[첨단 헬로티]

 

자동차용 가솔린 엔진은 경량이고 우수한 출력특성 때문에 사람들의 이동 수단 진보와 함께 발전해 왔는데, 이산화탄소 배출에 의한 지구온난화 문제, 석유 자원 소비에 의한 에너지 자원 고갈 등 사회 문제의 원인이 되고 있는 것은 누구나 알고 있는 사실이다. 이들 과제의 개선책 중 하나는 엔진의 열효율 향상에 의한 저연비화이다.

가솔린 엔진의 열효율 향상 대응에는 린번화, EGR 등이 유효한 수단으로, 특히 최근 린번화에 대해서는 적극적으로 연구·개발이 추진되고 있는데, 그 추구에는 연소 속도의 저하, 불안정한 착화, 연소의 사이클 간 변동 증대에 의한 운전 영역 제한 등 극복해야 할 과제도 많다.

또한, 자동차용 엔진은 연소에 의한 고온 열원을 이용하는 기관이므로 엔진 통내 벽면을 통한 냉각 손실은 피할 수 없으며, 더구나 벽면과 통내 가스의 열적 왕래는 노크 발생 요인에도 밀접하게 관련되기 때문에 벽면과 통내 가스 간의 전열 문제는 엔진 개발에 있어 하나의 중요한 과제이다. 

연소 속도 저하의 극복을 위해서는 통내 유동 강화에 의한 난류의 고강도화로 화염 전파 촉진을 도모하는 것이 최근의 개발 동향이다. 한편, 통내 유동 강화는 점화로부터 화염 전파에 이르기까지의 흐름 강도나 방향 등의 측면에서 불확정 요소를 증대시키는 요인이 될 수도 있기 때문에 연소에 기인한 사이클 간 변동에도 강하게 영향을 미치는 것이 된다.

또한, 냉각 손실이나 노크 발생 요인에 관련된 통내 가스와 벽면의 열적 왕래는 기본적으로는 통내 가스와 벽면의 전열현상에 지배되기 때문에 벽면 근방의 유동 거동이 하나의 지배 요인이 되는 것은 말할 것까지도 없다.

이상과 같은 관점에서 엔진 통내의 유동특성에 대한 상세한 파악·해명은 엔진 개발에 가장 중요한 과제의 하나로 자리매김하고 있다.

엔진 통내의 유동에 대해서는 최근의 유체 계측 기술의 눈부신 발전에 의해 실제 계측을 기초로 여러 가지 유체특성이 계속 밝혀지고 있다. 그 중에서도 특히 최근 수십 년 사이에는 레이저 등 광학장치의 고출력화, 카메라 등 촬영장치의 고속화·고정세화 및 컴퓨터 화상 해석 기술의 발달에서, 현재 유체 계측의 주류로 되어 있는 PIV 계측이 엔진 통내의 유체 계측에도 적용 가능한 수준이 되어 여러 가지 통내 유동의 특징을 파악할 수 있게 됐다. 

이 글에서는 엔진 통내 유동의 PIV 계측 기술의 현황을 필자 등이 최근 수년 동안 실시한 최신 사례를 기초로 간단히 소개한다.

PIV 계측

PIV란 입자 화상 유속 측정법(Particle Image Velo-cimetry)의 약자로, 현재는 여러 가지 유체의 흐름 거동을 파악하기 위한 수법으로서 아주 일반적으로 이용되고 있다. PIV에서는 유체 중에 분산된 입자에 대해, 유체의 이동을 추종하고 있는 입자군을 2시간 동안 화상 촬영해 화상 중 일정 영역의 입자군 휘도 패턴 이동량을 해석으로부터 유체의 속도 분포를 조사하는 것이다.

PIV 계측의 원리도를 그림 1에 나타냈다. PIV 계측에서는 레이저광 등의 광원을 광학렌즈를 통해 시트 모양으로 정형, 그 시트광을 계측하는 유체에 조사하고 그 시트 상의 입자로부터 미 산란광을 카메라로 촬영한다. 이것을 2시간 정도 해서 2개의 화상 A, B를 얻는다. 화상 A, B의 레이저 조사 간격 시간을 Δt로 하면, 화상 B는 화상 A의 Δt 후의 입자 위치를 나타내는 것이 된다. 얻어진 화상 A를 미소 영역(검사 영역)으로 분할, 각 영역의 입자군 휘도 패턴에 대해 가장 일치하고 있는 영역을 화상 B로부터 탐색함으로써 입자의 이동거리 벡터 ΔX를 검출할 수 있다. 결과, ΔX에 대해서 실제 거리 단위의 변환계수 α와 레이저 조사 간격 Δt를 도입함으로써 그 미소 영역의 유체 유속 벡터 u가 산출된다.

