정상유동 장치에서 유동 특성 평가 방법에 대한 연구(5) - 평가위치의 영향

3.1 ISM 평가

ISM에 의한 유동평가 결과를 Fig. 3, 4에 제시하였는데, Fig. 3은 측정위치 1.75 ~ 6.00B의 각 위치별로 스월계수(N_r, Non-dimensional rig swirl)를 나타낸 것이고, Fig. 4는 동일한 결과를 밸브각도별로 나타낸 것이다.

Fig. 3

Non-dimensional rig swirl as a function of non-dimensional valve lift according to evaluation position (ISM)

Fig. 4

Non-dimensional rig swirl as a function of non-dimensional valve lift according to intake valve angle (ISM)

Fig. 3(a)의 1.75B에서, 리프트 증가에 따른 스월계수의 변화는 밸브각도에 따라 매우 상이하게 나타나지만, 전체적으로 0.05 ~ 0.20 부근에서 일정한 수준을 유지하다가 그 이후 증가한다.

V/A 11°는 초기에 급격히 상승하지만 이후 일정 수준을 유지한다. 무차원 리프트 0.20을 지나 급격히 증가한 후 다시 서서히 증가한다.

16° ~ 26°는 11°와 달리 리프트 0.05 근방까지 직선적으로 급격히 증가하는데, 이후 밸브각도에 따라 변화의 형태가 달리 나타난다. 16°는 리프트 0.10부터 0.20 이후까지 거의 동일한 수준을 유지하다가 이후 11°보다 더 높은 리프트부터 직선적으로 증가한다. 21°는 0.05 이후 소폭의 증가와 감소가 교차하다가 0.15이후 계단식으로 증가하는 특성이 있다. 26°는 0.05 이후 최솟값에 도달하고 0.15를 기점으로 직선적으로 증가하며 0.25 이상에서는 일정 수준을 유지한다.

Fig. 3(b)의 3.00B에서, 전체적으로 스월계수가 낮아지지만 변화의 형태는 1.75B와 유사하고, 밸브각도에 따라서 몇 가지 변화가 나타난다.

우선 Fig. 4(a)의 11°를 보면, 여전히 초기에 스월계수가 급격히 올라가지만, 1.75B와 달리 이후 리프트 상승에 따라 거의 직선적으로 상승한다. 이러한 변화는 밸브리프트가 낮은 곳에서 하락 폭이 크고 0.15 이후 감소가 적거나 거의 없어 나타났다.

16°도 전체적으로 스월 계수의 변화 형태는 1.75B와 유사하지만, 전 리프트에 걸쳐 약간 낮아졌다. Fig. 4(b)를 참조하면 11°와 같이 리프트 0.20 이하에서 스월계수의 하락이 상대적으로 더 크다.

21°를 나타낸 Fig. 4(c)를 보면 11°, 16°와 달리 3.00B로 가면서 전체 리프트에 걸쳐 스월계수가 감소함을 알 수 있고, Fig. 4(d)에 나타낸 26° 역시 전체 밸브리프트에 걸쳐 스월이 낮아지지만, 스월이 낮은 중간 리프트 0.10 ~ 0.20에서의 감소량이 적다.

4.50B위치(Fig. 3(c))에 도달하면, 스월계수는 3.00B보다 더 낮아지고, 1,75B에 비해 밸브각도별로 리프트에 따른 형태의 변화도 더 단순해지며 밸브각도 사이의 차이도 감소한다.

11°의 경우(Fig. 4(a)) 초기의 급격한 스월 상승이 크게 줄어들고 동시에 리프트 증가에 따라 스월의 증가도 거의 직선적이다. 1.75B에 비해서 중간리프트를 제외한 낮은 리프트와 높은 리프트에서의 감소가 크고, 3.00B와 비교하면 높은 리프트에서의 감소가 두드러진다.

밸브각도 16°(Fig. 4(b))는 3.00B와 4.50B 사이에서 형태상의 차이가 거의 없고 스월계수만 소폭 감소한다. 따라서 11°, 16°의 경우 낮은 리프트에서의 스월은 크게 감소하고 중간 리프트에서의 스월은 동일 수준이거나 소폭 감소하여 대체적으로 직선적인 증가의 경향으로 변화되고 있다.

Fig. 4(c)와 Fig. 4(d)의 21°, 26°는 16°과 같이 측정 평면 이동에 의한 효과는 스월 형태 변화로 나타나지 않는다. 다만 21°는 전체 리프트에 걸쳐 소폭 낮아지고, 26°는 리프트 0.20 이후 스월계수의 하락폭이 크다.

