Stereoscopic PIV를 이용한 정상유동 장치에서의 SI기관 텀블비 평가 :Evaluation of tumble ratio of an SI engine in steady flow bench by stereoscopic PIV

윤기원

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자료유형: 학위논문

저자정보: 윤기원 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 성재용

발행연도: 2020

저작권: 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수11

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2020

Stereoscopic PIV를 이용한 정상유동 장치에서의 SI기관 텀블비 평가

윤기원 기계공학과 2020.01 학위논문

2018

Stereo PIV를 통한 흡기포트에 따른 SI 기관 텀블 비교

윤기원 , 성재용 , 엄인용 한국가시화정보학회 학술발표대회 논문집 2018.11 학술대회자료

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정상유동평가에서 SI 기관의 유량계수, 텀블계수, 평균유량계수, 텀블비와 같은 유동 특성값은 기관의 성능을 나타내는 주요한 인자이다. 본 논문에서는 SI기관의 실린더 내부 유동특성을 평가하기 위해 3차원 유동측정이 가능한 stereosopic PIV 시스템을 이용하여 실린더 축 방향에 수직한 평면을 통과하는 유동 성분을 모두 측정할 수 있도록 하는 정상유동평가장치를 제시하고자 한다.
실험은 정상유동 조건을 만족시키기 위해 밸브 전후 압력차를 635mmH2O로 일정하게 유지한 상태에서 진행하였다. 그리고 기존의 실린더 축 축방향과 평행한 단면이 아닌 SI 기관의 헤드에서 0.5S(49.5mm)아래에 위치한 실린더 축에 수직한 평면에서 밸브리프트를 1mm에서 10mm까지 1mm 씩 증가시켜가며 텀블 유동을 평가하였다.
실험을 통해 얻어진 3차원 평균속도장 분포를 분석해보면, 밸브리프트가 5mm 이하에서는 흡기밸브에서 배기밸브까지 실린더 중심부분을 따라 하강유동이 발생하며, 밸브리프트가 증가할수록 유속이 증가한다. 밸브리프트 6mm 이상에서는 흡기밸브 위치에서는 역류하는 상승유동이 배기밸브에서는 하강유동이 편향되어 나타나며 텀블 거동이 강하게 나타난다.
운동량 분포는 밸브리프트 5mm 이하에서는 흡기밸브와 배기밸브위치에서 반대방향의 운동량 모멘트가 발생한다. 밸브리프트 6mm 이상에서는 반대방향의 모멘트는 발생하지 않고 배기 밸브 위치에서의 운동량 모멘트의 크기가 면적이 증가한다.
유량계수는 밸브리프트가 4mm 이하 일 때는 밸브리프트가 증가할 때 같이 증가하다가 밸브리프트가 4mm 이상부터는 일정하게 유지된다.
텀블계수는 대체로 밸브리프트가 증가하면 텀블계수 역시 증가한다. 예외적으로 텀블계수는 밸브리프트가 2mm 및 10mm 일 때 감소하는 경향을 보인다. 이는 밸브리프트에 따라 실린더 내부유동 구조가 반영되기 때문이다.
이러한 밸브리프트 변화에 따른 유량계수와 텀블계수의 변화를 선행연구를 측정된 기관들의 결과값과 비교하였을 때, 정량적으로 차이는 있으나 정성적으로 유사한 경향을 나타낸다.
마지막으로 본 연구에 사용된 SI 기관의 평균유량계수 및 텀블비는 각각 0.203 및 3.557로 평가되며 선행연구에서 측정한 기관의 결과값과 비교하였을 때, 본 실험에 사용된 SI 기관은 텀블비가 크게 평가된다.
결론적으로, stereosopic PIV를 이용한 정상유동평가에서 실린더 축에 수직한 면을 측정하여 SI기관의 텀블을 평가를 통해 기관의 성능지표인 유량계수, 텀블계수, 평균유량계수 그리고 텀블비를 모두 구할 수 있다. 따라서 본 실험을 통해 제안된 측정방법은 추후 기관의 텀블을 평가하는데 있어 기초자료로써 활용될 수 있다.

