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Experimental and computational analysis of a sigle cylinder 4-Stroke motorcycle engine with a various geometry exhaust pipe 원문보기

  • 저자

    최석천

  • 학위수여기관

    경상대학교

  • 학위구분

    국내석사

  • 학과

    정밀기계공학과 옇유체공학전공

  • 지도교수

  • 발행년도

    2004

  • 총페이지

    xiv, 101장

  • 키워드

    실험 수치해석 단기통 모터사이클용 4기통 엔진 배기단;

  • 언어

    kor

  • 원문 URL

    http://www.riss.kr/link?id=T10060274&outLink=K  

  • 초록

    자동차의 기관 중에서 배기관의 역할은 연소된 배기가스를 배출하는 것으로서, 배기 압력은 연소실의 체적과 크랭크 회전수에 의해 압력이 좌우된다. 최근에는 이러한 배기계의 압력에 관한 연구가 증가하고 있다. 배기계의 압력을 해석하기 위해서 여러 가지 수치해석의 기법이 사용되고 있으나 현재 파이프 관로의 압력에 관한 유동해석은 주로 특성 곡선법에 의해 해석되고 있다. Riemann에 의해 비선형파에서 편미분 방정식을 상미분 방정식으로 변환하여 계산하는 특성 곡선법이 제시되었고, Benson이 내연기관의 여러 가지 다양한 경계조건을 제시하였다. 자동차 배기계의 연구는 많이 진행되어왔으나 배기관의 변경에 따른 압력의 변화를 특성곡선법을 이용하여 수치해석하여 실험과 비교한 논문은 찾아보기 힘들었다. 특히, 지금까지의 많은 연구는 연소 과정중의 실린더 내에서의 압력 변동에 관한 연구가 주류를 이루고 있다. 본 연구에서는 흡기 밸브와 배기 밸브가 개폐되는 시기에 대하여 배기계의 맥동류 해석에 초점을 두었다. 특성곡선법을 이용하여 4행정 기관에서 특히 중요한 흡·배 밸브의 개폐시기에 대한 배기계의 압력을 해석하여 배기계의 최적의 설계를 위한 압력을 예측하고자 한다. 수치해석의 변수는 기관의 회전수와 배기 파이프의 직경 변화, 배기 파이프의 길이 변화 그리고 배기 파이프 끝단의 오리피스의 개구 면적비를 변수로 하였다. 실험에 적용된 배기관의 실험 장치는 엔진, PCI-6013 board, 압력센서, 컴퓨터 및 엔코더 등으로 구성된 측정장치 등이며, 본 실험에 사용된 압력센서는 저압용 쿨링타입이며 board는 rotary encoder에서 회전각의 신호를 입력받아 압력을 측정하였다. 실험 시작 전에 엔진을 10분 정도 회전시켜 예열을 하였고 실험실 내의 대기압과 온도를 측정하여 수치해석 입력데이터로 사용하였다. 실험은 1,000 rpm 에서 3,000 rpm 까지 1,000 rpm 씩 변화시키면서, 무부하 조건에서 10회씩 데이터를 수집하였다. 수치해석의 계산 조건에는 파이프 내의 유동을 비정상 상태, 열전달, 벽면과의 유체의 마찰은 작용하지 않는 가정으로 1차원적 해석을 고려한 지배 방정식인 연속, 운동량, λ, β특성곡선이 적용되었다. 본 연구의 결과로 회전수가 증가함에 따라 배기압력이 증가함을 실험과 계산으로 확인하였다. 또한, 실험과 계산을 통해 배기 파이프의 28 ㎜ 직경일 때의 first peak의 배기압이 배기 파이프의 22 ㎜ 일 때의 압력이 보다 낮게 나타났다. 길이가 1,240 ㎜ , 직경이 22 ㎜ 그리고 회전수가 1,000 rpm 일 때의 배기 파이프 중앙 지점의 실험과 계산 결과가 거의 일치하는 것으로 나타났다. 정격 회전수일 경우 배기 파이프 직경이 증가함에 따라 배기압력은 점진적으로 감소하였다. 정격 회전수 일 때 배기 파이프 길이가 1,860 ㎜ 인 경우의 압력파의 형태가 배기 파이프 직경이 1,240 ㎜ 와 620 ㎜ 인 경우 보다 단순한 그래프 형태를 보여 주었다. 주파수 분석을 통하여 본 실험엔진에 대한 배기계 내에서 실제 측정길이와 직경인 1,240 ㎜ 와 22 ㎜ 일 때 생성되는 파이프 내 압력파의 고유진동수가 67 Hz임을 예측할 수 있었다. 본 연구를 통해 배기관의 기관변경에 따른 배기 압력을 예측하는 프로그램의 작성 가능성을 타진할 수 있었다.


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