브레이크 분진 배출의 악순환 차단

자동차에서 배출되는 오염물질 이라고 하면 배기관에서 나오는 배기가스의 이미지가 가장 먼저 떠오를 것입니다. 하지만 자동차는 브레이크 마모, 타이어 마모, 도로 마모 등에서 오는 다른 잠재적 오염 입자들도 배출합니다. 실제로 배출되는 오염물질 15%만 배기가스가 차지하고 나머지 85%는 다른 오염 물질들이 차지합니다. 그 중에서도 브레이크 디스크에서 발생하는 소형 금속 입자들이 여과장치를 통해 가장 잘 포집될 수 있습니다. 유럽연합(EU)은 브레이크 디스크 입자를 포함해 차량의 모든 배출물질을 규제하는 법안을 검토하는 중입니다.

독일 루트비히스부르크에 위치한 MANN+HUMMEL의 엔지니어들은 인도 사무소의 추가 엔지니어링 지원을 받으며, Ansys Fluent를 사용해 브레이크에서 발생하는 금속 입자의 흐름을 시뮬레이션하고 있습니다. 목표는 브레이크 캘리퍼에 맞는 패시브 필터(즉, 고정 부품)를 설계하여 금속 입자들이 주변으로 배출되기 전에 포집하는 것입니다. 

엔지니어링 팀에게 Ansys 소프트웨어 사용을 결정하는 것은 쉬웠습니다.

MANN+HUMMEL의 시뮬레이션 필터 요소 관리자 Christoph Schulz는 “우리는 Ansys Fluent 경험이 있는 엔지니어들이 많다는 점을 큰 장점으로 가지고 있습니다.”라고 하면서  “그래서 우리가 이 프로젝트를 시작했을 때 Ansys가 우리의 첫 번째 선택이었습니다.”라고 말했습니다.

브레이크 입자 배출 모델링의 어려움

브레이크 디스크/패드 시스템은 비교적 단순한 것처럼 보이지만, 생각보다 모델링하기 어렵습니다.

Schulz는 “브레이크 디스크 입자 발생 및 흐름의 물리학은 완전히 이해하지 못했습니다.”라고 하면서 “이 주제에 대해 몇 편의 박사 학위 논문을 연구하고 작성하기 전까지는 완전한 이해는 어렵습니다.”라고 말했습니다.

이 시스템의 시뮬레이션에는 브레이크 분진 입자 필터(BDPF)추가를 포함하여 다음과 같은 변수를 고려해야 합니다.

• 내부 벤틸레이티드 브레이크 디스크 회전에 의해 생성되는 BDPF 내의 전체 흐름장.
• 브레이크 패드, 브레이크 디스크, 금속 필터의 소재.
• 0.1-10 µm 범위의 금속 입자 크기에 대한 필터의 분리 효율.
• 금속 입자가 필터 매체에 충돌하여포집될 확률.
• 10-130km/h 범위의 준정적 흐름률.
• 제동 중에 BDPF가 가열될 때의 열 효과.

이러한 점 들 중 일부를 확장하여, Schulz는 브레이크 디스크(주로 주철)와 브레이크 패드(철, 구리, 강철, 그래핀이 결합된 금속으로 만들어짐)의 소재는 제조업체에 따라 다르므로, 제동 중에 이 사이에 발생하는 마찰량이 다르다고 설명합니다. 이러한 마찰로 인해 디스크에서 다양한 크기와 수량의 금속 입자를 형성합니다. 따라서 입자의 크기와 수량은 브레이크 제조업체, 온도 및 유압 브레이크 시스템에 가한 압력에 따라 달라집니다.  

온도는 또한 금속 입자가 브레이크를 통해 공기 중으로 배출되는지 아니면 처음에 디스크에 붙어있다가 나중에 배출되는지를 결정합니다. 금속 입자가 배출되면 디스크의 내부 벤틸레이티드 시스템으로 들어가는데, 이 시스템은 냉각 공기가 흐르는 구멍으로 구성되어있습니다. 이 공기 흐름은 주행 속도와 바람 조건에 따라 상당히 달라질 수 있습니다.

BDPF를 설계할 때 엔지니어는 여과 시스템이 공기 흐름을 악화시키지 않도록 주의해야 합니다. 금속 메시는 여과 매체로 사용되기도 하지만,특히 필터를 오랫동안 사용하여 메시 속의 여과 된 입자들로 필터가 막혔을 때 공기 흐름 속도를 늦추기도 합니다. 공기 흐름이 원활하지 못하면 과열이 발생할 수 있습니다.

Schulz는 “이러한 모든 변수로 인해 브레이크 입자 여과 장치 설계가 더욱 복잡해집니다. 설계가 더 복잡해질수록 설계의 불확실성으로 이어질 수 있습니다.”라고 말했습니다.

시뮬레이션을 통한 불확실성 감소

이러한 문제를 해결하기 위해 여러 박사 학위 준비생들에게 연구 및 논문 작성 자금을 지원하는 대신, MANN+HUMMEL의 공기 필터 요소 및 시뮬레이션 엔지니어링 책임자인 Florian Keller 박사는 BDPF가 장착된 브레이크 시스템을 통해 입자의 흐름을 더 잘 이해하고 추적하는 연구를 주도했습니다. 그가 SAE International에 게재한 저널 논문 “여과 효율성을 수치적으로 예측하기 위한 모델링 접근 방식 개발(Development of a Modeling Approach to Numerically Predict Filtration Efficiencies)”에는 다음과 같이 썼습니다.

