2.4 시뮬레이션
2.4.1 시뮬레이션 모델링
Figure 2-10 AMESim simulation Library schematic
Independent Injection Type 펌프의 성능 및 효율 향상을 위해서 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션의 목표는 펌프의 유량을 향상시키는 파라미터 및 내부 압력을 감소시킬 수 있는 파라미터를 도출하는 것으로, 실제 펌프를 추가로 개조하기 전 어떠한 요소를 변화시키는 것이 더욱 효과적인지 도출하기 위함이다. 본 연구는 시뮬레이션으로 펌프를 설계하고 제작하여 시뮬레이션의 분석이 맞는지 확인하는 것이 아니라 기존에 사용하고 있는 펌프에 대해 성능 평가를 진행하고 추가 수정 사항을 도출해야 하기 때문에 실험의 문제점을 파악하는 것을 위주로 시뮬레이션을 사용하였다. 또한 실제 실험에서 발생하는 문제가 어떠한 이유로 발생하는지 확인하여 추후 실험 및 연구를 용이하게 하였다.
시뮬레이션 프로그램은 AMESim을 사용하였으며, 해당 프로그램은 부품 및 시스템 설계의 초기단계 및 설계과정에서 성능검증과 성능향상을 위한 도구로 활용함으로써 설계 및 개발시간을 줄일 수 있고, 실제시스템의 검토단계에서도 설계최적화와 성능향상을 위한 유용한 도구로 이용할 수 있다. 해당 연구에서 고려해야 할 대상은 펌프의 토출 유량 및 펌프 내부 실린더의 압력이며 내부의 유동 흐름에 따른 성능 변화와 구조의 변형 등은 없다고 가정하였다. 따라서 시스템의 총합적인 결과만 파악할 수 있으며
펌프 내부의 플런저 변형률, 실린더 팽창률, 유동흐름 등 세부적인 특성은 분석이 불가능하다.
AMESim에서는 기본적인 고압 펌프의 라이브러리를 제공하고 있으며 중심 축이 회전함에 따라 세 위치의 피스톤이 압축되어 연료를 분사하는 모델링으로 구성되어 있다. Independent Injection Type의 펌프 또한 기계식 피스톤 펌프로 동일하며 Independent Injection Type 펌프의 경우 1회전 당 4개의 토출부에서 토출이 일어나는 방식으로써 해당 정보와 DME 연료 특성, Independent Injection Type의 내부 실린더 파라미터를 적용하여 시뮬레이션을 진행하였다.
Figure 2-10에는 AMESim에서 기본으로 제공하는 시스템을 나타내고 있으며 Figure 2-11은 Independent Injection Type 펌프의 특성을 적용시킨 시스템의 시뮬레이션 회로도를 나타내고 있다. 각 실린더의 내부 압력과 토출량, 전체 펌프의 토출량 등의 측정이 가능하며 유체의 특성 또한 DME의 물성을 적용시켜 시뮬레이션을 구동하였다. 시뮬레이션에 설정된 자세한 파라미터는 Table 2-7과 같다. 실제 시스템과 다른점은 실제 실험 시스템에서는 펌프 토출 이후 커먼레일을 설치하여 압력을 높게 설정해주었으나, 시뮬레이션 상에는 커먼레일을 따로 설정하지 않고 오리피스를 설정하여 내부 압력과 유량을 조절해주었다. 실험에서의 펌프 연료 공급 시스템은 DME을 안정적으로 액체 상태로 공급하기 위하여 구성하였으나 시뮬레이션은 DME가 기화하지 않기 때문에 해당 시스템이 필요하지 않으며 따라서 공급 탱크와 압력만 설정하여 시뮬레이션을 간소화하였다.
Figure 2-11 AMESim simulation Library Diagram
Table 2-7 Parameter values set in the simulation
Parameter Value
DME Density 663
DME Bulk Modulus 6370 bar
Absolute Viscosity 0.12 cP
Cylinder Length 100 mm
Cylinder Diameter 100 mm