궤도차량 엔진용 공기정화기 검증에 관한 연구

A Study on the Verification of Air Cleaning Unit for Engine of Tracked Vehicle

Abstract

The air cleaning unit of K00 IFV(or Infantry Fighting Vehicle) has important roles to make sure the engine of the vehicle works precisely as filtering foreign substances in the air such as dust and sands. The entire components including scavenge fan which is one of the important inner part of the air cleaning unit are developed so that we can produce it domestically and don't need to import it from P^⁎⁎ Co., the original maker in United Kingdom. This paper introduces a few verification processes including cleaning efficiency and reliability. As this core unit has developed successfully the improvement of military strength and logistics support can be expected. And design capability, manufacturing skills, maintenance ability of tracked weapon system will be increased thanks to the accumulated technical knowledge obtained from this developing project. Foreign currency savings and reducing operational cost can be expected as well in military industry.

1. 서론

K00 전투차량에 적용되는 공기정화기는 엔진에 공급되는 공기의 이물질을 1, 2차에 걸쳐 99% 이상 제거하는 중요 부품으로써 몸체와 필터 엘리먼트 조립체, 소기용 송풍기(Scavenge fan)로 구성된다. 체계개발 시 영국의 P社로부터 수입하여 전력화하였으나 안정적인 부품수급과 외화절약 및 원가절감, 국내 독자 설계능력 제고, 제조 기술력축적, 정비/유지능력 개선 등을 위하여 방위사업청의 승인을 받아 국산화 개발을 진행한 품목이다. 엘리먼트 조립체(2차 필터 포함), 송풍기 등 주요 부품은 유사 국산화개발 사례와 국방도면, 품질보증요구서 등 기술자료를 참조하여 개발하였다. 개발결과를 검증하기 위해 성능시험, 환경시험 및 체계적합성 등의 시험평가를 실시하고, 최종규격화를 완료하였다. 1차 공기정화를 위한 송풍기(Scavenge fan)는 신뢰성분석을 통해 기대수명(고장간 평균시간, Mean Time Between Failures, 이하 MTBF)을 예측하였다.

공기청정과 관련하여 Woo-tae Jeong[1]은 터널 내부의 초미세먼지 제거를 위한 흡입시스템과 사이클론형식의 집진장치 연구를 전산유체해석을 통해 수행하였고, Jang Sung-Cheol[2]은 사이클론 방식과 여과필터 방식을 결합한 일체형 가우징용 집진기의 시제품 제작에 앞서 그 설계의 타당성과 신뢰성을 전산유동해석을 통해 평가하였다. Wanyong Rha[3]는 습지(Wet paper) 필터를 중용 디젤엔진에 적용한 후, 엔진 성능과 소음 저감특성은 물론 경제성 또한 분석하였다. 차량 엔진용 공기정화기의 시험방법은 국내외 산업규격[4-5]을 통해 표준화된 절차가 제공되지만, 본 논문에서 다루는 공기정화기와 같이 송풍기가 장착되는 경우에는 맞춤형 시험 장치와 절차를 고안해야 한다. Neville J. Bunli[6]은 산업표준을 이용하여 공기정화기 성능에 영향을 미치는 설계변수와 다양한 먼지 조건에서 실험하는 방법을 제안하였다. Jong-Soon Kim[7]은 분말 수송 배관 시스템의 압력 강하를 직선 및 곡선 파이프에서의 공기흐름과 입자 움직임의 상호작용으로 분석하였으며, 이는 본 연구에서 공기 내 이물질이 배출되는 과정을 이해하는 데 도움을 주었다. Jung Wan-Bo[8]는 세라믹 촉매 필터를 이용하여 먼지 90%와 질소산화물 85% 이상을 제거하는 연구를 수행하고, 중유 보일러용 촉매필터가 동시에 질소산화물과 분진을 처리하는 성능 확인시험을 수행하였다.