“내부 벤틸레이티드 브레이크에 대한 전산 유체 역학(CFD) 시뮬레이션은 첨단화 되었지만, 브레이크 주변의 입자 발생 및 배출부터 입자 역학까지의 전체적인 모델은 아직 없습니다.”

이 논문에서는 그의 팀이 Fluent를 사용하여 10가지 필터 설계 및 4가지 플로팅 캘리퍼 브레이크 시스템에 대한 여과 시뮬레이션을 하며, 전체적인 모델을 개발하기 위한 노력이 기술되어 있습니다.

시뮬레이션에 사용된 BDPF는 주름진 금속 섬유 필터 그리드로 채워진 하우징으로 구성되어 있으며, 이 그리드는 하우징 양쪽 축 표면과 방사형 표면 모두에 배치되어 있습니다. 주름진 모양은 여과 매체의 표면적을 증가 시킵니다. 하우징은 브레이크 캘리퍼에 부착되어 있습니다. 브레이크 디스크가 회전하면 공기가 내부 환기 영역을 통해 BDPF로 흐릅니다. 이 공기는 브레이크에서 나온 금속 입자가 포함되어 있어 필터 메시에 갇힐 수 있습니다. 시뮬레이션의 목표는 브레이크에서 배출되는 금속 입자가 필터에 의해 포집되는 비율을 확인하는 것입니다.

논문에 따르면 Keller와 연구팀은 이동 기준 프레임(MRF)방식을 사용하여 시뮬레이션을 설정했습니다. 이 접근 방식에는Fluent의 Navier-Stokes 유체 흐름 방정식이 고정 프레임에서 이동 프레임으로 변환됩니다. 이는 입자 상대 속도, 관성 프레임의 속도, 각속도 및 이동 프레임의 원점으로부터의 위치 벡터를 고려하여 수행됩니다. 이러한 방식을 사용하면 공기의 가속도에는 내부 환기 영역의 공기 흐름을 유도하는 코리올리스 힘과 원심력이 포함됩니다. 

팀은 이산 유동 모델링(DPM)을 사용하여 입자의 거동을 주입하고, 추적 및 분석하고 궁극적으로 BDPF의 여과 효율성을 계산했습니다. 밀도가 2,650kg/m³인 0.1µm, 0.5µm, 1µm, 2µm, 3µm, 5µm, 7µm, 10µm 크기의 이산 입자를 브레이크 패드 부근의 4개 주입 지점에서 시뮬레이션 영역으로 주입하였습니다.

입자 궤적 추적을 위한 통합 단계 수는 70,000으로 설정되어 불완전한 궤적을 줄였습니다. Fluent에서 제공하는 시뮬레이션 된 입자 추적은 입자가 먼저 필터 매체를 향해 방사형으로 이동한 다음 필터 요소 둘레 방향을 따라 흐르는 것을 보여줍니다. 금속 입자가 필터 매체 표면에 도달하면 포집된 것으로 간주하게 되고, 영역 출구를 빠져나간 입자는 탈출한 것으로 간주합니다.

이러한 시뮬레이션을 통해 Keller팀은 브레이크 패드와 디스크에서 나오는 금속 분진 입자의 흐름을 추적하고, 여과 매체와의 충돌 확률을 예측하여 입자 크기 분포를 결정할 수 있었습니다. 그리고10가지 BDPF 설계의 전체 여과 효율을 계산할 수 있었습니다. 분진 입자가 여과 매체에 충돌할 확률은 한 설계 당 80%까지 높아졌습니다.

MANN+HUMMEL 엔지니어는 시뮬레이션 결과와 실제 실험 결과를 비교하기 위해 물리적 제동 테스트 벤치를 개발했습니다. Keller와 연구팀은 Fluent 시뮬레이션을 사용하여 내린 결론은 다음과 같습니다. 유럽과 일본에서 대표적으로 운행되는 최고 엔진파워 차량을 포함한 WLTC Class 3 cycle 차량으로 진행한 물리적 여과 실험 결과와 비교해봤을 때, 최대 10%의 정확도로 예측할 수 있었습니다.

시뮬레이션 결과와 물리적 실험 결과가 거의 일치했지만 시뮬레이션은 훨씬 더 자세한 정보를 제공했습니다.

 Schulz는 “테스트 벤치에서 얻기 어려운 것이 흐름장과 입자 움직임 자체에 대한 인상입니다.”라고 하면서 “그래서 시뮬레이션을 사용하면 정말 큰 이점을 얻을 수 있습니다. 이 브레이크 시스템을 보시면 입자가 빠져나와 필터 요소를 피할 수 있는 작은 틈이 많이 있습니다. 실제 테스트 벤치에서보다 시뮬레이션에서 이러한 작은 틈을 확인하는 것이 훨씬 쉽습니다. Fluent는 흐름과 입자 움직임의 세부 사항을 밝혀내는 데 큰 이점이 있습니다.”라고 말했습니다.

Ansys Fluent가 어떤 도움을 줄 수 있는지 자세히 알아보십시오.