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[오토저널] 열유동 성능 개발

페이지 정보

글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2015-08-30 22:29:53

본문

자동차에는 연비, 동력 성능, 냉각, 윤활, 공력(Aerodynamics), 공조(Air Conditioning), 열해(Heat Damage), 풍절 소음(Wind Noise)과 같은 다양한 성능이 있다. 이 성능들은 모두 차체와 엔진 내, 외 부의 유체 운동 및 열전달 현상에 기인한 성능으로 열유동 해석을 통해 이런 다양한 열유동 성능 개발이 진행되고 있다. 공 력 성능 개선, 열효율 증대, 배기 매연 저감 등은 지속적으로 강화되고 있는 차량 연비 규제, 배출 가스 규제에 대응하기 위 해 매우 중요하다. 이를 위해 파워트레인, 차량디자인, 환경차 등 모든 부분에서 신기술 개발을 통해 지속적으로 효율 개선 을 진행하고 있으며 열유동 해석은 성능 예측 및 최적화를 위한 중요한 역할을 담당하고 있다.

 

또한 원가 절감 및 NVH, 내 구, R&H 등 타 성능과 조화를 이루는 종합 성능 관점에서 접근, 분석하여 신기술의 빠른 적용을 가능하게 하는 것도 열유 동 해석의 중요 목표 중 하나이다. 열유동 해석은 유체의 운동과 이에 기인한 다양한 열전달 현상을 예측하기 위해 CFD 기법을 활용하고 있다. CFD는 전 산유체역학(Computational Fluid Dynamics)의 약자로써 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 유체의 운동을 예측하는 기법이다. 유체 이동 및 열전달 현상을 비선형 편미분 방정식을 이용하여 수학적으로 정의하고 수치기법을 통해 컴퓨터로 분석한다. 고성능 슈퍼컴퓨터의 보급으로 차량 개발 과정 프로세스에서도 점점 더 복잡하고 다양한 CFD 해석기법이 활용되고 있다.  

 

열유동 CAE 현황


● 공력 해석(Aerodynamic Analysis)

공력 해석은 주행 시 차에 작용하는 공기의 힘을 예측 하기 위해서 실시된다. 고속 주행 및 코너링 주행 시 차에 가해지는 바람의 힘을 계산하여 항력, 양력, 횡력 및 요잉 (Yawing) 모멘트와 같은 공력 성능을 예측하게 된다. 이 중 항력은 주행 시 발생하는 공기저항을 의미하며 연비 및 가 속성능에 향을 미치기 때문에 공력해석에서 가장 중요한 인자라고 할 수 있다. 일반적으로 항력을 10% 낮추면 고속연 비가 2% 개선되는 효과가 있다고 알려져 있다. 양력, 횡력 및 요잉 모멘트는 주행안정성에 향을 미치는 주요 인자로 높 은 양력은 도로 면에 작용하는 타이어의 접지력을 악화시키 는 요인이며 과도한 횡력 및 요잉모멘트는 고속 주행 시 차 체를 불안정하게 만들어 승객의 승차감에 향을 주게 된다. 공력 성능 개선을 위해서는 차량 외부 디자인 개선이 필 요한데 <그림 1>은 이러한 디자인 개선 사례를 간단히 보여 주고 있다. 왼쪽의 디자인은 헤드램프 상단부에 불안정한 와 류가 발생하여 공기저항을 증가시키는 반면 오른쪽의 개선 디자인에서는 부드러운 유선(Streamline)이 형성되어 있는 것을 볼 수 있다. 이처럼 공력해석은 차량의 초기 디자인 단 계에서부터 차량 주변의 유동을 사전 검토하고 디자인을 최 적화하여 최상의 공력성능을 발휘하도록 하는 것이다.


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● 엔진룸 유동 해석(Underhood Flow Analysis)

엔진룸 유동해석은 차량 전면부의 라디에이터 그릴 (Radiator Grill)을 통해 내부로 유입되는 유동을 다룬다. 범퍼 및 그릴 형상을 따라 엔진룸 내부로 들어온 공기는 <그림 2> 와 같이 엔진, 에어컨, 브레이크 및 고온의 배기파이프를 냉 각하게 되며 일부는 흡기계를 통해 엔진 내부로 들어가게 된 다. 이 과정을 종합적으로 분석하기 위해 엔진룸 유동해석이 진행되는데 공력 해석을 통해 최적화된 차량의 외부 디자인

과 파워트레인 성능 해석을 이어주는 가교 역할을 하고 있다. 엔진룸 유동해석의 일차적인 목표는 엔진룸 레이아웃 (Layout) 및 에어가이드(Air Guide) 형상을 개선하여, 주행 시 모든 시스템에서 충분한 냉각 성능이 발휘되도록 하고, 배기 가스에 의한 열해(Heat Damage)를 방지하는 것이다. 또한 연비 개선과 관련하여 엔진룸 유동이 배터리 및 엔진 흡기 온에 미치는 향 분석도 중요한 부분이다. 엔진룸 유동해석 결과에 따라 내부 에어가이드, 브레이크 덕트 등이 최적화되 며 추가로 열해 및 발화가 예상되는 부품을 보호하기 위한 차열판등이 설치된다.