본 논문은 산업규격과 Neville의 방법을 적용하여 국내기술로 개발한 공기청정기의 효율을 검증하고, 소기용 송풍기의 신뢰성 분석과정을 소개한다. 2 단계에 걸쳐 이물질을 제거하는 유사부품개발 시 도움이 될 것으로 판단된다.

2. 공기정화기 구성 및 작동원리

K00 공기정화기는 Fig. 1과 같이 차량의 앞쪽 우측(엔진룸 상부)에 장착되어 흡입된 외부공기의 이물질을 99% 이상 제거한 후 엔진에 공급한다.

Fig. 1 Mounting Position of air cleaning unit

모래, 먼지 등을 효과적으로 제거하기 위해 Fig. 2와 같이 프리클리너(1차, 원심력 이용)와 필터엘리먼트(2차, 여과지 이용)를 순차적으로 이용한다. 몸체조립체는 1, 2차 필터와 송풍기를 고정시키는 하우징으로써 공기가 흐르는 통로를 제공한다. 냉간압연 강판을 리벳팅하여 제작되고, 기동체계에 적용되므로 진동에 대한 내구성을 필요로 한다. 1차 필터인 프리클리너 부분을 확대하여 표현하면 Fig. 3과 같다. 프리클리너는 나선모양의 내부 구조를 갖는 작은 플라스틱 관인 Vortex tube(Fig. 4 참조)들로 구성되며, 흡입공기의 와류를 이용하여 이물질을 제거하는 싸이클론 방식을 적용한다.

Fig. 2 Schematic of air cleaning unit

Fig. 3 Operating concept of pre-cleaner

Fig. 4 Principle of removing dust in a vortex tube

엔진 힘에 의해 흡입된 외부 공기는 이 관들을 통과하면서 자연스럽게 회전을 하게 되고, 발생된 원심력에 의해 공기 중 무거운 이물질들은 플라스틱 관의 바깥쪽을 따라 이동을 하게 된다. 나선모양의 내부구조를 갖는 Vortex tube는 작은 플라스틱 출구관과 결합되면서 작은 틈을 생성하는데, 벽면을 따라 이동하던 이물질들은 이 틈새를 통해 외부로 배출된다. 배출된 이물질들은 송풍기에 의해 강제로 차량 외부로 소기된다. 93% 이상의 이물질을 제거하는 프리클리너는 공기정화기의 가장 중요한 구성품으로 본체와 수명을 같이한다. 즉, 별도의 교환주기를 갖지 않는다. 원제작사의 저작권 문제[9]로 인해 국산화하지 못하였으나, 형상 또는 방식을 달리함으로써 향후 국산화가 반드시 필요한 품목 중 하나로 볼 수 있다. 송풍기는 공기정화기의 1차 필터 하단에 부착(Fig. 2 참조)되며 구성은 Fig. 5와 같다. 일반 송풍기와 달리 모래나 먼지 등의 악조건에서 구동되므로, 충분한 내환경성과 내구성을 요한다.

Fig. 5 Structure of scavenge fan

원제작사로부터 기술 자료를 확보할 수 없어 역설계 과정을 통해 개발하였다. 기본적인 성능시험을 포함하여 온도, 진동, 충격, 균류, 강우, 모래/먼지, 날개마모 등의 환경시험을 수행하고, 이론적으로 MTBF를 분석하여 개발품의 신뢰성을 확인하였다. 제어기 일체형인 송풍기의 제원은 Table 1과 같다.

Table 1. Specification of scavenge fan

엘리먼트 조립체는 프리클리너를 1차 통과한 공기의 작은 이물질을 제거하는 2차 필터를 포함한 구성품으로써 본체로부터 탈착이 가능하고, 필요시 교체할 수 있도록 설계되어 있다. 유리섬유 재질로 제작되며, 주요제원은 파열강도 0.5Kg_f/cm², 투기도 2.0±0.3sec/300cc이다.

