제로터 오일펌프의 캐비테이션 특성에 대한 연구

1. 서 론

지구온난화 가속화 이슈로 인하여, 차량과 관련된 환경규제가 지속적으로 강화되고 있다. 따라서 자동차 업계는 차량 연비 개선을 위한 많은 연구를 진행하고 있다. 최근에는, 엔진 보조 장치의 손실 감소를 위한 경량화 및 형상 최적화 등의 연구가 진행되고 있으며, 특히, 엔진 윤활회로의 오일펌프와 관련된 연구가 활발히 진행 중에 있다.^1-3) 제로터 오일펌프는 엔진 윤활 회로에 윤활유를 공급하는 용적식 펌프로 사용되는 환경 조건에 큰 영향을 받지 않고 안정된 유량을 공급한다는 장점으로 윤활용 오일펌프로 많이 사용되고 있다.⁴⁾ 제로터 오일펌프는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 내측로터와 외측로터 사이의 챔버가 회전축이 회전함에 따라 체적이 변하게 된다. 이때 발생한 체적변화에 의한 압력차로 오일을 흡입 및 토출을 하게 되며, 이 과정을 반복하여 엔진에 마찰이 발생하는 곳으로 오일을 공급하게 된다.^5-7) 제로터 오일펌프는 펌프 회전속도가 증가할수록 챔버 내부 캐비테이션의 발생량 증가하여 체적유량 및 체적효율을 감소시키게 된다. 체적유량 감소 시 윤활유의 공급 부족으로 인한 엔진 및 각종 윤활이 필요한 부품에 손상이 발생하게 된다. 또한, 캐비테이션 기포가 소멸하는 과정에서 고압의 충격파가 발생하여 소음 및 진동을 발생시키고, 금속면을 침식 시켜 펌프 내구성을 저하 시킨다.²⁾ 따라서 오일펌프 연구개발 초기 단계에서 펌프의 작동 성능 및 캐비테이션이 발생하는 시점과 작동조건을 파악하는 것이 중요하다.^2,8,9) Buono 등¹⁾과 Harrison 등¹⁰⁾은 GT-SUITE를 이용한 1D 해석과 실험의 일치성을 입증하였고, 해석을 통하여 펌프 성능 예측 연구를 진행하였다. Yoo¹¹⁾는 AMESim을 이용한 1D 시뮬레이션과 실험 결과의 유사성을 입증 진행하였고, Altare 등¹²⁾은 AMESim을 이용한 1D 시뮬레이션과 ANSYS를 이용한 3D 시뮬레이션, 실측 실험의 체적유량 결과의 유사성을 검증하였다.

Fig. 1

Schematic of oil pump

본 연구에서는 해석과 실험을 병행하여 해석의 신뢰도를 확보하고, 신뢰도가 확보된 해석 모델을 바탕으로 제로터 오일펌프의 다양한 조건으로 해석을 진행하였다. 실험과 해석을 진행하면서 오일의 온도가 높을수록 캐비테이션의 발생이 억제되는 현상을 발생하였다. 보통 캐비테이션은 유체의 온도가 높을수록 발생 확률이 높아지나, 반대되는 특성이 발생하여 캐비테이션 발생에 대한 분석을 수행하고자 하였다.

2. 본 론

2.1 실험 방법 및 해석 모델

본 연구에서 사용된 제로터 오일펌프는 K사의 디젤 4기통, 배기량 2,300 cc 제원의 트랙터 엔진을 대상으로 하였다. 펌프가 주로 사용되는 회전속도는 1,200 ~ 3,000 RPM이다. 제로터 오일펌프의 해석에 대한 신뢰도를 확보하기 위해 해석과 동일한 조건으로 실험을 진행하였다. 실험 장치는 Fig. 2에서 보는 바와 같이 구성되었으며, 오일펌프에서 토출되는 오일의 유량 및 압력을 Fig. 3과 같은 계측장치로 측정하였다. 해석 모델은 Fig. 4와 같이 상용 1D 해석 프로그램인 GT-SUITE를 이용하여 모델링과 해석을 수행하였고, 실험과 해석의 결과 값을 비교하기 위해 Table 1과 같이 실험과 해석 조건을 동일하게 적용하였다.^13,14)