마지막으로 Fig. 3(d)에 도시한 6.00B에 도달하면 4.50B와 유사한 형태이지만 전체적으로 스월계수가 낮아지고 밸브각도 간의 차이는 줄어들어 리프트에 따른 직선적 증가 경향이 두드러진다.

Fig. 4(a)의 11°의 경우 초기의 급격한 스월 증가 현상은 거의 관찰되지 않고 리프트 증가에 따라 스월이 직선적으로 상승하는데, 4.50B에 비해 스월이 낮으며 높은 리프트에서 스월 감소가 커서 리프트 0.25 이후 거의 포화된 형태를 보인다.

Fig. 4(b)와 Fig. 4(c)에 나타낸 16°와 21°는 4.50B에 비해 전 구간에서 스월이 약간 감소한 수준이지만 0.25 이후 높은 리프트에서 스월이 크게 감소하여, 특히 21°의 경우 0.15 이후 직선적 증가 경향이 뚜렷해진다.

26°는 Fig. 4(d)에 나타나 있듯이 4.50B보다 스월이 약간 낮은 수준을 유지하고 있다.

ISM 측정에 의한 스월계수의 변화를 요약하면, 측정위치가 하류로 갈수록 꾸준히 스월계수는 감소하고 리프트 변화에 따른 스월 변화의 형태가 단순해지며 직선적 증가의 경향이 두드러진다. 밸브각도에 따라서는 스월의 형태가 단순해지거나 감소폭이 큰 위치 및 리프트가 서로 달리 나타난다.

3.2 PIV 평가(실린더 중심)

다음으로 PIV 측정을 토대로 식 (2) ~ 식 (4)의 과정을 거쳐 평가한 스월계수의 특성을 살펴본다. 이 평가 방법의 가정은 ISM 평가에 대응한다.

Fig. 5(a)에 나타낸 1.75B 위치에서 평가한 스월계수를 ISM 결과와 비교하면, 전체적으로 스월계수가 ISM 보다 매우 낮게 나타나고 있다. 그리고 리프트 0.05 ~ 0.20사이에서 대체로 스월계수가 일정수준을 유지하는 것은 ISM 평가와 일치한다. 그러나 주목해야 할 현상은 밸브각도에 따른 특성인데, ISM 평가와 달리 26°의 경우 현저히 낮은 수준을 유지하고, 그 밖의 밸브각도들은 각도에 따른 차이가 거의 없다는 것이다.

Fig. 5

Non-dimensional rig swirl as a function of non-dimensional valve lift according to evaluation position (PIV, cylinder center base evaluation)

3.00B 위치에서의 평가 결과인 Fig. 5(b)를 보면, 리프트 변화에 따른 전체적인 변화 형태는 1.75B와 유사하지만, 리프트 0.20이후 스월계수가 증가하였다.

밸브각도별로 살펴보면, Fig. 6(a)의 11°의 경우 위치가 3.00B로 이동하면서 리프트 0.20 이후 계수가 0.1정도 일정수준 증가한다. 16°와 21°(Fig. 6(b), Fig. 6(c))는 11°보다 더 높은 리프트에서 증가하는 공통점이 있다. 16°는 리프트가 높을수록 증가폭이 더 큰 반면, 21°는 증가폭이 11°에서와 같이 일정하다. 마지막으로 26°는 다른 밸브각도와 같이 평가위치가 하류로 가면서 증가하지만 증가가 시작되는 리프트가 다른 각도보다 낮다.

Fig. 6

Non-dimensional rig swirl as a function of non-dimensional valve lift according to intake valve angle (PIV, cylinder center base evaluation)

Fig. 5(c)의 4.50B 위치에서, 스월계수의 변화는 여타 위치와 매우 다른 특성을 보여준다. 즉 26°의 리프트 0.25 근방을 제외하면 밸브각도에 관계없이 리프트 별 스월계수가 거의 일치한다.

4.50B로 이동하면서 발생한 스월계수의 변화를 보면, Fig. 6(a)에 나타낸 11°는 특이하게 위치 변화에 따른 스월계수의 변화가 나타나지 않는다. Fig. 6(b)의 16°는 리프트 0.1 이후로 일정한 폭의 증가를 보여주고 있으며, Fig. 6(c)의 21°는 3.00B와 같이 리프트 0.20 이후에만 증가한다. 26°(Fig. 6(c))도 3.00B에서와 같이 리프트 0.10 이후 증가한다.