3. 개발품 검증

역설계 개발품을 검증하기 위해 Table 2와 같은 시험을 관련 국내외 산업표준과 기술자료를 참조하여 수행하였다[4,5,10,11]. 본 논문에서는 개발품 특성에 맞게 시험을 변형한 청정효율 시험과 해석적으로 검증한 송풍기의 신뢰성 분석결과를 소개한다.

Table 2. Test items for validation

3.1 청정효율 성능 확인

청정효율시험은 기본적으로 민수표준(KS R ISO 5011)을 따라 수행[4]하나, 개발품의 구조 특성상 시험장비 일부를 Fig. 6(a)와 같이 조정하여 시험을 실시하였다. 개발품에는 소기 목적의 송풍기가 자체 내장되어 있으므로 Fig. 6(b)와 같이 민수표준의 시험구성처럼 시험용 소기장치(A-B 구간) 구성이 불필요하다. 배기 목적의 시험용 송풍기가 없으므로 소기라인의 배기손실을 보상치 못하여 다소 불리할 수 있을 것으로 판단되나, 출구가 대기로 개방되어 있어 압력저항이 크지 않고, 소기라인의 길이와 높이의 변화가 크지 않으며, 공기의 비중량이 무시할 만큼 작으므로 시험장치 변화에 따른 차이는 없을 것으로 판단하였다.

Fig. 6 Configuration of cleaning efficiency test (a) Adjusted system, (b) Standard system of KS R 5011

Fig. 6의 식별부호별 장비명은 다음과 같다.

1 소기식 1차 청정기 2 주 공기청정기

3 출구튜브 4 절대필터

5 공기 유량계 6 유량 제어장치

7 소기 공기 덕트 8 소기용 필터

9 소기 유량계 10 배기 송풍기

11 통기저항 측정장치

프리클리너(1차)의 청정효율을 산출할 경우, KS R 1041에서 제시하고 있는 1차 청정기 성능 계산식인 “1차 청정기의 청정효율(%) = 1차 청정기의 질량증가량/공급먼지량 × 100”을 적용하여 산출하였다[4]. 이때 “1차 청정기의 질량증가량 = 프리클리너의 질량 증가량 + 소기된 먼지량” 이 적용되어야 하며, 최종 공기정화기의 청정효율은 {(공급 먼지량 - 앱솔루트 필터의 질량 증가량)/공급 먼지량} × 100으로 계산하였다.

시험장비와 시험에 적용한 조건은 각각 Fig. 7, Table 3과 같고, 시험에 사용한 먼지는 “SAE Coarse dust[5]”이다.

Fig. 7 Equipment of cleaning efficiency test

Table 3. Condition for cleaning efficiency test

시험결과는 Table 4와 같으며, 1차와 최종 청정효율은 설계목표를 만족하였다.

Table 4. Results of cleaning efficiency test

3.2 소기팬(송풍기) 신뢰성 확인

프리클리너를 통해 1차 이물질을 제거하기 위해 송풍기는 모래와 먼지, 충격 등 악조건의 환경에서 요구수명을 만족해야 한다.

송풍기의 내부 구성은 Fig. 8과 같고, 커패시터, 모터 등 내부 부품에 대한 수명 데이터를 확보하고 환경적 요인들을 반영하여 송풍기의 신뢰도를 분석하였다. 일반적으로 신뢰도는 식 (1)과 같이 표현된다.

R(t) = Pr(T≥t)

= 1 - F(t) = ∫^∞_t f(t)dt       (1)

Fig. 8 Major components of scavenge fan

여기서 T는 분석대상의 수명을 나타내는 확률변수이다. 확률밀도함수 f(t)가 존재한다면 고장률은 식 (2)와 같고, 지수분포를 따르면서 고장률 λ를 갖는 부품의 신뢰도는 식 (3)과 같다.

