Simulation of the Initial Wear and Lubrication Performance of Marine Engine Components

선박엔진 부품의 성능 향상을 위한 초기 마모 및 윤활 해석 연구

Abstract

Recently, the demand for improving energy efficiency has rapidly increased because of the growing concerns over environmental issues. In this work, the tribo-test and simulation for the initial wear and lubrication performance were performed for the piston pin in the small end system of the connecting rod of a marine engine, to obtain useful data for improving the efficiency of marine engine systems. In addition, a diamond-like carbon (DLC) coating was applied to the piston pin to explore feasibility of eliminating the bush used in the system. The initial wear and lubrication characteristics between the uncoated piston pin and bush were compared with that between the DLC-coated piston pin and connecting rod in the tribo-test. The simulation for the wear and lubrication performance according to the wear progression was conducted based on the data obtained from the test. The wear characteristics were quantitatively assessed by the wear depth and wear volume, and the lubrication performance was characterized with the change of pressure and minimum oil film thickness with respect to the crank angle. It was found that the DLC-coated piston pin may provide better initial wear characteristics and lubrication performance. The results of this work may provide fundamental information for marine engines with improved efficiency.

1. 서론

최근 확대되는 환경 보호에 대한 관심과 강화된 환경 규제에 대응하여 선박 엔진 시스템의 효율성 증대가 강조되고 있다. 선박 엔진 구동 시 발생하는 많은 손실은 다양한 부품 간에서 유발되는 마찰에서 기인한다. 또한, 부품에서 발생하는 마모 현상은 부품의 신뢰성을 떨어뜨리고 유지보수 비용의 증가를 유발한다. 따라서, 엔진 효율 및 내구성 향상을 위하여 piston, connecting rod, piston ring 과 같은 부품에 대한 마찰 및 마모 특성 개선 연구들이 지속적으로 진행되고 있다[1-3]. 예를 들어, DLC (diamond-like carbon) 코팅은 저마찰 특성을 가지고 있을 뿐만 아니라, 높은 마모 저항성을 가지고 있어, 엔진 효율 및 내구성 향상에 기여할 수 있을 것으로 예상되고 있다[4,5]. 특히, DLC 코팅을 적용함으로써 기존 부품을 대체하고, 궁극적으로 부품 수 감소에 따른 원가절감 및 경량화에 따른 효율성 증대에 기여할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 그러나 선박 엔진 부품에 DLC 코팅을 적용하기 위한 연구는 상대적으로 이루어지지 않고 있는 실정이다.

이와 같이, 선박 엔진 부품의 신뢰성을 높이고 유지보수 비용을 줄이기 위하여, 부품에 발생하는 마찰 및 마모 특성과 마모 진전에 따른 엔진 윤활 성능의 변화를 체계적으로 이해하고, 효과적으로 예측하기 위한 연구가 요구된다. 그러나, 복잡하게 전개되는 마모 현상을 실제로 예측하는 것은 매우 어려우며, 이에 실험 및 경험에 많이 의존하고 있는 실정이다. 따라서, 부품의 마모 현상을 효과적으로 예측할 수 있는 해석 모델과 기법을 개발하는 것이 요구된다.

본 연구에서는 선박엔진용 piston pin에 DLC 코팅을 적용함으로써, connecting rod의 small end부에 사용되는 bush를 대체하기 위한 가능성을 타진하고자 하였다. 이를 위해, 코팅이 적용되지 않은 piston pin과 bush, 두 가지 종류의DLC 코팅이 적용된 piston pin과 connecting rod에 대한 마모 실험 및 초기 마모 해석을 수행하였다. 해석에는 마모 실험을 통해 얻은 기초 마찰 및 마모 데이터가 사용되었으며, 그 밖의 표면 거칠기와 기계적 물성치는 실험 시편으로부터 계측된 값을 이용하였다. 마모 특성은 마모 깊이(wear depth)와 마모 부피(wear rate)변화를 통하여 평가하였으며, 최소 유막 두께(minimum oil film thickness, MOFT) 및 압력 변화를 통하여 마모 진전에 따른 엔진 윤활 성능 변화를 파악하였다.