● 엔진 연비 / 동력성능

해석 엔진 연비/동력성능 해석은 엔진 흡기계를 거쳐 엔진 실 린더로 유입된 공기가 연료와 혼합되고 연소실 내에서 흡 기-압축-폭발-배기의 열싸이클 과정을 거쳐 동력을 발생시 키는 시스템과 관련된 해석이다. 엔진 초기 컨셉 선정 시, 엔진 싸이클 시뮬레이션을 이용 하여 동력 성능과 연비를 예측한다. 3차원 형상 결정에 앞 서, 흡기계-실린더-밸브계-배기계에 관련된 형상 수치, 작 동 시기, 물성치 관련 데이터를 입력함으로써 주요 적용 기 술, 설계인자 변경에 따른 엔진 출력, 토크, 연료소비율 등을 예측하여 사양을 선정한다. 차량과 엔진 레이아웃에 따른 3-D 형상이 결정된 이후에 는 인터쿨러, 컴프레서, 흡기매니폴드, 흡기포트, 배기포트, 배기매니폴드, 터빈, 촉매, EGR 쿨러 등 각 부품 내부에서의 유동 해석을 진행한다. 각 유로의 저항을 최소화하고, 엔진 실린더별로 균일한 유동이 형성될 수 있도록 각 단품 유로를 평가하고 개선안을 제시한다. 또한, 엔진의 에너지 발생 과정 예측을 위하여 연소실 유 동 해석을 실시하고, 엔진 기본사양에 흡배기 밸브와 피스 톤의 움직임을 고려한 모델에서 연료 분사조건, 밸브 여닫힘 시기, 점화 시기 등을 고려하여 엔진 운전조건 별 연료와 공 기의 혼합, 연소압, 열발생률, 토크, 배기가스 농도 등을 예측 하고 최적화한다.


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● 파워트레인 냉각 / 윤활 해석

파워트레인 유체 시스템은 공기와 연료로부터 동력을 발 생시키는 시스템과 각 부품들의 원활한 작동성 확보를 위한 냉각/윤활 시스템으로 구분된다. 냉각 시스템을 통해 엔진 연소실에서 발생한 열을 효율적으로 방출시켜 엔진 각 부품 의 온도를 일정 수준 이하로 유지시켜 열적 안정성을 확보하 고, 윤활 시스템을 통해 엔진과 변속기의 운동 부품들의 마 찰과 마모를 저감하고, 각종 부품의 작동 유압을 확보한다. 이와 같은 냉각/윤활 성능 확보를 위한 파워트레인 열유동 해석이 진행되고 있다. 초기 컨셉 단계에서는 연비/동력성능 해석과 마찬가지로 냉각/윤활 관련 시스템 해석을 실시한다. 3차원 형상 결정에 앞서, 형상 관련 수치, 부품 별 차압 특 성, 펌프 용량, 유체 물성치 등의 수치를 입력함으로써 여러 엔진 운전 조건에서의 시스템 각 부 압력과 유량 분배를 예 측하여 최적의 레이아웃을 결정한다. 3차원 형상이 확보된 이후에 냉각 시스템에서는 워터펌 프, 헤드/블록 워터자켓, 써모스탯, 가변 유량 밸브 등에서의 유동 해석을 진행하여 유로 형상을 최적화하고, 온도 해석과 연계하여 헤드/블록 열적 안정성 확보를 위해 주요부위의 온 도를 예측하고 관리한다. 또한 엔진내구 해석을 위해 온도 경계조건 제공한다.

 

윤활 시스템 측면에서는 엔진과 변속기 의 오일펌프, 오일압 제어 밸브의 유동을 예측하여 유량, 토크, 오일압 맥동 등을 예측한다. 과거에는 엔진 내구 안정성 확보를 위한 냉각, 윤활 설계 가 이루어졌지만, 최근에는 연비 개선을 위한 최적의 냉각, 윤활 컨셉이 필요하기 때문에 엔진 열관리 측면의 해석이 강 화 되고 있다. 엔진 열관리란 지속적으로 변화하는 운전조건 에 따라 최적의 엔진 냉각수/오일 유량 및 온도 제어를 통해 엔진 열손실을 최소화하는 기술이다. 엔진 열관리를 통해 엔 진 열손실을 최소화하여 연비를 향상 시킬 뿐만 아니라 차 량 냉/난방 성능까지 향상시킬 수 있어 최적의 실내 온도 제 어에도 기여할 수 있다.