λ(t) = f(t) / R(t)       (2)

R(t) = e^-λt       (3)

장비의 수명이 지수 분포를 따른다고 하면 장비의 신뢰도를 표현할 때, 사용하기 편리한 MTBF로 신뢰도를 나타낼 수 있다. 고장률이 상수 λ_i이고, n개의 모듈이 직렬구조로 이루어지는 장비의 MTBF는 식 (4)와 같다.

\(\begin{align}M T B F=1 / \sum_{i=1}^{n} \lambda_{i}\end{align}\)       (4)

전자 장비의 고장률을 구하는 대표적인 모델로는 MIL-HDBK-217(N2)에서 제시한 모델[10]이 있으며, 본 연구에서도 이를 바탕으로 송풍기에 대한 MTBF 해석을 수행하였다. MIL-HDBK-217F(N2) 에서는 전자 장비의 신뢰도 예측을 위한 부품의 고장률 계산 방법으로 부품 수량분석법(Parts Count Reliability Prediction)과 부품 부하분석법(Parts Stress Analysis Prediction)을 제시한다. 부품 수량 분석법은 장비의 초기 설계 단계에서 부품의 형태, 품질 수준, 적용 환경조건 등만 고려하여 신뢰도를 계산하는 방법으로 식 (5)와 같이 고장률을 산출한다.

\(\begin{align}\lambda_{\text {EQUIP }}=\sum_{i=1}^{n} N_{i}(\lambda_{G} \times \pi_{Q)_{i}},\end{align}\)       (5)

여기서, λ_EQUIP 는 장비의 고장률(Failure/10⁶ hours), λ_G는 i번째 부품의 고장률, π_Q는 i번째 부품의 품질인자, N_i는 i번째 부품의 수량, n은 서로 다른 부품의 종류를 각각 나타낸다. 본 연구에서 사용한 부품 부하분석 예측 방법은 실제로 하드웨어 및 회로 설계가 완료되었을 때 적용이 가능한 방법이며, 초기 설계단계에서 장비의 설계조건으로 요구되는 신뢰도와 부품의 선정을 적절히 조정(Trade-off)하는 방법으로도 활용할 수 있다. 이 방법은 부품의 고장을 유발하는 각종 요소들을 고려하여 고장률을 예측할 수 있다. 부품의 품질등급을 나타내는 품질 인자(Quality Factor), 부품의 내부 회로의 복잡도를 나타내는 복잡도 인자(Complexity Factor), 온도 인자, 적용 환경조건 인자 및 실제 장비가 동작할 때 부품에 가해지는 부하(Stress) 등을 고려한다.

MIL-HDBK-217F(N2)에서 제시한 고장률 모델은 일반적으로 식 (6)의 형태를 갖는다.

λ_p = λ_b × π_T × π_A × π_R × π_S × π_C × π_Q × π_E       (6)

식 (6)은 개별 반도체의 고장률 모델로써, λ_b는 기본 고장률이고, π는 부품의 신뢰도에 영향을 주는 인자들이다. π의 아래 첨자 T는 Temperature, A는 Application, R은 Rating, S는 Stress, C는 Construction, Q는 Quality, E는 Environment를 각각 나타내며, 부품별로 고장률 모델 계산 시 다른 값과 형태를 가진다.

MIL-HDBK-217F(N2)에서 모델이 제시되지 않은 비 표준 전자부품의 고장률과 일부 기구부품 등의 고장률은 미국의 RIAC(Reliability Information Analysis Center)에서 발행하는 NPRD-95 (Non-electronic Parts Reliability Data)사용하여 구할 수 있다[11]. NPRD-95는 군용, 상용 및 산업체에서 얻어진 고장률에 관한 경험 데이터를 신뢰도 수준, 응용분야 등에 분류하여 제시하고 있어 본 연구에서 사용하였다. 운용온도에 따른 품질 등급은 각 부품별 운용온도를 적용하여 Commercial, Industrial 및 Military로 구분하여 결정된다. 송풍기는 일반적으로 운용 온도가 65℃로 Table 5와 같이 등급 B에 해당하지만, 본 연구에서는 송풍기의 실제 운용온도인 85℃로 적용하여 MTBF를 추정하였다. 품질 등급을 동일하게 유지하면서 온도 환경인자를 가혹하게 설정함으로써 보다 보수적인 결과를 산출하기 위함이다.