2. 연구방법 및 내용

2-1. 해석 대상 및 모델

본 연구의 대상은 선박 엔진에서 piston pin과 bush의 왕복회전운동이 발생하는 connecting rod의 small end부로 선정하였다. Piston pin에 DLC 코팅을 적용함으로써 bush를 대체하기 위한 가능성을 타진하기 위하여, 기존 엔진 시스템에 사용중인 piston pin과 bush (Case 1) 및 amorphous carbon (a-C)과 tetrahedral amorphous carbon (ta-C) 코팅이 적용된 piston pin과 connecting rod (각각 Case 2와 3)를 대상으로 마모 실험을 수행하였다. 또한, 실험을 통하여 얻은 마찰 및 마모 계수를 이용하여 초기 마모 특성 및 마모 진전에 따른 윤활 성능의 변화를 해석적으로 파악하고자 하였다.

접촉 상대 운동하는 기계 부품에서 불규칙적으로 발생하는 표면 돌기간 접촉(asperity contact)은 윤활유의 거동에 큰 영향을 줄 수 있는 점을 고려하기 위하여, 본 연구에서는 유연 다물체 동역학해석(flexible multi-body dynamic analysis, FMBD) 프로그램인 AVL EXCITE Power Unit 모듈을 사용하였다[1,6]. Fig. 1은 본 연구에서 사용한 condensation 모델을 나타낸다. Condensation 과정을 통하여 connecting rod, piston pin및 bearing 등의 구조체 전체에 해당하는 질량 및 강성 행렬을 사용하지 않고, 축약된 질량 및 강성 행렬을 구성하여 보다 효율적으로 다물체 동역학해석을 수행할 수 있다.

Fig. 1. Condensation model for small end of connecting rod system.

2-2. 윤활 및 마모 해석 이론

Connecting rod의 small end부에 사용되는 piston pin과 bush는 왕복회전운동에 따라 혼합 윤활(mixed lubrication)을 경험한다. 이 때 작용하는 총 압력(total pressure)을 예측하기 위하여, 유체 윤활 (hydrodynamic lubrication)에 의한 압력과 경계 윤활 (boundary lubrication)에서 발생하는 돌기 접촉 압력(asperity contact pressure)을 구하였다. 먼저, 유체 윤활 영역에 대한 해석은 압력 유동계수(pressure flow factor)와 전단유동계수(shear flow factor)를 반영하여, 평균 레이놀즈 방정식(average Reynolds equation)을 기반으로 이루어졌다. 여기서, 압력유동계수와 전단유동계수에는 각각 표면 거칠기에 따른 평균 압력 유동의 차이와 서로 다른 거칠기를 가지는 표면 간 미끄럼에 의한 추가 유동이 반영된다. 따라서, 이러한 접근을 통하여, 표면 거칠기의 영향을 고려한 유체 윤활 영역 해석을 수행할 수 있다[7,8]. 또한, 유체 윤활 영역에 대한 해석은 유막 발생에 따른 유막 압력(film pressure)과 piston pin, bearing 등의 구조체 변형에 따른 힘이 서로 평형을 이룰 때까지 수행된다.

한편, 돌기 접촉 모델은 모든 돌기 간 접촉을 구와 평면 간의 Hertzian contact으로 근사화하여 접촉 압력을 예측하는 Greenwood/Tripp 모델이 사용되었다[9]. 돌기 높이의 분포가 Gaussian distribution를 가지는 것으로 가정하여, 이 때 평균 돌기 접촉 압력(p_asp)은 다음과 같이 근사된다.