마지막으로 6.00B(Fig. 5(d))에서는 이전의 위치와 매우 다른 결과가 관찰된다. 먼저 ISM 평가에서는(Fig. 3(a)) 이 위치에서의 밸브각도에 따른 스월계수의 차이가 줄어들고 대체로 리프트에 따라 스월 계수는 직선적으로 증가한다. 그러나 PIV 평가에서는 밸브각도에 따라 상당히 다른 형태가 나타나고 특히 밸브각도가 작을수록 다른 위치에 비해 큰 폭으로 증가되어 있다.

Fig. 6(a)에서 11°의 경우 전체 리프트에 걸쳐 다른 측정위치보다 매우 큰 폭으로 스월계수가 증가하고 특히 리프트가 높을수록 증가 폭이 크다. Fig. 6(b)에 나타낸 16°에서는, 11°와 달리 스월계수는 리프트 0.20 이후에 증가하고, 이어서 21°(Fig. 6(c))에서는 가장 높은 리프트에서만 상승한다. 26°는 매우 다른 특성을 나타내는데, 리프트 0.20 ~ 0.25 사이에서만 소폭 증가한다.

PIV 측정을 기반으로 실린더 중심에서 스월을 평가할 때 측정위치에 따른 스월계수의 변화는, 측정위치가 하류로 갈수록 ISM 평가와 달리 대체로 스월계수는 증가하고 증가폭은 리프트가 높을수록 크다. 밸브각도의 영향은 측정위치가 하류로 이동함에 따라 각도가 작을수록 더 낮은 리프트에서 증가가 시작되고 증가폭도 더 크다. 속도분포를 논의한 이전 연구^10,11)의 결과를 보면 참조하면 실린더 중심 평가에서 하류로 갈수록 스월이 증가하는 것은 전적으로 속도분포가 이상적 분포에 접근하기 때문이다.

3.3 PIV 평가(스월 중심)

Fig. 7과 Fig. 8은 PIV 측정값을 이용해 스월 중심을 기준으로 평가한 스월계수를 나타낸 것이다. 이 방법에서는 실린더 중심과 스월 중심의 차이인 편심의 영향이 고려된다. 편심의 효과와 축 방향 속도 분포의 효과가 동시에 나타나는 경우는 후속 논문에서 논의하도록 한다.

Fig. 7

Non-dimensional rig swirl as a function of non-dimensional valve lift according to intake valve angle (PIV, swirl center base evaluation)

Fig. 8

Non-dimensional rig swirl as a function of non-dimensional valve lift according to evaluation position (PIV, swirl center base evaluation)

측정 위치 1.75B에서 평가 결과(Fig. 7(a))는 실린더 중심 평가(Fig. 5(a))와 대체로 유사한 형태를 가지고 스월계수는 증가하는데, 밸브각도 11°와 26°의 값이 실린더 중심 평가보다 상당히 높게 나타난다. 이러한 증가는 편심과 속도분포의 효과가 동시에 작용한 결과이다.

속도분포를 논의한 이전 연구^10,11) 결과를 참조하면, 이 위치에서 편심도가 매우 높은데, 특히 26°의 경우 매우 낮은 리프트를 제외하면 0.6 수준에 이르고, 11°도 높은 리프트에서 0.4 ~ 0.5 정도로 높다. 한편 반경 방향의 속도분포는 실린더 중심 기준보다는 이상적 분포에 조금 접근하지만 밸브각도에 따라 달리 나타난다. 이 두 가지가 요소를 동시에 고려하고 이전 논문에서 논의한 속도분포를 참조하면 11°는 속도분포가 더 지배적이고 26°는 편심의 영향이 큰 것으로 판단된다.

16°과 21°에서의 증가도 동일한 체제가 작용하였는데, 11°에서와 같이 속도분포의 영향이 더 크다. 21°의 경우 편심이 다른 각도보다 적어 스월 증가 효과가 줄어들었다.

Fig. 7(b)의 3.00B 위치에서 스월계수의 특성은 1.75B와 유사하지만 대체로 높은 리프트에서 소폭 증가한다. 실린더 중심과 비교하면 26°에서의 증가가 두드러지고 동시에 다른 밸브각도는 거의 동일한 수준을 유지한다. 증가의 형태를 밸브각도 별로 살펴보면 다음과 같다.