▲ 그림 1 PIV 계측 원리의 개념도

여기에서 정확한 속도 산출을 하기 위해서는 대상 유체의 속도에 적절하게 추종·대응한 입자 이동거리 ΔX를 얻는 것이 필수이고, 가장 주의를 필요로 하는 부분이 된다. 

입자 이동거리의 산출에는 대표적인 것으로서 직접 상호상관법과 FFT 상호상관법이 있다. 이들 수법의 상세에 대해서는 PIV 계측에 관한 많은 서적에서 해설되어 있기 때문에 생략하는데, 어떤 수법이나 2화상 중 일정 특정 사이즈 영역(검사 영역)에 대해 입자군의 휘도 패턴이 가장 상관이 높은(유사성이 높은) 위치를 찾아내, 그 위치의 차이를 이동거리로 하고 있다. 따라서 검사 영역 내의 휘도 패턴 2화상 사이의 변화는 가급적 적으며, 또한 검사 영역이 가지는 휘도 정보는 가급적 많은 것이 바람직하다.

전자에 관해서는 유체의 전단이나 회전의 영향, 속도장의 3차원성에 의한 입자의 광원 시트 외부 유출 등이 영향을 미치기 때문에 그 변화를 적극 억제하기 위해서는 검사 영역 및 Δt를 가급적 작게 취하는 것이 요망된다. 한편, 후자의 검사 영역 중의 휘도 정보를 많게 하기 위해서는 유체 중에 존재하는 입자수 밀도나 촬영 입자의 명도, 화상의 휘도 그라데이션 등 화상 촬영 능력을 높이는 것은 물론, 검사 영역에서 생각하면 그 사이즈(화소수)는 크게 취하는 것이 요망된다. 또한, 이동거리 정도의 관점에서 2화상 사이의 시간 Δt는 길게 취하는 것이 바람직한데, Δt의 증대는 앞에서 말한 유체의 전단·회전, 광원 시트 외부로 입자가 유출하는 것에 의한 휘도 패턴 변화를 초래하게 된다.

따라서 검사 영역 사이즈나 2화상 사이의 미소 시간 Δt, 광원 휘도, 화상촬영계, 레이저 시트 두께 등 여러 가지 항목을 측정 대상으로 하는 유체 거동에 맞춰 밸런스 좋고 적절하게 설정할 필요가 있으며, 특히 엔진 통내에서는 위치나 크랭크 각도에 따라 유체 거동이 크게 변화하기 때문에 세심한 주의가 필요하게 된다. 

또한, 입자군의 이동거리는 2화상 사이의 상관값이 최대가 되는 위치에서 산출되기 때문에 화상 해석상에서는 그 상관값은 각 화소로 밖에 얻을 수 없고 이동거리도 화소 단위의 값이 되어 그대로는 충분한 정도를 얻을 수 없다. 그러므로 보통은 서브픽셀 해석이라는 수법이 이용된다. 서브픽셀 해석에서는 상호상관값은 최대값 부근에서 곡면 분포라고 가정, 각 화소마다 얻어진 상관값을 곡면 근사해 그 극대점 위치가 정확한 이동 위치인 것으로 한다. 이 해석에 의해 이동거리는 1화소 이하의 오더로 산출하는 것이 가능해진다. 단, 이 해석 시에 하나의 입자상이 2화소 이하로 너무 작으면 이동거리가 화소 정수값에 치우쳐 버리는 현상(피크 로킹; Peak Locking)이 발생하기 때문에 입자상 촬영에는 주의가 필요하다. 

엔진 통내에서 PIV 계측을 할 때에는 그 통내 폐쇄 공간 내의 입자상을 촬영할 필요가 있기 때문에 석영유리제 실린더 등을 이용해 가시화형 엔진을 이용하는 것이 일반적이다. 이 때, 유리 표면 등에서 레이저 광원의 산란이나 반사 또는 엔진 운전에 따른 내벽면 흠집이나 오염에 의한 산란이 발생하기 때문에 이들 입자상 이외의 촬영 기록광은 휘도 패턴의 해석상 귀찮은 것이 된다. 그 저감을 위해서는 유리의 안쪽 표면을 검게 도장하거나 광택 제거 유리 상태로 만드는 등의 연구가 실시되는 경우도 있다.