\(\begin{aligned} p_{a s p} & =\frac{16 \sqrt{2} \pi}{15}\left(\sigma_{s} \bar{\beta} \eta_{s}\right)^{2} \sqrt{\frac{\sigma_{s}}{\bar{\beta}}} E^{*} F_{5 / 2}\left(H_{s}\right) \\ & =K E^{*} F_{5 / 2}\left(H_{s}\right)\end{aligned}\)       (1)

여기서, σ_s는 root mean square (RMS) surface roughness, β는 asperity mean summit radius, η_s는 number of summit in nominal area를 나타내며, 모두 표면 계측을 통해 결정되어야 하는 값이다. 해석에서는 이들 값을 특정하기 어려우므로 K (elastic factor)라는 매개변수를 도입하여 대략적인 돌기 접촉 압력을 예측하였다. 또한, E*는 reduced elastic modulus이며, H_s는 non-dimensional summit clearance를 나타낸다. F_5/2는 H_s의 함수로 두 접촉면의 돌기 간 거리에 따른 접촉 압력 변화를 나타낸다. 예를 들어, H_s 값이 4 이상인 경우 F_5/2는 0이며 이는 돌기 간 거리가 충분히 멀어 돌기 접촉 압력이 발생하지 않음을 의미한다.

경계 윤활에서 상대면과 접촉하는 돌기의 마모를 예측하기 위해서, 먼저 수식 (2)를 통하여, 각 돌기에 작용하는 하중(WL)을 얻었다.

\(\begin{aligned}W_{L}=\frac{1}{T_{c y c l}} \int_{t=0}^{T_{c y c l}} p_{a s p} \cdot \mu \cdot|\Delta u| \cdot d t\end{aligned}\)       (2)

여기서, T_cycl은 엔진 운전 사이클에 해당하는 시간을 나타내며, μ_s는 마찰 계수(friction coefficient), Δu는 상대 운동하는 두 표면 사이의 상대 속도를 나타낸다. 또한, Archard’s wear law기반의 수식 (3)을 통하여 마모 깊이 h_v를 얻을 수 있다.

\(\begin{aligned}h_{v}=k \frac{1}{H} W_{L} T_{a c c}\end{aligned}\)       (3)

여기서, k는 마모 계수(wear coefficient), H는 재료의 경도(hardness), T_acc는 accumulated time을 나타낸다. T_acc는 Case 1~3에 대하여 각각 최대 사이클에 해당하는 시간을 5개의 등간격으로 나누어 설정하였다. 본 연구에서는 보다 효율적인 해석을 위하여, 긴 해석 시간동안 마모된 표면을 해석에 즉각적으로 반영하지 않고, 계산된 W_L이 T_acc 동안 작용하는 것으로 가정하여 마모 깊이를 계산하였다. 이후 마모된 표면을 다음 해석의 입력으로 적용하여 위 과정을 반복하였다. 또한, 마모 부피는 전체 표면적에 대한 마모 깊이의 합으로 계산하였다.

수식 (2)와 (3)을 바탕으로 초기 마모 예측 해석을 위해서는 마모 계수 및 경계 윤활 상태에서의 마찰 계수가 요구된다. 그러나 이들은 해석적으로 얻을 수 없으므로, 본 연구에서는 마모 실험을 통하여 얻은 값을 활용하였다. 결과적으로, 해석을 통한 초기 마모 특성은 사이클수에 따른 마모 깊이와 마모 부피를 이용하여 평가하였으며, 마모 진전에 따른 윤활 성능은 크랭크각(crank angle, CA)에 따른 최소 유막 두께의 변화와 최대 연소압 부근의 압력의 변화를 통하여 파악하였다.

2-3. 마모 실험

본 연구의 대상인 Case 1~3에 대하여 경계 윤활 상태에서의 마모 실험을 수행하였다. Piston pin 시편은 표면 경화 합금강 소재로 제작되었으며, a-C와 ta-C코팅을 적용하였다. 상대 시편으로는 실 엔진에 적용되는 bush와 connecting rod를 절단하여 사용하였다. 또한, 시편으로 부터 계측된 RMS surface roughness (R_q), reduced peak height (R_pk), core roughness (R_k), 재료의 경도(H) 및 탄성 계수(E)를 Table 1에 제시하였으며, 이를 해석에 반영하였다.

