning by control of oil leakage flow

벤트 디스크와 압력 릴리프밸브는 머리부의 유로의 깊이, 너비 및 길이에 의하여 텐셔너의 오일 누설량을 조절한다. 유로의 치수 및 형상을 다양하게 변경하여 여러 종류의 사양을 제작할 수 있으며 이를 변경하면서 텐셔너의 유압력을 조절하여 엔진환경에 적절한 텐셔너로 튜닝할 수 있다. 단, 벤트 디스크는 오일 누설 유량이 텐셔너 내부의 압력에 따라 선형적으로 변화하기 때문에 유압력 제어에 한계가 있다. 특히, 엔진 회전속도가 낮을 경우 엔진 오일압이 낮아 텐셔너의 유압력도 체인의 거동을 제어하기에 충분하지 않을 수 있다. 이 경우 텐셔너에서 누설되는 오일 유량을 감소시키는 튜닝이 이루어져야 하는데 이를 위하여 텐셔너 바디 내경과 피스톤 외경의 틈새를 좁게 조절하기에는 부품 가공공차 적용에 한계가 있으며 벤트 디스크를 변경하여 조절하는 경우 엔진이 저속으로 작동할 때는 충분히 제어하지만 고속시에는 엔진 오일압의 상승으로 인한 텐셔너 유압력 증가가 체인장력을 급격히 증가시킬 수 있다. 이러한 이유로, 압력 릴리프밸브의 적용이 요구되는 환경이 증가되고 있다.

Fig. 3은 벤트 디스크와 압력 릴리프밸브의 유량을 텐셔너 내부 고압실 압력별로 측정한 그래프이다. 전술한 바와 같이 벤트 디스크는 압력의 증가에 따라 오일 유량이 선형적으로 증가한다. 반면에, 압력 릴리프밸브는 밸브의 개폐여부에 따라 오일유량의 크기를 조절할 수 있다. 압력 릴리프밸브는 머리부에 벤트 디스크와 유사한 형상의 유로를 갖고 있으며 몸체 내부에는 스프링과 볼을 이용한 밸브의 역할을 수행할 수 있어 엔진 오일압이 낮은 아이들 영역의 경우 텐셔너의 오일을 머리부의 유로를 통해서만 누설하여 유압력을 충분히 보유하고, 엔진이 고속으로 작동하여 오일압이 증가할 때는 압력 릴리프밸브가 열리면 텐셔너의 오일을 충분히 배출함으로써 체인장력의 급격한 상승을 방지할 수 있다. 특히, 엔진 아이들 영역에서 이상소음이 발생하는 경우, 체인 거동을 제어하는 목적으로 압력 릴리프밸브가 적용되고 있다.

Fig. 3

Oil flow of VD and PRV by tensioner HPC pressure

3. 엔진 이상소음

가솔린엔진을 개발하는 과정에서 고온아이들 시 티킹소음이 발생하였다. Fig. 4는 압력 릴리프밸브를 적용한 텐셔너와 벤트 디스크를 적용한 텐셔너를 엔진에 조립 후 엔진 티킹소음 개선효과를 확인한 소음 평가 결과이다. 압력 릴리프밸브를 적용하여 고온 아이들 시 텐셔너 유압강성을 증대시킨 결과 엔진 이상소음이 개선되었다.

Fig. 4

NVH comparison between vent disk and PRV

압력 릴리프밸브를 적용한 텐셔너가 적용된 타이밍 체인 시스템의 양산이 진행되고 판매된 차량에서 동일한 소음문제가 발생되어 원인을 파악하는 과정에서 이물질 유입으로 인한 압력 릴리프밸브의 기능저하가 문제의 원인임을 확인하였다. Fig. 5는 이상 소음 문제가 발생된 엔진에서 분해한 텐셔너의 압력 릴리프밸브 사진으로 이물질이 압력 릴리프밸브의 볼과 바디 사이에 흡착된 것을 확인할 수 있다.

Fig. 5

Contamination between ball and body of PRV

이물질이 흡착되는 위치는 압력 릴리프 밸브 바디와 볼 사이로 엔진 오일에 함유된 이물질이 릴리프 밸브의 작동 중에 볼의 개폐되는 과정에서 흡착되는 것으로 사료된다. Fig. 6은 릴리프 밸브의 단면도로 이물질의 흡착되는 위치를 확인할 수 있다.