화상 처리에 의한 제거도 하나의 수법으로서 유효하다. 예를 들면 동일한 크랭크 각도에서 촬영된 여러 개의 화상에 대해 각 화소마다 휘도를 비교, 그 최저 휘도값을 화소로부터 감산한다. 그렇게 하면 항상 찍히는 산란광 등의 휘도를 제외할 수 있고, 결과로서 입자상만을 화상 중에 남기는 것이 가능해진다. 그림 2는 그 일례로, 입자상만을 화상으로서 추출하고 있는 모습을 알 수 있다. 

▲ 그림 2 화상 처리에 의한 실린더 유리 산란광 제거

또한, 이상과 같은 PIV 계측에서 화상 해석 기술의 대부분은 이미 시판 소프트웨어로 대응이 가능한데, 한편 최근에는 PIV 해석용 오픈소스 프로그램도 많이 공개되어 있으므로 자신이 커스터마이즈를 하고 싶은 경우 등에는 이들의 이용도 검토할 만하다. 

마지막으로 트레이서 입자에 대해서도 조금만 다루기로 한다. PIV 계측에서는 트레이서 입자는 대상으로 하는 유체의 거동에 충분히 추종하고 있는 것이 전제인데, 일반적으로는 중력에 의한 입자의 침강이나 입자가 가지는 관성력에 의해 유체의 거동에 엄밀하게는 추종하지 않는다. 특히 엔진 통내의 기류는 난류 거동도 포함한 회전이나 비정상 움직임이 강도에 존재하기 때문에 입자의 원심력이나 관성력에 의한 비추종성 영향에는 주의를 필요로 한다. 또한, 입자의 추종성을 근거로 한 선정지표나 실제로 입수·이용 가능한 입자에 대해서는 여러 문헌에 상세하게 소개되어 있으므로 참고하기 바란다.

엔진 통내의 PIV 계측 사례

1. 엔진 통내 전역에서 고속 PIV 계측

엔진 통내 유동에 대한 PIV 계측 사례의 하나로서 통내 텀블 유동의 특징을 파악하는 것을 목적으로 필자 등이 최근 실시한 가시화 엔진의 계측·해석 결과를 이하에 든다. 대상으로 한 엔진은 현재 SIP ‘혁신적 연소 기술’ 가솔린 연소팀에서 연구 개발이 추진되고 있는 린번 엔진(보어 지름 75mm, 스트로크 길이 112.5mm, 압축비 13)의 가시화 엔진으로, 실린더가 석영유리제로 되어 있다(그림 3).

▲ 그림 3 SIP ‘혁신적 연소 기술’ 가솔린 연소팀 가시화 엔진의 PIV 계측 모습

엔진 회전수는 2000rpm, 모터링 조건 하의 측정으로 했다. PIV 계측장치로서는 그림 4와 같이 광원에는 2대의 고반복 Nd:YAG 레이저(Lee Laser, LDP100MQG), 입자상 촬영에는 하이스피드 카메라(Vision Research, Phantom v2011)을 이용, 타이밍 컨트롤러(Labsmith, LC880)를 통해 엔진 크랭크각과 동기시킴으로써 크랭크 각도 1°마다의 고속 연속 PIV 페어 화상 촬영이 가능해지고 있다.

▲ 그림 4 가시화 엔진의 고속 PIV 계측 시스템 개략도

트레이서 입자에는 SiO2 입자(스즈키유지공업, god ball B-6C, 평균 입자지름 2.7μm)를 사용했다. 촬영 화상에는 화상 처리에 의한 산란광 등의 제거를 실시, 검사 영역은 32×32화소(실제 치수 4×4mm)로 설정해 입자 이동거리를 산출하고 있다. 또한 Δt는 타이밍 컨트롤러에 의해 크랭크 각도마다 통내 입자상의 최대 이동량이 6~8화소 정도가 되도록 연속적으로 조정, 크랭크 각도마다의 속도 변화에 관계없이 정도를 유지할 수 있게 노력하고 있다.

그림 4는 1사이클 중의 각 크랭크 앵글마다 계측된 통내 중심 단면의 유속 분포이고, 그림 중의 크랭크 각도는 압축 상사점을 0°aTDC로서 표기하고 있다. 해당 측정에서는 검사 영역이 4×4mm이기 때문에 난류의 미소 거동 등은 명확하게 파악할 수 없는데, 한편 흡기 행정에서 기류가 불안정한 모습이나 압축 행정에서 텀블 유동의 시계열 변화 등 1사이클 중 통내 유동의 거시적인 모습은 상세하게 파악되고 있는 모습을 알 수 있다. 