 

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● 다상유동 해석(Multiphase Flow Analysis)

다상유동 해석은 한가지 이상의 물질이 동시에 여러개의 물리적 상태(고체, 액체, 기체 등)로 존재하는 유동을 예측하 는 것으로 다양한 운전 조건 및 주행환경을 시뮬레이션 하 는데 사용된다. 먼저 에어컨과 히터의 성능을 향상하여 공조 해석(HVAC Analysis)에 다상유동 해석기법이 적용된다. 송 풍구를 통과한 바람의 풍향, 풍량 및 통풍시트의 성능, 승객 의 체온, 제상(Defrost)/제습(Demist) 성능이 예측되며 이를 통해 승객 편의성을 증대시킬 수 있다. 특히 제상/제습 성 능은 저온 및 다습한 환경에서 주행시계 확보를 위한 필수 요소로써 안전에 향을 주기 때문에 관련 해석의 중요성이 점차 강조되는 추세이다. 또한 열악한 주행환경 하에서 차량 성능을 예측하는 데에 도 열유동 해석이 중요한 역할을 한다. 폭설이나 홍수와 같 은 악천후 시 엔진으로 물이 유입되어 피해가 발생하는지 여부 또는 비포장도로에서 튀기는 돌에 의한 차체 손상 여 부 등이 열유동 해석을 통해 판단된다. 차량, 엔진 외에도 환 경차 주요 부품에 대한 열유동 해석을 진행한다. 주요 발열 부품의 성능 확보를 위하여 온도 유지가 필수적이기 때문에 모터, 인버터, 컨버터, 배터리 등 각 부품에서 냉각 유로 유 동, 부품 온도를 예측하여 관리한다.

 

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● 스포츠 분야 활용사례

차량 개발을 통해 얻어진 해석 노하우는 스포츠 분야에도 다양하게 적용되고 있다. 먼저 현대모터스포츠 팀의 WRC 랠리카 개발에 참여하여 리어스포일러(Rear Spoiler) 펜더 (Fender)와 같은 공력부품, 그리고 가혹한 주행 조건에서의 파워트레인 성능에 대한 최적화를 진행하으며 이를 통해 참가 첫 시즌에서 1위를 차지하는 쾌거를 이루는데 밑거름 이 되었다. 또한 대한민국 봅슬레이 대표팀의 성적 향상에도 열유동 해석이 기여하고 있다. 100분의 1초를 다투는 봅슬레이 경기 에서 동체의 공기저항을 최소화하는 것은 승패에 아주 중요 한 요소이다. 현대자동차는 자동차 공력 성능 최적화 기술을 바탕으로 봅슬레이 형상 최적화를 진행하고 있으며 2018년 평창 동계 올림픽에서 WRC 우승을 이루도록 노력 중이다.


열유동 해석 발전 방향


디지털 차량 개발의 목적은 차량과 엔진의 설계 초기 단 계 컨셉을 결정하고 적용 기술을 조기에 종합적으로 검토하 여 개발 품질을 확보하고 개발 기간을 단축하여 시장의 니 즈에 맞는 차량을 적시에 출시하는 것이다. 열유동 해석의 방향도 타 해석과 마찬가지로 시뮬레이션을 통한 가상의 제 품 제작 및 평가 기능 확대를 위해 CAD와 CFD의 연계성을 강화하는 것이다. 격자 생성과 해석 프로세스 자동화를 통 해 해석의 편의성과 해석의 신뢰도를 높일 수 있다. 열유동 해석을 통해 실제 물리 현상의 예측 범위를 확대하고, NVH, 내구, R&H 등 타 성능과 조화를 이루는 다중 성능 최적화 관점에서 해석이 진행되어야 할 것이다. 또한 연비, 난방, 동력, 냉방, 공조 등 기존에는 개별적으 로 분리 해석하던 항목들을 유기적으로 연결하여 종합 분석 할 수 있는 VTMS(Vehicle Thermal Management System) 기술이 확대되고 있다. VTMS을 통해 차량 개발 시 빈발하 는 열유동 관련 성능이 상충되는 문제를 해소하고 시스템간 의 성능 극대화를 위해 통합적인 열관리 제어를 가능하게 해주기 때문에 완성도 높은 VTMS 개발은 열유동 해석 분야 의 중요 목표가 된다.

 

글 / 김지호 (현대자동차)
출처 / 오토저널 15년 3월호 (
http://www.ksae.org)

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