Table 1. Surface and mechanical properties of specimens.

Fig. 2는 piston pin 시편과 상대 시편의 마찰 및 마모 특성을 평가하기 위한 실험의 개략도이다. 수직 하중은 상대 시편 상단에 dead weight로 가하였고, 마찰력은 측면에 부착한 로드셀로 측정하였다. 또한, 상단에 고정된 상대 시편에 대하여, 하단의 piston pin 시편을 왕복회전 운동 시켰다.

Fig. 2. Schematics of the reciprocating tribo-test.

해당 마모 실험은 상대적으로 가혹한 실험 조건인 경계 윤활 상태와 부정합접촉(non-conformal contact) 상태에서 진행되었으므로, 가속 효과를 가지고 있을 것으로 기대된다. 따라서, 이러한 실험 데이터를 바탕으로 한 실 엔진 환경 모사 해석은 비교적 가혹한 조건을 가질 것으로 예상되는 작동 초기까지 이루어졌다. 또한, 본 연구에서 수행된 실험 조건은 실제 작동 조건과 차이가 있으므로, 해석 결과는 실 엔진 작동에 있어 상한선(upper bound)으로 여겨져야 할 것으로 판단된다.

3. 결과 및 고찰

3-1. 마모 실험 결과

마모 실험은 각 시편의 마모 정도를 고려하여 최대 10만 사이클까지 진행하였다. 먼저, Case 1에 대한 실험은 과도한 bush의 마모로 인하여 1만 사이클까지 진행되었으며, 이로부터 얻은 결과를 해석에 반영하였다. 반면, Case 2, 3에서는10만 사이클까지 측정된 값을 사용하였다. Case 1~3에서 마모 계수는 piston pin에서 각각 1.02 × 10^-6, 1.01 × 10^-6, 2.03 × 10^-6이었으며, 상대 시편에서 각각 1.84 × 10^-5, 1.08 × 10^-6, 2.98 × 10^-6으로 얻어졌다. 또한, Case 1~3에서 마찰 계수는 각각 0.14, 0.09, 0.07로 측정되었다. 위와 같이 계산된 마모 및 마찰 계수를 반영하여 초기 마모 및 윤활 해석을 수행하였다.

3-2. 마모 진전 해석 결과

Fig. 3 (a)는 Case 1에 대한 해석 결과로써, 사이클 수 변화에 따른 bush의 마모 깊이를 나타낸다. 이 때, 마모 깊이는 piston pin과 bush 간 미끄럼 운동이 발생하는 접촉면에 대하여 나타냈다. 최대 마모 깊이는 bush의 폭방향 가장자리 부근에서 발생하였다. 이는 엔진 연소압에 의해 전달된 하중으로 인하여 piston pin과 bush가 변형되고, 이에 따라 폭방향 가장자리에서 돌기 접촉이 활발하게 일어난 영향으로 생각된다[3]. 또한, 사이클이 증가함에 따라서, bush의 폭방향 가장자리부터 중심을 향해 마모가 진전되어 점차 마모 영역이 증가하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 3. 2D height images of (a) bush of Case 1, (b) connecting rod of Case 2, and (c) connecting rod of Case 3 with respect to the number of cycles.

Fig. 3 (b)는 Case 2에서 사이클 수 변화에 따른 connecting rod의 마모 깊이를 나타낸다. 최대 마모 깊이는 Case 1과 유사한 위치에서 발생하였으며, 사이클 증가에 따라 마모 영역이 점차 증가하였다. 그러나, 10배 많은 사이클에도 불구하고, 마모 깊이는 Case 1에 비하여 훨씬 작은 것으로 나타났다. Fig. 3 (c)는 Case 3에서 사이클 수 변화에 따른 connecting rod의 마모 깊이를 나타낸다. Case 3에서의 마모 진전 특성은 위의 다른 상대 소재들과 유사하나, Case 2에 비하여 더 큰 마모를 나타내는 것을 알 수 있다.

