1-D 시뮬레이션을 통한 피벗 타입 가변오일펌프 해석에 대한 연구 = Performance Analysis of Pivot-type Variable Displacement Vane Oil Pump with 1-D

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Variable displacement vane oil pumps control the discharge pressure and flow rate regardless of the engine operating speed by controlling the eccentricity between the rotor and stator. Therefore, research on this type of pump is in progress because of its high likelihood of improving fuel economy. The need for advanced research with 1D simulations is in demand to enhance the efficiency in terms of time and cost to deal with the increasing complexity of the engine development process. This research aimed to establish a robust 1D model to estimate the performance, such as discharge flow rate and torque, with the change in oil temperature. This model consists of a hydraulic and control signal part. An in-house model was developed to calculate the discharge flow area, eccentricity, and operating torque of the pump. The accuracy for discharge flow was improved with the help of leakage modeling considering both internal and outlet lead passage. In addition, the calculation model considering various types of friction torque made the simulated output for torque prediction more accurate. As a result, the final model showed an accuracy of approximately 97% and 92% compared with the experiment regarding discharge flow rate and torque, respectively, regardless of the pump speed under steady operating conditions. These results confirmed the possibility of estimating the discharge flow rate, operating torque, and volumetric efficiency regarding oil temperature.

국문 초록 (Abstract)

가변오일펌프는 펌프의 로터와 스테이터 간의 편심을 조절을 통해 엔진 운전 속도와 무관하게 오일 토출 압력 및 유량을 제어할 수 있다. 따라서 기존 펌프 대비하여 불필요한 동력 소모 저감을 통한 차량 연비 개선 가능성이 높아, 효율개선을 위한 차량개발 요소기술로써 관련 연구가 지속되고 있다. 또한 최근 엔진 개발에 소요되는 시간 및 비용의 효율성을 개선하기 위해 선행단계에서 1D 모델 시뮬레이션 기반 성능예측 기술을 활용하는 버추얼 개발의 중요성이 높아지고 있다. 이에 본 연구에서는 오일 온도 변화에 따른 가변오일펌프의 성능을 예측할 수 있는 1D 모델을 구성하여 이를 향후 엔진 구동계를 모사할 수 있는 1D 모델의 요소로써 전체 시스템 소모 동력 파악에 활용할 수 있도록 하였다. 본 모델은 AMESim을 활용하여 유압 특성 모사 부분과 제어 신호 부분으로 구분하여 구성하였으며, 펌프 토출 면적, 편심 및 구동 토크 계산 시에는 자체 모델을 개발하여 해석에 활용하였다. 특히, 펌프 내부에서 발생하는 누유를 내부 및 외부로 구분하여 모델에 반영하여 펌프 토출유량 모사 정확도를 개선하였다. 또한 펌프 내부의 다양한 마찰 발생 영역을 구분하여 마찰력을 계산할 수 있는 모델을 구성하여 펌프의 토크 계산 오차수준을 향상시켰다. 결과적으로 정상상태 운전 조건에서 펌프 회전속도에 관계없이 토출유량을 3%, 토크를 8% 이내의 오차로 모사할 수 있는 모델을 완성하였으며, 본 모델을 활용하여 오일온도 변화에 따른 토출유량, 구동토크 및 체적효율 변화 수준을 예측할 수 있었다.

참고문헌 (Reference)

• 1 문한별 ; 조홍현, "자동변속기용 유량제어 오일펌프의 회전속도 변화에 따른 성능 해석" 한국산학기술학회 16 (16): 3044-3050, 2015
• 2 M. Tadros, "Optimization procedure to minimize fuel consumption of a four-stroke marine turbocharged diesel engine" 168 : 897-908, 2019
• 3 J. H. Kim, "Numerical Study on the Effect of Fuel Viscosity and Density on the Injection Rate Performance of a Solenoid Diesel Injector based on AMESim" 256 : 115912-, 2019
• 4 D. Wang, "Numerical Modeling of Vane Oil Pump with Variable Displacement" 2012
• 5 T. Kim, "Numerical Approaches of a Variable Displacement Vane Pump to Improve Fuel Economy" 463-471, 2013
• 6 G. Reddy, "Modelling and Analysis of Variable Displacement Oil Pump for Automobile Applications" 2018
• 7 J. harrison, "Modeling Engine Oil Variable Displacement Vane Pumps in 1D to Predict Performance, pulsation and Friction" 2014
• 8 S. Iwasaki, "Model-Based Development Design for a Continuously Variable Discharge Oil Pump Design" 2019
• 9 L. Teodosio, "Impact of intake valve strategies on fuel consumption and knock tendency of a spark ignition engine" 216 : 91-104, 2018
• 10 A. Esposito, "Fluid Power with Applications" Pearson 195-197, 2009
• 11 G. H. Bae, "Experimental Investigation of Fuel Temperature Effects on Transient Needle Motion and Injection Velocity of Solenoid Type Diesel Injector" 181 : 121838-, 2021
• 12 S. H. Lee, "Development of Continuously Contolled Variable Oil Pump System" 254-260, 2013
• 13 H. J. Kim, "Characteristics of Oil Pressure and Fuel Consumption on the Variable Oil Pump" 247-248, 2014
• 14 M. Palmisano, "A Numerical Study on Fuel Consumption Reduction for a SI Engine Passenger Car Equipped with an Electrically Assisted Turbocharger" Politecnico Di Torino