Table 5. Quality Level according to operating Temp.

환경 조건은 개발된 장비가 실제로 운용되는 환경에 따른 영향을 구분하기 위한 범주를 나타낸다. 육상, 해상, 공중 등의 사용 환경으로 구분하며, 규격에 따라 구분의 차이가 존재한다. 운용 시 적용된 환경 조건을 고려하여 MIL-HDBK-217F(N2)에서 제안하는 G_M (Ground & Mobile)으로 적용하였다. Stress는 각 부품 별 분류에 따른 MIL-HDBK-1547A의 Derating Factor 값을 이용한다. 단, 적절한 Subcategory가 없는 Capacitor의 경우 Derating factor로 가장 악조건인 0.5를 적용하였다. 송풍기의 MTBF 해석에 있어, Derating factor의 사용은 0.7로 고정하였다. Table 6과 같이 MIL-HDBK-1547A에서 특정 부품은 0.7이상으로 Derating factor가 주어지기도하나, 송풍기의 경우 해당 부품의 수가 적을 뿐더러, 다른 부품에 대한 Derating 정도가 충분히 크므로 문제가 없다고 판단하였다.

Table 6. Stress derating factors

NPRD-95 고장률 데이터 중 G_M 환경이 없는 경우에는 MIL-HDBK-338B의 Environmental conversion factor를 적용하여 G_M 환경으로 보정하였다. 송풍기의 경우, G_M 환경이 없는 BLDC Motor와 Hall Sensor 부품이 있어서 G_M에 해당하는 환경 변환 계수 값을 적용하여 MTBF 해석을 수행하였다.

내부의 모든 부품에 대해 식 (6)을 이용하여 고장률을 계산한 후, MIL-HDBK-217F(N2)를 기반으로 Part Stress analysis 예측법을 통해 송풍기의 MTBF를 추정한 결과 7,852 시간이고, 고장률은 127.35×10^-6 이었다. Relex Opsim 모듈을 이용하여 MTBF에 대한 95% 신뢰 구간을 구해보면 [4,885, 7,896]으로 예측 되었다. 즉, MTBF에 대한 95% Lower Bound는 4,885시간으로, 95%신뢰수준에서 4,000시간을 보증한다고 볼 수 있다.

4. 결론

영국 P社에서만 제작/공급되었던 K00 보병전투 차량의 엔진 흡기용 공기정화기를 국산화 개발하는 과정에서 검증했던 내용 일부를 정리하여 소개하였다. 역설계를 위해 분석한 공기정화기의 구조와 작동원리를 설명하고, 개발품의 기본성능인 청정효율을 확인하기 위해 구성한 시험장치와 방법, 결과를 소개하였다. 아울러 가혹한 환경에서 중요한 역할을 수행하는 송풍기에 대한 신뢰성을 분석하여 수명을 예측하였다. 참고로 개발시제는 실차량에 장착한 후 3,200Km 내구주행 시험을 수행하였으며, 결과는 신뢰도 기준을 충족하였다.

국내 대표 기동화력 무기체계인 K00 보병전투차량의 국산화율을 향상시키고, 수입대체 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 국내기술 축적 및 안정적인 군수 조달로 안정적인 생산과 정비 유지에 기여할 것으로 판단된다. 아울러 본 논문에서 다룬 과정들은 유사 국산화개발품 검증 시 활용할 수 있으며, 원제작사 특허로 인해 개발범위에서 제외되었던 프리클리너의 국산화 검토가 필요하다.