엔진 배기 매니폴드 및 피스톤 냉각 시뮬레이션 사례

포드 오토산(Ford Otosan)의 파워트레인 CAD/CAE 팀은 고온의 엔진 가스와 다양한 주요 엔진 부품 사이의 열교환 해석을 위해 STAR-CCM+를 사용하고 있다. 이번 호에서는 엔진 배기 매니폴드 시뮬레이션과 피스톤 냉각 시뮬레이션 등의 해석 사례를 통해 고체 및 유체 영역을 정확하게 시뮬레이션하는 STAR-CCM+의 특징에 대해 살펴본다.

■ Sinan Eroglu, Serdar Güryuva : 포드 오토산(Ford Otosan)
■ Christopher Beves : 지멘스 PLM 소프트웨어
■ 자료 제공 : 지멘스 PLM 소프트웨어, 02-3016-2000, www.siemens.com/plm
 

차세대 고효율 디젤 엔진 설계는 빠르고, 강건하며, 신뢰를 주는 성능 예측에 의존하고 있다. Ford Otomotiv Sanayi A.S.(포드 오토산)의 파워트레인 CAD/CAE 팀은 고온의 엔진 가스와 다양한 주요 엔진 부품 사이의 열교환 해석을 위해 STAR-CCM+를 사용하고 있다. 포드 오토산은 1959년 포드 자동차와 Koc 홀딩스 사이의 합작으로 설립되었으며, 터키에 기반을 둔 5개의 시설에서 1만 2000여명의 직원이 고용되어 포드 Transit,Transit/Tourneo Courier와 포드 화물 트럭을 생산하고 있다.
최근 성공적으로 출시된 대형엔진인 Ecotorq 13L/9L과 EU3, EU5 그리고 EU6 변형모델에 시뮬레이션 사용이 주도적인 개발과 설계를 이끄는 중요한 역할을 하였다. 성숙된 설계가 준비되기 전에 설계 초기 단계에서 시험용 시제품을 제작하는데 필요한 비용과 시간은 상당합니다. 이러한 배경으로 가능한 초기 설계 프로세스부터 시뮬레이션 사용이 증가되고 있다.
현대의 디젤엔진들은 빽빽한 패키징 제약들과 터보챠져 작동에 의해 발생되는 고온의 영향을 받는 복잡한 조립체로 구성되어 있으며, 이러한 엔진 복합체는 예측이 어려운 넓은 비 균일적인 온도 분포를 가지고 있다. 이러한 결과로, 현재의 디젤엔진 설계를 위한 필수적인 기초 요구사항인 다중성분, 다중물리 전산유체역학 시뮬레이션에 대한, 증가된 정확한 시뮬레이션 결과 요구가 많아지고 있다. 
이러한 목적을 만족시키기 위해, 포드 오토산은 중요한 엔진부품 두 가지인 배기 매니폴더와 피스톤헤드에 대하여 자신들의 설계목적을 만족시키는 것을 돕기 위하여 연동해석을 이용한 디지털 트윈을 채택하여 수행하였다.
파워트레인 CAD/CAE 그룹의 CFD 책임자인 Sinan Eroglu는 "STAR-CCM+의 연동 해석은 마이크로 초에서 수천 초의 다른 시간 범위로 다중 물리 시뮬레이션을 결합하여 보다 빠르고 정확한 해석을 제공하고 복잡한 설계를 개발하고 평가하는데 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다"고 설명하였다.
 

1. 엔진 배기 매니폴드 시뮬레이션
배기 매니폴더의 기능은 엔진 구조물과 배기후처리 시스템 사이의 틈을 연결해주고, 연소된 실린더 가스들이 매니폴더 내부로 흘러갈 수 있게 하는 것이다. 배기 매니폴드는 극한 온도를 견딜 수 있는 반면 낮은 배압에서 원활한 유동이 제공되도록 설계 및 개발되었다.
Sinan Eroglu는 다음과 같이 설명했다. "견고한 매니폴드 설계를 하기 위해서, 예열 시간을 정확하게 모델링하는 것은 매우 중요하다. 유체와 고체 영역 사이에 강력한 상호 작용이 있는 전형적인 다중 물리학 문제이므로 이들 각각에 대한 솔버를 커플링 해야 한다. 주된 과제는 매니폴드 내에서 맥동하는 유동 거동의 특성에서 비롯되며 과도 해석이 수행되어야 한다. 이 유동의 시간 간격은 10 마이크로초이며 워밍업 시간은 10 분이기 때문에, 이 방법으로는 실행이 불가능하여 다른 커플링 시뮬레이션 방법을 모색했다."
배기 매니폴드의 3 개의 접근법을 <그림 1>에서 보여주고 있다.

 
그림 1. 커플링 전략(왼쪽 : 연속 커플링, 가운데 : 연동 해석, 오른쪽 : 복합 열전달)