가솔린 엔진 크랭크 트레인의 마찰손실 저감에 관한 연구

Abstract

In this thesis, an experimental method was conducted to improve the frictional force of crank train parts that generate the largest frictional loss in the engine in order to improve the output of a gasoline engine. In addition, a friction model using an analytical method was constructed to analyze the friction loss of each part obtained through the experiment. The friction generated in the engine accounts for about 4 to 15% of fuel energy and considering that only about 40% of fuel energy is directly converted into power, improving this can significantly increase the efficiency of the internal combustion engine. Therefore, the friction loss for each part was predicted through the analysis program, and factors affecting the friction loss were analyzed. In addition, the friction loss prediction results of the analysis program were verified through experiments, and the friction reduction amount of the parts to which the low friction technology was applied was measured. In this study, a friction loss measurement experiment was first conducted to reduce the friction loss for each part of the crank train. First, a strip-down test method for measuring friction loss under motoring conditions was performed. The strip-down experiment has a limitation in that it cannot be tested by applying combustion conditions, but it has the advantage of being able to measure the friction loss of various parts using an actual engine. The motoring friction loss was measured by setting the engine driving speed and coolant/oil temperature as variables in the unburned condition. Through the strip-down test, frictional torques of two types of piston assembly (piston, piston ring, connecting rod) and crankshaft assembly (crankshaft bearing, oil seal) were measured. For each component, the frictional torque was measured to be larger as the engine speed increased, and the frictional torque was measured to be smaller as the temperature increased. Most parts of the crank train belong to the lubrication area, and it was confirmed that the lubrication friction increased as the engine speed increased. Similarly, as the engine temperature increased, the viscosity of the lubricating oil decreased, and it was confirmed that the lubricating friction decreased. To analyze the characteristics of friction loss for each part confirmed through experiments, a friction model was constructed and analyzed. The friction occurring in the crank train can be divided into two types. There are two types of frictional force between two objects: the asperity friction force caused by the contact between the surface, and the hydrodynamic friction force caused by the lubricating oil. The asperity friction is a frictional force generated by the roughness of the surfaces of two objects, and the equation of motion is used to analyze the behavior of each part according to the crank rotation angle. The hydrodynamic friction is the friction force predicted by the oil pressure generated in the oil film between two objects, and the Reynolds equation is used to calculate the oil pressure. Therefore, to predict the friction loss for each part, the two equations must be considered in combination. In addition, since the factors causing friction are different for each component, it