Fig. 2

Oil pump test device

Fig. 3

Data logger and controller

Fig. 4

Oil pump 1D model

Table 1

Test and analysis condition table

2.2 실험 및 해석 결과

동일한 조건에서 진행된 실험 및 해석의 체적유량 비교 결과, Fig. 5에서 보는 바와 같이 펌프 회전수의 전체 구간에서 체적유량의 평균 오차율은 약 0.17 %로 해석에 대한 신뢰도가 확보되었다고 판단하였다. 신뢰도가 확보된 해석 모델로 추가 변수에 대한 해석을 진행하였다.

Fig. 5

Pump outlet volume flow rate of 1D result and test

펌프 출구의 압력맥동 해석결과는 Fig. 6과 같으며, x축은 펌프 내측 로터 기준으로 1회전 각도이다. 실험에서 맥동의 측정은 2° 간격으로 측정되었으며, 해석에서 맥동의 측정은 1° 간격으로 측정되었다. 1,400 RPM의 경우 캐비테이션 발생이 적어 실험 결과와 해석 결과가 매우 근사하였다. 2,000 RPM 이상의 구간부터 압력 맥동이 급격히 상승하는 현상이 발견되었다. 또한, 펌프 회전수가 증가할수록 펌프 출구 압력 맥동에서 압력이 급격히 상승하는 구간의 최대압력과 최소압력의 차이가 증가하였다. 이러한 압력변동은 챔버 내부의 캐비테이션 발생과 소멸에 관련이 있다. 실험에서는 해석과 달리 압력 맥동이 급격히 상승하는 현상이 발견되지 않았다. Fig. 5에서 실험과 해석 결과 모두 3000 RPM 이후 구간에서 유량이 더 이상 상승하지 않는 것을 확인할 수 있다. 또한 Fig. 6에서 실험과 해석의 압력 맥동 곡선의 형태가 유사한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 따라서 실험의 압력 센서 설치 위치에서는 압력의 피크가 완화되어 측정을 하지 못하는 것으로 판단되며, 이로 인해 실험과 해석의 압력 맥동 차이가 발생하는 것으로 판단된다.

Fig. 6

Pump outlet pressure pulsation comparison

해석에서 캐비테이션은 GT-SUITE 프로그램에서 Equilibrium 모델로 계산하였으며, 계산 체적 내의 압력이 증기압 이하로 떨어지면 캐비테이션이 일어나 액체와 기체가 혼합된 상태가 되는 것으로 간주한다. 이때의 액체 증기 압력은 식 (1)과 같이 Clausius-Clapeyron 방정식을 통합하여 온도의 함수로 결정된다.¹⁴⁾

$\[ P-P_{ref}={\int }_{T_{ref}}^T \frac{dP}{dT}dT \]$

(1)

where P : pressure of liquid (Pa)
P_ref : reference pressure (Pa)
T : temperature of liquid (K)
T_ref : reference temperature (K)

Fig. 7은 챔버 내부의 캐비테이션 체적 비율을 확인한 결과이며, 위 식으로 계산된 캐비테이션이 챔버 내부에서 차지하는 비율을 나타낸다. 해석 결과, 펌프 회전수 2,000 RPM 이상부터 펌프 회전수가 증가함에 따라 챔버 내부 캐비테이션 체적 비율이 점차 증가하는 것을 확인하였다.

Fig. 7

Chamber internal cavitation volume fraction

펌프 출구의 압력 맥동에서 펌프 회전수 2,400 RPM 이상의 작동 조건일 때, 캐비테이션이 많이 발생되는 것을 확인하였다. 이때, Fig. 8에서 보는 바와 같이 펌프 출구의 압력 맥동의 압력이 급격히 상승하는 구간에서 챔버 내부 캐비테이션 체적 비율이 소멸하는 것을 확인하였다. 이를 통해, 챔버 내부에 생성된 기포가 소멸하는 과정에서 발생하는 고압의 압력파가 압력이 급격히 상승하는 요인임을 확인하였다.

