자동차 엔진의 연소 효율 검사 모니터링에 적용된 디지털 고속 카메라
KOMI
오늘날 자동차를 구입할 때 일반 소비자는 바른 정보를 얻지 못하고 있다. 고가의 가솔린 가격이 주요 관심사인 상황에서 ‘연료 효율이 높은’이라는 용어를 고급 차량, 또는 출퇴근 차량의 모든 자동차 제조업체가 광고하고 있다. 우리는 환경 의식이 있는 소비자로서 저배출, 주행거리당 연료소모량, 그리고 고성능을 동시에 기대한다. 그 결과 매해 더 깨끗한 연소와 더 효율적인 엔진의 필요성이, 엔지니어에게는 복잡한 기술 솔루션을 요구되는 속도로 일하게 만든다.
엔지니어는 첨단 디지털 고속 이미징 시스템을 사용함으로써 자동차 엔진을 통해 흐르는 연료의 마지막 분자를 검사할 수 있을 정도로 테스트 방법을 개선할 수 있다. 250년 가까이 된 독일 Freiberg대학의 Christoph Brucker 교수의 경우가 그렇다. Brucker 교수는 엔지니어 팀과 함께 내연 기관의 효율을 테스트하기 위한 공격적인 프로젝트에 착수했다.
그는 “우리의 목표는 더 많은 동력을 생산하기 위해 연료를 덜 필요로 하는 더욱 나은 자동차 엔진을 만드는 것입니다. 이를 위해서는 엔진 내부의 유체 운동을 분석하고 가스와 액체의 속도를 정확히 찾아야 합니다. 그렇게 하면 공기와 연료가 엔진에 주입되는 방식을 수정할 수 있으며 엔진 부품 중 일부를 더 잘 작동하는 엔진 부품으로 교체할 수 있습니다.”라고 설명했다.
엔진 시동
Brucker의 실험은 가스, 액체, 또는 플라즈마의 혼합에 대한 연구인 유체 역학(fluid mechanics) 분야다. 엔진 흐름에서, 연료와 공기의 양호한 혼합은 연소실에서 생성되는 효율과 동력에 중요하다. 그러므로 실린더에서의 유체 운동에 대한 자세한 지식이 필요하다.
유체의 움직임은 흐름의 어느 지점에서의 속도(속력 및 방향)를 나타낸다. 과학자와 엔지니어가 속도를 측정하는 몇 가지 방법이 있다. PIV(Particle Image Velocimetry)는 연구 중인 유체에 추적 입자가 뿌려지는 경우다. 이 연구에서 유체 요소의 속도와 방향은 입자를 엔진에 주입하고 레이저 시트로 조명함으로써 계산된다. 많은 양의 이미지 평면은 레이저 시트를 빠르게 이동시켜 ‘스캔’된다. 이 기술은 스캐닝 PIV라고 하며 일반적으로 3개 이상의 카메라가 필요한 반면 3D 측정에는 단일 카메라를 사용할 수 있다.
Brucker 교수팀의 엔지니어인 David Hess는 “PIV의 아이디어는 이 레이저 기술을 사용하여 흐름의 이미지 시퀀스를 기록하고 시퀀스의 연속 이미지를 비교하는 것입니다. 그것은 유체의 속도와 그들이 일정 시간 동안 움직이는 방향을 보여주는 이미지의 매핑입니다. 우리는 레이저 광 시트를 신속하게 이동시켜 볼륨을 ‘스캔(P- 레이 컴퓨터 단층 촬영과 유사)’함으로써 PIV 기술을 더욱 발전시켰습니다. 이를 통해 우리는 흐름의 단일 평면뿐만 아니라 3D 볼륨을 조사할 수 있습니다. 이 Scanning-PIV 기술은 높은 프레임 속도를 기본으로 합니다.”라고 설명했다.
팬텀 v1610 출시
Brucker와 그의 동료들은 유체 역학에 대한 연구를 시작하기 위해 특별한 관찰 기능을 갖춘 내연 기관을 만들었다. 다음으로 Vision Research Phantom v1610 디지털 고속 카메라를 사용하여 이미지 지도를 개발하고 지도에서 엔진 내부의 유체 속도를 보고, 기록하고 측정할 수 있었다.