Fig. 8(a)를 보면, 11°의 경우 평가위치가 1.75B에서 3.00B로 이동하며 높은 리프트에서만 소폭 증가한다. 이것은 3.00B에서 속도분포 상태가 실린더와 스월 중심과 비교해 개선 폭이 크지 않아 이에 의한 효과는 미미하고, 편심에 의한 효과가 주로 나타난 것이다. 그런데 편심도도 3.00B에서는 높은 리프트에서 0.2 정도로 크지 않아 스월이 소폭 증가하였다.

16°는 Fig. 8(b)에서 관찰되듯이 낮은 리프트에서는 오히려 소폭 감소하고 높은 리프트에서는 소폭 증가하거나 동일한 수준이다. 이것은 3.00B 위치에서 16°의 편심도가 낮은 리프트에서 크게 감소하여 이에 의한 감소 효과가 속도분포 개선에 의한 스월 증가효과보다 크기 때문이다. 높은 리프트에서는 다시 편심도가 증가하여 스월 감소 효과가 줄었는데, 가장 높은 리프트에서 속도 분포의 개선 효과가 거의 없기 때문에 동일 수준을 나타내었다.

Fig. 8(c)의 21°는 낮은 리프트에서는 1.75B와 동일 수준이지만 높은 리프트에서 증가폭은 16°보다 크다. 낮은 리프트에서는 편심 감소에 의한 스월 감소와 분포 개선에 의한 증가 효과가 상쇄되고, 높은 리프트에서는 편심 증가 효과와 속도 분포 개선이 동시에 스월 증가 효과를 유도하였다.

Fig. 8(d)의 26°는 리프트 0.25 이하에서는 1.75B와 동일하거나 낮고, 최고 리프트에서만 스월이 증가한다. 이것은 위치가 3.00B로 이동하며 편심도가 크게 줄어 스월 감소의 효과가 속도 분포 개선에 의한 증가 효과가 서로 상쇄되고, 최고 리프트에서는 분포 개선 효과가 매우 커서 편심 효과를 극복한 것이다.

측정위치가 4.50B(Fig. 7(c))가 되면 11°를 제외하고 리프트가 높은 곳에서의 스월 증가가 두드러진다.

11°를 나타낸 Fig. 8(a)를 보면, 리프트 0.20 이후 스월이 소폭 증가하는데, 낮은 리프트에서는 편심의 감소가 속도분포 개선보다 크게 나타났고, 높은 곳에서는 편심이 증가하였기 때문이다.

16°(Fig. 8(b))에서는 전체적으로 스월이 증가하고 특히 높은 리프트에서 증가가 현저하다. 이는 전체 리프트에 걸쳐 속도 분포가 개선되고 편심도 증가하였기 때문이다.

21°(Fig. 8(c))에서는 높은 리프트에서 스월이 증가한다. 이 위치에서 편심도는 3.00B과 유사한 수준인데, 예외적으로 리프트 0.18에서만 현저히 낮다. 동시에 리프트가 낮을 때는 속도분포 개선 효과가 크지 않고 높은 리프트에서는 분포가 개선된다. 이 효과가 작용하여 높은 리프트에서만 소폭 스월이 증가한다.

26°의 경우(Fig. 8(d)) 21°와 유사하게 높은 리프트에서만 스월이 증가하지만, 최고 리프트에서 증가가 특히 크게 나타난다. 이것은 전체적으로 속도분포는 개선이 되지만 편심도가 3.00B보다 낮아 낮은 리프트에서는 두 효과가 서로 상쇄되고, 예외적으로 최고 리프트에서 속도분포 개선이 상대적으로 크고 편심도도 3.00B거의 같기 때문이다.

마지막으로 평가위치 6.00B에서는 실린더 중심 평가에서와 같이 매우 극적인 변화가 발생한다. 즉 전체적으로 스월이 상승하며 밸브각도 간의 차이가 증가하는데, 그 차이는 실린더 중심 평가보다는 작다.

11°(Fig. 8(a))는 리프트 0.10 이후 크게 스월이 증가하는데, 이 위치에서 낮은 편심도를 고려하면 주로 속도분포 개선에 의한 효과가 스월 증가를 유도하였다.

16°(Fig. 8(b))는 리프트 0.18 이후 스월이 증가하는데, 이 리프트 구간에서 편심도가 작으므로 이 역시 속도 분포 개선에 의한 효과가 크다. 낮은 리프트에서는 편심이 감소하여 속도분포 개선 효과를 상쇄하였다.