Fig. 6

Location of contamination in PRV

압력 릴리프밸브는 텐셔너 내부의 오일압에 따라 개폐되어 누설유량을 조절함으로써 텐셔너가 적절한 힘을 낼 수 있도록 조절하는데 Fig. 5처럼 이물질이 볼과 바디사이에 흡착되면 볼이 닫히지 않아 텐셔너 유압강성이 낮아진다. 이상 소음이 발생한 엔진은 고온 아이들 시 발생한 소음문제를 텐셔너의 유압강성 증대를 통해 개선하였으나 이물질 유입으로 인해 압력 릴리프밸브의 기능이 상실되고 텐셔너 유압강성이 감소함에 따라 소음이 발생하였다. Fig. 7은 이상소음이 발생한 엔진에서 분해한 텐셔너 내부의 압력 릴리프밸브에 흡착된 이물질의 크기를 측정한 결과로 다양한 크기의 이물질이 압력 릴리프밸브의 기능에 영향을 줄 수 있다는 것을 보여준다.

Fig. 7

Contamination size between ball and body on issued PRV

4. 압력 릴리프밸브용 필터의 개발

4.1 이물질에 따른 압력 릴리프밸브 기능 변화

이물질이 흡착되면 압력 릴리프밸브의 유량 조절기능이 어떻게 변화하는지 실험을 통해 확인하였다. Fig. 8은 이물질 대신 철계 강선을 압력 릴리프밸브에 삽입하여 압력에 따른 유량 변화를 측정한 결과이다.

Fig. 8

Flow test results simulating PRV contamination issue by using of steel wire

실제 이물질이 압력 릴리프밸브에 흡착된 상황을 모사하기 위하여 직경이 다른 철계 강선을 압력 릴리프밸브에 삽입하여 유량을 측정한 결과 저압 시 누설유량이 증가하여 고유량 벤트 디스크와 비슷한 수준까지의 기능저하를 확인할 수 있었다. 특히, 직경이 0.25 mm 이하일 경우 압력 릴리프밸브 볼의 개폐영향으로 저압유량보다 고압유량이 급격히 증가되지만 0.36 mm이상에서는 오일압력에 따라 유량이 선형적으로 증가하는 벤트 디스크와 유사한 기능을 하고 있다. 그리고, 직경이 0.10 mm 이하에서는 저압 누설유량이 증가하지만 압력 릴리프밸브의 기능이 어느정도 유지되고 있어, 필터 개발을 위한 초기사양으로 메시 공극면적을 0.1 × 0.1 mm로 선정하였다.

4.2 필터의 재질 및 구조

압력 릴리프밸브의 이물질 문제를 개선하기 위하여 밸브 오일 유입구에 필터 적용을 결정하였다. 해외의 다른 텐셔너는 텐셔너의 오일유입구 앞에 스크린 필터를 설치하여 이물질 문제를 개선하였으나, 텐셔너 내부에 존재하는 이물질의 유입을 막을 방법이 없어 필터의 위치를 압력 릴리프밸브 오일 유입구 바로 앞으로 선정하였다. Fig. 9는 필터의 형상과 압력 릴리프밸브 바디 및 벤트캡 형상을 나타낸 것이다.

Fig. 9

Shape of PRV vent cap, body and filter

스텐레스 스틸 강선으로 구성된 필터 메시는 이중 사출 공정을 통하여 필터 프레임에 고정된다. 그리고, 압력 릴리프밸브 양끝단에 요철 형상을 적용하여 필터와 벤트 캡은 조립되고 특수 공구 및 외력의 적용없이 분리되지 않는다. 필터프레임은 벤트캡과 동일한 엔지니어링 플라스틱으로 제작되었고, 고온의 엔진오일을 이용한 기능 및 내구 평가를 통해 부품의 변형이나 이상여부를 확인하였다.

필터 메시는 이물질의 흡착을 최소화하기 위하여 반구형 구조로 설계하였으며 압력 릴리프밸브의 오일 유입면적의 감소로 인한 압력강하를 방지하기 위하여 면적계산을 통하여 크기를 결정하였다. Fig. 10은 필터 메시의 형상을 나타낸 것으로 투영기를 통해 최소 공극 면적을 측정하고 메시수를 곱한 면적이 압력 릴리프밸브 유입구보다 크게 설계하였다.