Fig. 8

Chamber internal volume fraction and pump outlet pressure pulsation

2.3 해석 변수에 따른 결과 비교

실험과 해석의 비교를 통하여 신뢰도가 확보된 1D 모델을 온도를 변수로 추가 해석을 진행하였다. 작동유체의 온도 범위는 60 ~ 120 ^oC로 20 ^oC 간격으로 해석을 진행하였다. Fig. 9에서 보는 바와 같이 작동유체 온도가 60, 80 ^oC의 조건일 때, 3,000 RPM 이상의 고회전 구간에서 캐비테이션의 발생으로 인하여 펌프 성능이 급격히 감소하는 것을 확인하였다. 챔버 내부 캐비테이션 비율은 작동유체의 온도가 낮을수록, 펌프 회전수가 높을수록 증가하였다.

Fig. 9

The pump performance according to temperature change

일반적으로 캐비테이션은 유체의 온도가 상승할수록 발생 확률이 높아지나, 실험과 해석에서는 반대되는 특성이 발생하였다. 온도가 낮을수록 캐비테이션 체적이 증가함을 확인하기 위하여, 온도에 따른 점성의 변화를 확인하였다. Fig. 10에서 보이는 바와 같이 작동유체의 해석 온도 범위 구간인 60 ^oC와 120 ^oC의 온도조건에서 점성계수는 약 5.6 배 차이가 발생한다. 확인을 위하여 온도에 따라 변화하는 점성과 일정한 점성 값의 비교 해석을 수행하였다.

Fig. 10

Dynamic viscosity of oil 15W40

해석에 사용된 오일의 물성은 Table 2와 Table 3에서 보는 바와 같이 적용하였다. 해석에 사용된 펌프 회전수는 2,800 RPM으로 적용하였으며, 입구 압력은 1 bar, 출구 압력은 3 bar로 적용하였다.

Table 2

Properties of normal SAE-15W40

Table 3

Properties of SAE-15W40 with fixed viscosity value

점성계수를 고정한 경우와 온도에 따라 변화하는 점성을 적용한 해석결과를 Fig. 11에 나타내었다. 점도가 온도의 함수일 경우, 챔버 내부 캐비테이션 체적이 오일의 온도가 증가할수록 큰 폭으로 감소하였다. 점도를 고정한 경우, 챔버 내부 캐비테이션 체적 비율의 변화가 미소하게 감소하는 것을 확인하였다. 이는 유체 온도가 감소함에 따라 점도가 높아지고, 유체의 흡입구간에서 캐비테이션 발생비율이 증가하는 것으로 판단된다. 엔진오일의 경우, 온도에 따른 점도 변화가 캐비테이션 발생에 상대적으로 큰 영향을 미치는 것으로 사료된다.

Fig. 11

Analysis of the results of simulations using normal oil properties and using fixed viscosity oil properties

3. 결 론

본 연구에서는 제로터 오일펌프를 실험과 해석을 병행하여 해석 결과의 신뢰도를 확보하였다. 신뢰도가 확보된 1D 시뮬레이션을 통하여 제로터 오일펌프의 캐비테이션 발생을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

• 1) 제로터 오일펌프의 1회전 시 펌프 회전속도 1,400 RPM 이하 구간에서는 압력 맥동이 안정적이나, 2,000 RPM 이상 구간부터 펌프 출구 압력 맥동에서 압력 맥동이 급격히 상승하는 현상을 확인하였다. 이는 캐비테이션 발생으로 기포의 생성과 소멸 과정에서 생긴 압력파의 영향으로 판단하였다.
• 2) 제로터 오일펌프에서 3,000 RPM 이상의 고회전 구간에서 60 ^oC, 80 ^oC일 때 캐비테이션의 발생은 펌프 성능 감소에 주요 인자임을 확인하였다. 또한 챔버 내부 캐비테이션 체적 비율은 오일의 온도가 낮을수록, 펌프 회전속도가 높을수록 증가하였다. 유체 온도가 감소함에 따라 점도가 높아지고, 유체의 흡입구간에서 캐비테이션 발생비율이 증가하였다. 본 연구에서 사용된 엔진오일의 온도에 따른 점도 변화가 캐비테이션 발생에 상대적으로 큰 영향을 미치고 있는 것으로 판단된다.

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