Brucker는 “디지털 고속 카메라는 이러한 유형의 애플리케이션에 절대적으로 필요하며 우리가 과거에 v12를 사용하고 성능에 매우 감명을 받았기 때문에 우리가 잘 알고 있는 기술이었습니다. 따라서 우리는 v1610이 초당 16.3GB 이상의 데이터를 수집하고 저장할 수 있다는 것을 알게 되었을 때 즉시 업그레이드 했습니다.”라고 말했다.
Vision Research는 Phantom v1610을 통해 고속 이미징 분야에서 타의 추종을 불허하는 표준을 세웠다. 동급 최상급인 이 카메라는 전체 해상도에서 초당 16,000프레임(fps) 이상, 해상도가 낮아서 1,000,000fps까지 캡처할 수 있다.
이러한 초고속도 프레임 덕분에 Brucker는 자신의 레이저 광 시트를 신속하게 앞뒤로 움직여 자동차 엔진 내부를 스캔할 수 있었기 때문에 관찰 기능에서 3D 흐름을 볼 수 있었다. 팀은 v1610이 레이저 시트에 수직으로 향한 상태에서 표준 디지털 카메라의 10,000가지 이미지를 결합하는 것과 비교할 수 있는 인상적인 일련의 이미지를 캡처했다.
Brucker는 “유체의 흐름을 연구할 때 프레임 속도는 매우 중요합니다. 이러한 높은 시간 및 공간 해상도에서 엔진 내부의 흐름을 실제로 볼 수 없기 때문에 이러한 유형의 데이터를 기록할 수 있었던 다른 방법은 없습니다. v1610을 사용하여 3D 속도 필드를 자동차 엔진의 하나의 실린더 전체에 매핑할 수 있었습니다. 우리는 카메라로 흐름 구조와 와류의 3D 성질을 발견했습니다. 이것은 엔진 내부에서 일어나는 일의 역동성을 이해하는 데 도움이 되었습니다.”라고 설명했다.
Phantom v1610은 고화질 및 와이드 스크린 1280×800 CMOS 센서를 특징으로 하며, 이는 선호하는 운동 방향의 실험을 촬영할 때 매우 유용하며 현재 시장에 나와 있는 다른 어떤 카메라보다 상당히 빠르다. 비전 리서치의 독점 센서를 바탕으로 한 v1610은 28마이크론 픽셀을 제공하므로 저 조도에서 촬영할 때 뛰어난 감도를 제공하며 이는 Brucker의 실험에서 중요한 문제였다.
그는 “우리는 우리의 결과를 방해했을 수 있기 때문에 이러한 종류의 응용 프로그램에 전통적인 조명 설정을 사용할 수 없습니다. 우리가 시험하는 동안 우리가 가진 유일한 조명은 시트 위로 확산된 레이저의 빛이었습니다. 그러나 v1610이 완벽하게 작동했기 때문에 그만한 것으로 입증되었습니다.”라고 덧붙였다.
또한 대용량 데이터를 신속하게 저장할 수 있는 능력은 Brucker가 v1610을 사용하기로 결정한 또 다른 핵심 요소였다. 그는 “프레임 속도가 높은 속도로 촬영할 때 많은 메모리가 필요하며 데이터를 신속하게 저장할 수 있어야 합니다.”라고 설명했다. v1610은 최대 96개의 파티션으로 분할할 수 있는 96GB의 메모리를 제공하며 연속적으로 촬영할 수 있다.
카메라에는 Vision Research의 획기적인 CineMag 인터페이스가 장착되어 있어 Brucker가 카메라 메모리에서 비휘발성 저장 장치로 고속 촬영을 몇 초 만에 저장할 수 있었다.
역학 및 유체 역학 연구소의 Brucker의 실험은 진행 중이며, 현재 자동차의 연료 배출에 중대한 영향을 미칠 것으로 기대되는 실험이다. 그는 “v1610으로 수집된 데이터로 연구팀은 이제 내연 기관의 역학을 더욱 잘 이해합니다. 우리가 계속 포착한 데이터가 우리가 환경에 크게 도움이 되는 더욱 깨끗하고 효율적인 자동차 엔진을 구축할 수 있기를 희망합니다.”라고 말했다.
자료 제공: KOMI(www.komiweb.co.kr)