is necessary to establish friction modeling for each part. Based on the experimental results, the friction loss prediction accuracy of friction modeling for each part was verified. As a result of using the analysis program by applying the same test engine component specifications and test conditions, it was confirmed that the prediction was similar to the experimental results within the range of 4 to 5%. After validating the analytical modeling, the frictional characteristics of each component were analyzed by applying combustion conditions to the crank train components. After confirming the frictional characteristics of each part through experiments and analysis, a different low-friction technology was applied to each component to reduce friction loss. First, in the case of the piston skirt, lubrication properties were improved by etching a micro-scale pattern on the skirt surface. As a result of measuring the frictional torque by varying the pattern shape and size, the friction loss reduction amount was similarly measured when the pattern area was similar. However, as a result of measuring the pattern spacing differently, it was confirmed that the friction loss was the least measured at a specific interval. The micro-scale patterning of the surface of the skirt has a characteristic that the spacing between the patterns increases the oil retention, so it is judged that the friction loss can be reduced by maximizing the oil retention by adjusting the spacing. Second, in the case of piston rings, various low-friction coatings were applied to improve lubrication properties. In the piston ring, the clearance between the ring and the cylinder is kept smaller than the clearance between the skirt and the cylinder by the ring tension. Therefore, the piston ring is greatly affected by the contact friction caused by the surface roughness. The low friction coating material serves to lower the roughness of the surface of the object, and it was confirmed that the coated ring measured less frictional loss than the base ring. Lastly, the crankshaft was manufactured by applying diamond-like carbon (DLC) coating and lightweight work, respectively. It was confirmed that DLC coating is a technology that lowers surface roughness and does not have a significant effect on journal bearings affected by lubricating friction. In the lightweight crankshaft, the force applied to the journal shaft is reduced due to the weight reduction, and the eccentricity between the journal axis and the bearing axis is reduced, thereby reducing the lubricating friction. However, as the high-speed section enters, the rotational moment balance fluctuates, and it is determined that the friction force is measured rather large. Finally, an experiment was performed to measure combustion friction by reflecting the actual engine operating conditions. In this study, the floating liner test method was used to measure combustion friction. The floating liner test is a method that can directly measure piston friction under combustion conditions. It is an experimental method that directly measures the frictional force generated between the piston and the cylinder by mounting a load cell at the bottom without fixing the combustion chamber cylinder. In this study, the combustion frictional