Abstract

Evaluation of tumble ratio of an SI engine in steady flow bench by stereoscopic PIV

Yun, Gi Won
(Supervisor Sung, Jaeyong)
Dept. of Mechanical Engineering
Graduate School of Seoul National University of Science and Technology

In steady state flow bench, flow characteristic values such as flow coefficient, tumble coefficient, mean flow coefficient and tumble ratio of an SI engine are the main factors that indicate engine performance. This paper presents a new steady state flow bench with a stereoscopic PIV system that can measure all 3D intake flow components that pass through a plane perpendicular to the cylinder axis and analyze the flow characteristic of the SI engine.
The experiments were conducted in the SI engine head for several fixed valve lifts and 635mmH2O pressure difference across the intake valves. The tumble flow is evaluated in a plane perpendicular to the cylinder axis below 0.5S(49.5mm) at the head of the SI engine, rather than the cross section parallel to the cylinder axis direction.
Aa a result of analyzing the 3D velocity field distribution, when the valve lift is less than 5mm, the downflow occurs along the center of the cylinder from the intake valve to exhaust valve. Above 6mm of valve lift, the upward flow is formed to be deflected to the intake valve position, and the downward flow is formed to be deflected to the exhaust valve position, thereby forming a tumble flow.
Under 5mm of valve lift, the momentum distribution generates momentum in opposite directions at the intake and exhaust valve positions. When the valve lift is 6mm or more, the magnitude of the momentum at the exhaust valve position increases.
The flow coefficient increases rapidly when the valve lift increases from 1mm to 4mm. Then, at the valve lift more than 4mm, the flow coefficient maintains a nearly constant value. In addition, the tumble coefficient increases substantially when the valve lift increases. Exceptionally, the tumble coefficient tends to decreases when the valve lifts are 2mm and 10mm. This is caused by the change of flow structure in the cylinder according to the valve lift. Comparing these results with engines presented in the previous study shows a qualitatively similar trend although there is a quantitative difference.
Finally, the mean flow coefficient and the tumble ratio of the SI engine used in this study are evaluated as 0.203 and 3.557, respectively. Compared with the engine measured in the previous study, the tumble ratio of the egine used in this experiment is large.
In conclusion, the flow coefficient, tumble coefficient, mean flow coefficinet and tumble ratio, which are the performance factors of an SI engine, can be obtained by measuring the plane perpendicular to the cylinder axis in the steady state flow evaluation using stereoscopic PIV. Therefore, the proposed method througth this experiment can be used as a basic data for evaluation the tumble of the engine.

목 차
요약 ⅰ
표목차 ⅴ
그림목차 ⅵ
사진목차 ⅷ
기호설명 ⅸ
1. 서 론 1
1.1. 연구배경 1
1.2. 연구목적 4
2. 정상유동평가 방법의 개요 5
2.1 정상유동평가 방법의 개요 5
2.2 기존의 텀블 측정방법과 문제점 7
2.2.1 접촉식 측정장치 및 문제점 7
2.2.2 비접촉식 측정장치 및 문제점 9
3. Stereoscopic PIV 계측법의 원리 12
3.1. Stereoscopic PIV 측정원리 12
3.2. Stereoscopic PIV에서의 왜곡 보정 16
4. 실험장치 및 실험방법 18
4.1 Stereoscopic PIV를 이용한 정상유동실험장치 18
4.2 실험조건 및 방법 24
4.3 유동특성 계산 28
4.3.1 유량계수(Flow coefficient, ) 29
4.3.2 텀블계수(Tumble coefficient, ) 31
4.3.3 평균유량계수 (Mean flow coefficient, )와 텀블비 (Tumble ratio, ) 32
5. 실험결과 및 고찰 35
5.1 밸브리프트 변화에 따른 3차원 속도장 분석 35
5.2 밸브리프트 변화에 따른 운동량 분석 37
5.3 밸브리프트 변화에 따른 유량계수 및 텀블계수 분석 39
5.4 기관의 평균유량계수 및 텀블비 평가 45
6. 결론 47
참고문헌 48
영문초록(Abstract) 51
감사의글 53

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