Fig. 10

Shape of filter mesh

4.3 필터 메시 공극면적의 결정

철계 강선을 압력 릴리프밸브에 삽입하여 유량 시험을 진행한 결과 최소한의 기능 유지를 위하여 메시 공극면적이 최대 0.1 × 0.1 mm로 판단되어 필터 개발 목표사양으로 선정하고 시제품을 제작하여 기능평가 및 내구 평가를 진행하였다. 내구평가는 텐셔너 내부에 0.4 mm 크기의 철계 이물질을 0.5 g 삽입하고 텐셔너 내부의 압력을 1천만회 변화시켜 이물질이 포함된 오일이 필터 메시에 주는 영향을 확인하는 방식으로 진행하였다. Fig. 11은 최초 내구시험 고품 사진으로 시험이 완료된 후 필터 메시의 대부분이 파손되어 이물질과 함께 배출되었다.

Fig. 11

Contamination for durability and mesh broken after tensioner durability test

일반적으로 필터 메시의 공극면적은 규격집에서 선택할 수 있으며 스텐레스 강선의 직경과 상관관계를 갖고 있다. 즉, 메시 공극면적을 축소하기 위해서는 강선의 직경도 축소하여야 한다. 강선의 직경은 필터의 내구성과 직접적인 관련이 있어 내구성을 증대하기 위해서는 강선의 직경을 증가시켜야 한다. 결론적으로, 메시 공극면적을 결정하기 위해서는 내구평가를 진행하여 적절한 강선 직경을 선정하고 그 강선을 이용하여 제작할 수 있는 필터 메시 사양 중 최소 크기를 선정하는 것이 가장 적합하다.

부품 내구성능을 만족하기 위하여 다양한 강선 직경을 이용하여 필터 메시를 제작하고 텐셔너 내구시험을 진행하였다. Fig. 12는 강선 직경과 메시 공극면적의 최적화를 위하여 진행한 내구시험의 결과이다.

Fig. 12

Filter mesh opening size decided after tensioner durability test

필터 메시 공극면적과 상관없이 스텐레스 강선의 직경이 작으면 메시의 파손이 발생하였다. 그래서, 내구 시험 결과를 바탕으로 최소 스텐레스 강선사양을 선정하고 이 강선을 이용하여 제작할 수 있는 최소 메시 공극면적을 선정하였다. 그리고, 추가의 내구 시험을 통해서 선정된 사양의 검증을 진행하였다. Fig. 13은 추가로 진행한 내구시험이 완료된 고품의 사진으로 필터 메시의 파손 및 변형이 발생하지 않았다.

Fig. 13

Return hardware after tensioner durability test with contamination – 107 cycle

일반적으로 1천만회의 압력변화를 가하는 텐셔너 내구시험을 5회이상 반복하고 필터의 내구성능에 문제가 없음을 확인하였으나, 부품 신뢰성 확보를 위하여 압력변화의 횟수를 1억회로 증가하여 내구시험을 반복하였으며, 시험 결과 필터의 내구성능의 저하는 없었다. Fig. 14는 추가의 내구시험이 완료된 고품의 사진이다.

Fig. 14

Return hardware after tensioner durability test with contamination – 108 cycle

5. 결 론

엔진 타이밍 시스템의 구성부품인 텐셔너의 압력 릴리프밸브에 필터를 적용하여 이물질 유입을 방지한 결과 엔진 이상소음 문제를 해결하였다. 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

• 1) 압력 릴리프밸브는 오일압이 낮은 영역에서 유압력을 보유하고, 오일압이 증가할 때는 오일을 충분히 배출함으로써 체인장력의 급격한 상승을 방지할 수 있다.
• 2) 엔진 아이들 영역에서 이상소음이 발생하는 경우, 체인 거동을 제어하는 목적으로 압력 릴리프밸브가 적용되고 있고 이를 통해 이상소음을 개선할 수 있다.
• 3) 압력 릴리프밸브의 볼과 바디 사이에 이물질이 흡착되어 기능 저하가 발생하면 텐셔너의 유압강성이 낮아져 체인 거동을 적절하게 제어할 수 없다.
• 4) 필터 메시 공극면적은 스텐레스 강선의 직경과 선형적인 상관관계를 갖고 있다.
• 5) 필터 메시를 구성하는 스텐레스 강선의 직경이 필터 메시 공극면적보다 필터의 내구성에 큰 영향을 준다.
• 6) 메시 공극면적을 결정하기 위해서는 내구평가를 진행하여 적절한 강선 직경을 선정하고 그 강선을 이용하여 제작할 수 있는 필터 메시 사양 중 최소 크기를 선정하는 것이 가장 적합하다.

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