Fig. 4 (a)~(c)는 Case 1~3에서 사이클 수에 따른 piston pin의 마모 깊이를 각각 나타낸다. Fig. 3에 제시된 bush와 connecting rod의 마모와 마찬가지로, 폭방향 가장자리 부근에서 돌기 접촉에 의하여 최대 마모가 발생하는 것을 알 수 있다. Fig. 3에서 나타난 결과와 유사하게, 10배 많은 사이클에도 불구하고, Case 1에 비하여, Case 2에서의 piston pin 마모가 미끄럼 길이 대비 더 작은 것으로 나타났다. 또한, Case 3의 piston pin 마모는 Case 2에 비하여 더 큰 것으로 나타났다.

Fig. 4. 2D height images of (a) uncoated piston pin of Case 1, (b) a-C coated piston pin of Case 2, and (c) ta-C coated piston pin of Case 3 with respect to the number of cycles.

Fig. 5 (a)는 Fig. 3에 제시된 데이터로부터 얻은 결과로써, 사이클 수 증가에 따른 bush와 connecting rod의 마모 부피 변화를 나타낸다. 모든 경우에서, 마모 부피는 사이클이 증가함에 따라 커지는 것으로 나타났다. 특히, 10만 사이클 후 Case 2, 3의 connecting rod에서 발생한 마모 부피는 1만 사이클 후 Case 1의 bush에 비하여 적은 것을 확인할 수 있다. 이것은 상대적으로 bush 보다 높은 경도를 가지는 connecting rod 와 Case 2, 3의 piston pin에 적용된 DLC 코팅으로 인한 낮은 마찰 계수의 영향으로생각된다. 또한, Case 3에서의 connecting rod 마모 진전은 Case 2에 비하여 상대적으로 빠른 것으로 나타났다. 이는 Case 3의 piston pin에 적용된 ta-C 코팅의 높은 경도로 인한 것으로 생각된다.

Fig. 5. Wear volume of (a) bush and connecting rod, and (b) piston pin with respect to cycle.

Fig. 5 (b)는 Fig. 4에 제시된 데이터로부터 얻은 결과로써, 사이클 수 증가에 따른 piston pin의 마모 부피 변화를 나타낸다. Bush와 connecting rod에 비하여 piston pin의 경도가 크므로 상대적으로 적은 마모가 발생함을 알 수 있다. 1만 사이클에서의 결과를 비교하였을 때, Case 1에 비하여 Case 2, 3에서 piston pin의 마모 부피가 적은 것으로 나타났다. 이는 앞서 언급한 바와 같이, DLC 코팅 적용에 따른 낮은 마찰 계수의 영향뿐만 아니라, a-C와 ta-C 코팅의 높은 경도에 의한 것으로 생각된다. 반면, connecting rod의 마모 경향과 동일하게, Case 3에서의 piston pin 마모 부피가 더 큰 것으로 나타났다. 이러한 결과로부터, 본 연구에서 사용된 ta-C는 높은 경도에도 불구하고, 상대적으로 낮은 마모 저항성을 가지고 있는 것으로 생각된다. 또한, 상대적으로 높은 ta-C의 표면 거칠기도 실험 및 해석 결과에 영향을 미쳤을 것으로 생각된다. 결론적으로, a-C 코팅이 적용된 piston pin과 connecting rod (Case 2) 사이에서 상대적으로 가장 우수한 초기 마모 특성을 나타내는 것으로 예측되었다.