characteristics of pistons were analyzed by applying various engine driving conditions. Combustion pressure and lubrication state were set as factors affecting piston friction, and the frictional characteristics of the piston were analyzed by controlling variables for each factor. Future research aims to verify the friction-reducing effect of low-friction parts under combustion conditions and examine the applicability of low-friction technology to each component of an actual engine. |본 논문에서는 가솔린 엔진의 출력을 향상시키기 위해 엔진에서 마찰손실이 가장 크게 발생하는 크랭크 트레인 부품의 마찰력을 개선하고자 실험적 방법으로 연구를 수행하였다. 또한 실험을 통해 얻은 각 부품의 마찰손실을 분석하기 위해 해석적 방법을 활용하여 부품 별 마찰 모델을 구축하였다. 엔진에서 발생하는 마찰은 연료 에너지의 약 4~15%를 차지하며, 연료 에너지의 약 40%만이 직접 동력으로 전환되는 것을 고려하면, 이를 개선함으로써 내연기관의 효율을 상당히 높일 수 있게 된다. 따라서 해석 프로그램을 통해 부품 별 마찰손실을 예측하고, 마찰손실에 영향을 주는 요인들을 분석하였다. 또한 실험을 통해 해석 프로그램의 마찰손실 예측 결과를 검증하였고 저마찰 기술을 적용한 부품의 마찰 저감량을 측정하였다. 본 연구에서는 먼저 크랭크 트레인의 각 부분에 대한 마찰 손실을 줄이기 위한 마찰 손실 측정 실험을 수행하였다. 우선 모터링 조건에서의 마찰손실을 측정하는 스트립 다운 실험법을 수행하였다. 스트립 다운 실험은 연소 조건을 적용하여 실험을 하지 못하는 한계점이 있지만, 실제 엔진을 사용하여 다양한 부품의 마찰손실을 측정할 수 있는 장점이 있다. 미연소 조건에서 엔진의 구동 속도와 냉각수/오일 온도를 변수로 정하여 모터링 마찰손실을 측정하였다. 스트립 다운 실험을 통해 피스톤 어셈블리(피스톤, 피스톤 링, 커넥팅 로드)와 크랭크샤프트 어셈블리(크랭크샤프트 베어링, 오일씰) 두 종류의 마찰 토크를 측정했다. 각 부품은 공통적으로 엔진 속도가 증가할 수록 마찰 토크가 크게 측정되었고, 온도가 증가할 수록 마찰 토크가 작게 측정되었다. 크랭크 트레인의 부품은 대부분 윤활 영역에 속해, 엔진 속도가 증가할 수록 윤활 마찰이 증가하는 특성을 가지는 것을 확인하였다. 마찬가지로 엔진 온도의 증가로 윤활유의 점성이 감소하여 윤활 마찰이 감소하는 현상을 확인할 수 있었다. 실험을 통해 확인된 부품별 마찰 손실 특성을 분석하기 위해 마찰 모델을 구성하여 분석하였다. 크랭크 트레인에서 발생하는 마찰은 크게 두 종류로 나눌 수 있다. 두 물체 사이의 요철 간 접촉에 의한 접촉 마찰력과, 윤활유에 의한 윤활 마찰력의 두 종류이다. 접촉 마찰은 두 물체 표면의 거칠기에 의해 발생하는 마찰력으로, 크랭크 회전 각도에 따른 부품 별 거동 분석을 위해 운동 방정식이 사용된다. 윤활 마찰은 두 물체 사이의 오일막에서 발생하는 오일압에 의해 예측되는 마찰력으로, 오일압을 계산하기 위해 레이놀즈 방정식이 사용된다. 따라서 부품 별 마찰손실을 예측하기 위해서는 두 방정식을 복합적으로 고려하여야 한다. 또한 각 부품 별로 마찰이 발생하는 요인들이 다르기 때문에, 각각의 부품 별로 마찰 모델링을 구축할 필요가 있다. 실험 결과를 바탕으로 각 부품 별 마찰 모델링의 마찰손실 예측 정확성을 검증하였다. 실험 엔진의 부품 스펙과 실험 조건을 동일하게 적용하여 해석 프로그램을 사용한 결과, 4~5% 범위 내로 실험 결과와 유사하게 예측됨을 확인하였다. 해석 모델링의 유효성을 검증하고 난 후에, 크랭크 트레인 부품에 연소 조건을 적용하여 부품 별 마찰 특성을 분석하였다. 실험과 해석을 통해 각 부품 별 마찰 특성을 확인한 후, 각 부품의 마찰손실을 저감하기 위해 부품 별로 다른 저마찰 기술을 적용하였다. 첫 번째로 피스톤 스커트의 경우에는 스커트 표면에 미세 패터닝을 식각하여 윤활 특성을 개선하였다. 패턴 모양과 크기를 다르게 하여 마찰 토크를 측정한 결과, 패턴 면적이 비슷한 경우에는 마찰손실 저감량은 비슷하게 측정되었다. 그러나 패턴 간격을 다르게 하여 측정한 결과, 특정 간격에서 마찰손실이 가장 적게 측정된 것을 확인하였다. 스커트 표면의 미세 패터닝은 패턴 사이의 간격이 오일의 유지성을 증가시켜주는 특성을 가지고 있어, 간격의 조절을 통해 오일 유지성을 최대로 하여 마찰손실을 저감 시킬 수 있다고 판단된다. 두 번째로 피스톤 링의 경우에는 다양한 저마찰 코팅재를 도포하여 윤활 특성을 개선하였다. 피스톤 링은 링 장력에 의해 링과 실린더와의 간극이 스커트와 실린더 사이의 간극보다 좁게 유지된다. 따라서 피스톤 링은 표면 거칠기에 의한 접촉 마찰의 영향을 크게 받는다. 저마찰 코팅재는 물체 표면의 거칠기를 낮춰주는 역할을 하며, 이로 인해 코팅된 링은 베이스 링에 비해 마찰손실이 적게 측정되는 것을 확인하였다. 마지막 세 번째로 크랭크샤프트에는 DLC 코팅과 경량화 작업을 각각 적용하여 제작하였다. DLC 코팅은 표면 거칠기를 낮춰주는 기술로, 윤활 마찰의 영향을 받는 저널 베어링에는 큰 효과를 가지지 못하는 것을 확인하였다. 경량화 크랭크샤프트는 중량 감소로 인해 저널 축이 받는 힘이 감소하여, 저널 축과 베어링 축의 편심이 작게 됨에 따라 윤활 마찰이 감소하게 된다. 그러나 고속 구간에 진입할 수록 회전 모멘트 밸런스가 변동하여 오히려 마찰력이 크게 측정되는 것으로 판단된다. 마지막으로 실제 엔진의 운전 조건을 반영하여 연소 마찰을 측정하는 실험을 수행하였다. 본 연구에서는 연소 마찰을 측정하기 위해 플로팅 라이너 실험법을 활용하였다. 플로팅 라이너 실험은 연소 조건에서의 피스톤 마찰을 직접 측정할 수 있는 방법으로, 연소실 실린더를 고정하지 않고 하단에 로드셀을 장착하여 피스톤과 실린더 사이에서 발생하는 마찰력을 직접 측정하는 실험법이다. 본 연구에서는 다양한 엔진 구동 조건을 적용시켜 피스톤의 연소 마찰 특성을 분석하였다. 피스톤 마찰에 영향을 주는 요인으로 연소 압력과 윤활 상태를 설정하였고, 각각의 요인에 대한 변수 조절을 통해 피스톤의 마찰 특성을 분석하였다. 추후 연구에서는 연소 조건에서 저마찰 부품의 마찰 저감 효과를 검증하고, 실제 엔진에서 부품 별 저마찰 기술의 적용 가능성을 검토하고자 한다.