이어서 엔진 연소의 하나의 과제인 사이클 간 변동에 관해, 계측된 속도 분포 데이터에 대해 거시적인 유동의 관점에서 검토를 했다. 우선 그림 5의 속도 분포로부터 사이클 평균에 기초하는 주류 흐름 와 그 흐름에서 변동 성분 u'을 분리, 또한 그 변동 성분에는 사이클 간 변동에 기초하는 거시적인 변동 u'ccv와 난류 거동에 기초하는 미시적이 변동 u'turb가 혼재하고 있기 때문에 그 분리를 한다. 주류 흐름 와 변동 성분 u'에 대해서는 사이클 간 평균값과 거기에서의 차이에 의해 간단히 분리가 가능하다. 변동 성분 u' 중의 거시적인 변동 u'ccv와 미시적인 변동 u'turb에 관해서는 난류 적분 스케일을 필터 사이즈로 한 공간 필터에 의해 분리한다.

▲ 그림 5 고속 PIV 계측에 의해 얻은 통내 유동의 모습

여기에서 공간 필터의 사이즈 결정 방법·타당성에 관해서는 이전에도 여러 가지 검토가 이루어지고 있었는데, 이 검토에서는 크랭크 각도마다 적분 스케일을 산출해 그 값을 필터 사이즈로서 사용하고 있다. 그 후 분리된 변동 성분 u'ccv만을 주류 흐름 로 되돌림으로써 난류 현상 지배의 변동이 제외된 거시적인 사이클 간 변동에만 대응하는 흐름의 모습 ubulk을 파악할 수 있게 된다.

앞에서 말한 처리 과정 모습은 그림 6과 같다. 이 거시적인 변동을 함유한 속도 분포 ubulk로부터 사이클 간 변동에 대한 흥미 깊은 모습이 보이게 된다. 그 예로서 그림 7은 크랭크마다 얻어진 속도 분포에 대해 대규모 유체 회전 구조의 중심(즉 텀블 회전류의 중심)을 동정, 각 사이클마다 그 중심 위치의 궤적을 그린 것이다. 또한, 중심 위치의 동정에는 Graftieaux 등의 수법을 채용하고 있다. 이 궤적을 보면, 텀블 회전류의 중심은 압축 행정에서 사이클마다 크게 흐트러진 경로를 더듬어 가는 모습을 확인할 수 있다.

▲ 그림 6 계측된 속도 분포의 거시적인 유동 성분과 미시적인 변동 성분에 대한 분리

▲ 그림 7 통내 텀블 회전류의 중심 위치 궤적

또한, 그림 8은 해당 엔진 점화 시기(-30°aTDC)의 점화 플러그 위치의 속도 변동 성분에 대해, 각 크랭크 각도의 통내 임의 위치의 속도 변동 성분의 상관을 취한 결과이다. 즉, 점화 시기의 플러그 주위에서 유체 거동이 통내 유동 분포의 어느 시기, 어느 위치와 상관성을 가지고 있는지를 나타낸 것으로 생각해도 좋다. 이 그림을 보면 -180°aTDC의 하사점에서는 통내 어느 위치에서도 상관을 거의 볼 수 없는데, -120°aTDC에서는 흡기 밸브 부근에 상관이 나타나고, 더구나 압축 행정 후반에서는 텀블 회전류와 강한 상관이 나타나고 있는 것을 알 수 있다. 해당 엔진은 미러 사이클을 전제로 설계되어 있으며, 피스톤이 압축 방향을 향해도 흡기 밸브는 오픈한 그대로의 상태이기 때문에 -120°aTDC에서는 통내 기체의 흡기 밸브 배관 측으로 역류가 생기고 있으며, 그 부근에 상관이 높은 영역이 분포하고 있다.

▲ 그림 8 점화 시기(-30°aTDC)의 점화 플러그 위치에서 속도 변동 성분과 

각 크랭크 각도의 통내 속도 변동 성분의 상관 분포

이상의 것을 근거로 하면, 압축 행정 초기 단계에서 흡기 밸브측 역류에 기인한 텀블 회전류의 변동이 점화 시의 점화 플러그 위치의 유동 변동에 영향을 미치고 있다는 것이 시사된다. 불꽃 점화 엔진에서 연소 사이클 간 변동은 플러그의 방전 스파크 거동, 점화에서 화염 전파에 이르기까지의 초기 연소 거동이 중요한 요인 중 하나가 되기 때문에 플러그 위치에서 점화 시의 유동 변동은 그 좋고 나쁨을 크게 좌우한다. 앞에서 말한 유동 계측에 기초하는 해석 결과는 그 요인을 특정하기 위한 중요한 지식의 하나로, 앞으로의 상세한 계측, 검토에 의해 그 요인 특정에 더욱 박차를 가할 수 있을 것으로 생각한다.