3-3. 마모 진전에 따른 윤활 성능 변화

Fig. 6 (a)~(c)는 Case 1~3에서 마모 진전에 따른 최소 유막 두께의 변화를 CA에 대해 나타냈다. 모든 경우에서, 최대 연소압이 작용하는 CA 20° 부근의 유막이 거의 존재하지 않는 것으로 나타났으며, 이에 따라 돌기 간 접촉이 상대적으로 많이 발생할 것으로 예측된다. 또한, Fig. 6에 제시된 CA 0~280°의 데이터로부터, Case 1, 3에서 발생하는 마모 진전에 따른 유막 변화는 유사한 것으로 나타났다. 이는 Case 1, 3에서 각각 1만, 10 만 사이클 후, piston pin과 상대 소재에 유사한 수준의 마모가 발생하였기 때문인 것으로 생각된다. 반면, 마모 진전에 따라 Case 2에서 발생하는 최소 유막 두께는 점차 증가하는 것으로 나타났다. 이는 Case 2에서 상대적으로 적은 마모가 발생함에 따라, piston pin과 connecting rod 변형에 의하여 발생하는 가장자리 부근에서의 접촉이 감소하기 때문으로 판단된다. 즉, Case 2가 초기 running-in 구간에서 발생하는 마모가 적으므로, 상대적으로 우수한 윤활 성능을 나타낼 것으로 기대된다.

Fig. 6. Minimum oil film thickness of Cases (a) 1, (b) 2, and (c) 3 with respect to crank angle.

Fig. 7 (a)~(c)는 Case 1~3에서 마모 진전에 따른CA 20° 부근 압력 변화를 나타낸다. 모든 경우에서, 구조체 변형에 따라 bush와 connecting rod의 폭방향 가장자리 부근에서 높은 압력이 발생하였다. 또한, 사이클 수가 증가함에 따라 최대 압력 발생 위치가 중심으로 약간 이동하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 압력 위치의 변화는 마모 발생 위치에도 영향을 미칠 것으로 생각된다. Fig. 7의 압력 변화를 이용하여 계산한 하중 지지 능력의 변화는 Case 1, 2, 3에서 각각 최대 0.6%, 0.6%, 2.5%로 전반적으로 크지 않은 것으로 나타났다. Case 2에 비하여, Case 1, 3에서 불규칙적인 압력 변화가 상대적으로 많이 관찰되었다. 이는 상대적으로 빠르게 진전되는 마모에 의한 것으로 생각되며, 특히, 이러한 급격한 압력 변화는 마모 진전을 더욱 가속시킬 수 있을 것으로 예상된다. 반면, Case 2에서의 압력 변화는 상대적으로 완만하였으며, 이는 보다 서서히 진전되는 마모에 의한 것으로 생각된다. 결론적으로, a-C 코팅이 적용된 piston pin과 connecting rod (Case 2) 사이에서 가장 안정적인 윤활 성능을 나타내는 것으로 예측되었다.

Fig. 7. Total pressure of Cases (a) 1, (b) 2, and (c) 3 with respect to the number of cycles at the crank angle 20°.

4. 결론

본 연구에서는 선박엔진 connecting rod의 small end부에 대한 초기 마모 및 윤활 해석을 수행하였다. 특히, 기초 실험 데이터를 바탕으로 마모 진전 특성과 윤활 특성을 예측할 수 있는 해석적 접근법을 도출하였으며, 그 결과로써 small end부에 실제로 발생하는 마모 현상 및 이에 따른 최소유막두께의 변화를 예측할 수 있었다. 이러한 결과는 선박엔진용 부품의 성능향상을 위한 기초 설계 자료로 이용될 수 있을 것으로 기대된다.

또한, DLC 코팅이 적용된 piston pin과 connecting rod에서 초기 마모 발생이 적은 것으로 나타났다. 따라서, DLC 코팅을 piston pin에 적용함으로써, bush를 대체할 수 있는 가능성이 있는 것으로 기대된다. 향후 본 연구와 유사한 접근 방법을 통한 데이터 축적이 이루어져야 할 것으로 생각되며, 특히, long-term 실험 및 해석이 필요할 것으로 사료된다. 최종적으로, 코팅과 substrate 간 피로 균열, 부품의 큰 변형 등과 같이 엔진 운전 중 실제로 발생할 수 있는 물리적 현상이 해석에 반영될 수 있는지를 확인하고 실제 엔진 운전 결과와 해석 결과를 비교함으로써, 해석 모델의 타당성을 검증할 필요가 있을 것으로 생각된다.