21°(Fig. 8(c))는 리프트 0.18을 너머서면서 스월이 증가하였는데, 이는 이 구간에서 속도 분포가 크게 개선되었기 때문이다. 낮은 리프트에서는 편심도가 증가하였지만 속도분포 개선이 거의 없거나 오히려 악화되어 동일 수준을 유지하였다.

26°의 경우(Fig. 8(d)) 3.00B부터 편심도는 동일 수준을 유지한다. 따라서 리프트 0.18이후의 증가는 전적으로 속도분포 개선에 의한 것이다.

스월 중심 평가를 종합하면, 측정위치가 하류로 갈수록 주로 높은 리프트에서 스월이 증가하는데, 이것은 대체로 속도분포 개선에 의한 것이다. 리프트가 낮은 경우 속도분포 개선 효과를 편심도의 감소 효과가 상쇄하여 증가가 거의 발생하지 않는다.

3.4 평가 방법의 비교

Fig. 9는 각각의 평가 방법에 따라 구한 토크(Moment of momentum flux)를 이용해 식 (5)로 계산한 스월비를 밸브각도 별로 평가위치에 따른 변화를 도시한 것이다. 이 값은 정상유동특성의 최종 도출 값으로, 설계 목표에 해당한다. 따라서 정상유동평가에서 가장 중요한 파라미터이다.

Fig. 9

Swirl ratio as a function of evaluation position according to evaluation method

먼저 ISM 평가는 모든 밸브각도에서, 평가위치 1.75B~ 5.00B 에서는 직선적으로 감소하고 그 이후 감소는 지속되지만 그 기울기가 줄어든다. 5.00B 이후 감소의 기울기는 대체로 밸브각도가 클수록 작다.

반면 PIV 측정을 기반으로 한 평가는 6.00B까지 꾸준히 증가하는데, 그 형태는 밸브각도에 따라 조금 달리 나타난다.

11°의 경우 4.50B까지 서서히 증가하거나 일부 구간에서는 동일 수준을 유지하다가 6.00B로 이동하면서 평가 값이 크게 증가한다. 16°에서는, PIV 평가는 3.00B ~ 4.50B에서 비교적 증가폭이 크다

21°와 26°는 평가위치에 따라 직선적으로 증가하는 경향이 있고, 특히 26°는 증가의 기울기가 다른 각도보다 크지만 6.00B에 도달하여도 평가 값은 ISM 값을 넘어서지 못한다.

실린더 중심과 스월 중심을 비교하면, Fig. 5 ~ Fig. 8에 도시된바와 같이 스월 중심의 평가가 조금 크고, 특히 26°에서 이 차이가 크게 나타난다. 이것은 주로 편심의 효과로 판단된다.

스월비 변화를 종합하면, ISM 평가 값은 평가위치가 하류로 갈수록 감소하고 반면에 PIV 측정을 기반으로 한 평가 값은 증가한다. 그리고 26°를 제외하면 대체로 5.00B를 너머서면서 PIV 평가 값이 ISM 측정값보다 크지만, 밸브각도에 따라 그 구체적 현상은 달리 나타난다.

평가위치에 따른 스월비의 변화와 이전 연구에서 다룬 내용을 종합하면 다음과 같다.

이전연구^8,9)에서 언급한 바와 같이 1.75B이후 ISM 측정값의 감소는 마찰의 영향만으로 보기엔 너무 크다. 더구나 PIV 평가가 하류로 갈수록 증가하는 것도 마찰에 의한 스월 감소와 배치되는 현상이다. 이러한 현상이 나타난 원인은 여러 가지가 있을 수 있으나 주요하게는 두 가지로 압축할 수 있다. 먼저 축 방향 속도는 평가 위치에 따른 스월의 변화에 가장 큰 영향을 주는 인자인데,¹²⁾ 본 연구에서는 스월 평가에 큰 영향을 주는 축 방향 속도 분포의 영향을 고려하지 않았다. 그리고 PIV 측정 결과가 하류로 갈수록 증가하는 경향이 있는 것은, 정상유동이 하류로 진행하면서 유동 전개에 따른 운동량 변환 즉 축 방향 운동량의 접선방향 운동량으로의 전환이 발생한다는 것을 보여주는 것이라 판단된다.

따라서 이후 연구에서는 스월에 미치는 축 방향 속도분포의 영향을 파악하고 아울러 반경방향 운동량 분포를 제시하며 정량적 분석을 시도할 예정이다.