2. 피스톤 표면 바로 위의 µPIV 계측

엔진 내벽면 근방의 흐름장 상태는 통내 기체와 벽면의 전열현상을 크게 좌우, 엔진의 벽면 냉각 손실에 관련해 중요한 검토 대상이다. 

그러므로 이하에서는 앞에서와 동일한 가시화 엔진을 이용, 도쿄공업대학 타나하시·시무라연구실, 도쿄농공대학 이와모토연구실과 필자 등이 공동으로 실시한 피스톤 표면 바로 위의 μPIV 계측의 예를 소개한다.

계측에서는 더블 펄스 Nd:YAG 레이저(LOTIS, LS-2131), 고해상도 카메라(Princeton Technology, ES4020)을 엔진 크랭크 각도 신호에 동기시켜 입자 화상을 취득하고 있다. 또한, 레이저 및 카메라 동작 속도의 제약 때문에 앞에서와 같은 1사이클 중의 시계열 연속 측정은 할 수 없으므로 설정한 크랭크 각도에 대해서만 1000사이클 정도의 계측을 하고 있다.

촬영계에는 그림 9와 같이 장거리 망원현미경(Quester, QM-100)을 이용함으로써 통내의 초확대 촬영을 가능하게 한다. 또한, 이 촬영계에서는 검사 영역 사이즈는 64×32화소(실제 치수 150×75μm)로 하고, 50% 오버랩에 의해 벡트 분포는 100μm 이하의 공간 해상도를 실현하고 있다.

▲ 그림 9 µPIV 계측을 위한 촬영장치

그림 10은 크랭크 각도 -20°aTDC의 피스톤 바로 위에서 μPIV에 의해 얻어진 사이클 평균 속도 분포이고, 그림 11은 피스톤 벽면에서 수직 방향에 대한 속도 성분 분포를 나타내고 있다. 또한, 그림 11 중에는 흡기 밸브의 오픈 타이밍이 다른 3종류의 데이터를 나타내고 있다. 이들 그림으로부터 엔진 운전 중의 피스톤 벽면 위쪽으로 형성되어 있는 0.4mm 정도의 매우 얇은 경계층을 파악하고 있는 모습을 알 수 있다.

▲ 그림 10 µPIV 계측에 의해 얻어진 피스톤 벽면 바로 위의 평균 속도 분포

▲ 그림 11 피스톤 벽면에서 수직 방향에 대한 속도 성분 분포

또한, 그림 12는 이들 측정된 피스톤 벽면 수직 방향에 대한 속도 분포를, 층류 경계층의 이론해(블라시우스해)와 비교한 결과를 나타내고 있다. 이 그림을 보면, 피스톤 상면의 경계층 속도 분포는 블라시우스해에 가까운 형태를 나타내고 있으며, 경계층은 충분히 발달한 난류 경계층 상태까지는 이르지 않는 것이 시사된다. 기존 엔진 연구의 대부분은 통내 유동은 매우 강한 흐름을 형성하고 있는 것으로부터, 벽면 근방의 경계층은 충분히 발달한 난류 경계층이라는 인식·선입견이 있어 그 발달된 난류 경계층 이론에 기초해 제안된 벽면상 전열 모델이 엔진 시뮬레이션 등에서 빈번하게 이용되고 있다. 그러나 이번 측정 결과는 그 개념 자체를 덮을 가능성을 시사하고 있으며, 기존 모델로는 통내 벽면의 냉각 손실을 충분히 예상할 수 없는 가능성을 시사하고 있다.

▲ 그림 12 경계층 내 속도 분포의 블라시우스해의 비교

앞으로 계측·검토를 기초로 엔진 내부의 고정도 벽면 전열 모델이 구축되고, 벽면 냉각 손실의 예측 정도 향상으로 이어질 것으로 기대된다.

맺음말

연소를 이용한 엔진은 20년 후의 미래에도 75%의 자동차에 탑재될 것이라는 시산도 있듯이 주력 동력원의 하나로 계속 존재할 것으로 예측되고, 그 열효율 향상 등 앞으로도 더욱 기술 개발이 요망될 것이다. 그렇기 때문에 엔진 내부의 물리현상을 상세하게 파악·모델화한 후의 개발이 필요해진다. 

이 글에서 소개한 PIV에 의한 유동 계측을 비롯해 각종 계측 기술은 날마다 발전하고 있으며, 앞으로 이들 계측 기술에 의해 엔진 내부의 복잡한 물리현상이 상세하고 또한 고정도로 밝혀져 차세대 엔진의 고도 개발로 이어져 갈 것으로 생각된다. 

케이오대학 이공학부 기계공학과

本 記事는 日本 「計測自動制御學會」가 發行하는 「計測と制御」誌와의  著作權協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.