선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 당사의 독자 개발 엔진인 Hyundai HiMSEN 엔진에 대하여 연료 분무 가시화 실험 및 상용 코드를 이용한 3차원 연료 분무, 연소 해석을 수행하여 해석 결과의 신뢰성을 평가하였다. 또한 연소 해석을 통해 연료 분사 노즐의 홀 직경, 개수 및 연료 분사 각도의 변화에 따른 엔진 연소 및 성능 특성을 검토하여 연료 소비율과 NOx 발생량이 최적 화되는 노즐 형상을 도출하였다.
제안 방법
- Hyundai HiMSEN H21/32 대형 디젤 엔진의 성능 및 NOx 발생량에 최적인 연료 분사 노즐의 형상을 선정하기 위하여 3차원 연소 해석을 수행하였으며, 그 결과N 다음과 같다.
- ?' °1 (penetration length) 및 분무 원추각(spray cone angle)을 도출하였다. 고압실의 압력은 실제 엔진의 연료 분사 조건과 유사한 밀도를 얻기 위하여 1 bar에서 40bar까지 lObar씩 증가시 키면서 실험을 수행하였고, 40bar일 때의 시간에 따른 분무 영상을 Fig. 2에 도시 하였다.
- 노즐 홀 직경 및 개수의 변화가 연료 소비율 및 NOx 발생량에 미치는 영향을 알아보기 위하여 100% 부하 시, 5개의 노즐에 대하여 수치 해석을 하였고, 노즐 형상의 효과를 고려 하기 위하여 Sarre et al.가 제시한 모델'"을 사용하였으며, Table4에 노즐사양을 나타내었다.
- 본 연구에서는 당사의 독자 개발 엔진인 Hyundai HiMSEN 엔진에 대하여 연료 분무 가시화 실험 및 상용 코드를 이용한 3차원 연료 분무, 연소 해석을 수행하여 해석 결과의 신뢰성을 평가하였다. 또한 연소 해석을 통해 연료 분사 노즐의 홀 직경, 개수 및 연료 분사 각도의 변화에 따른 엔진 연소 및 성능 특성을 검토하여 연료 소비율과 NOx 발생량이 최적 화되는 노즐 형상을 도출하였다.
- 식 (3), (4)의 액적 분열 시간(r)을 결정하기 위해서는 액적 분열 상수 B1의 값을 알아야 한다. 상수 B1은 초기 액 적 크기, 속도, 난류 및 노즐 형상 등에 영향을 받기 때문에 실험을 통해 결정되어야 하며, 본 연구에서는 연료 분무 가시화 실험을 통해 도출 하였다. 실험 조건에 대한 연료 분무 특성을 해석하 여, Fig.
- 연료 분무 해석의 신뢰성을 얻기 위해 연료 침투 길이 및 분무 원추각을 연료 분무 가시화 실험을 통하여 도출하였으며, 엔진 성능 실험 결과의 실린더 압력 및 NOx 발생량을 이용하여 3차원 연소 해석 결과를 검증하였다.
- 연료 분사 각도의 변화가 연료 소비 율 및 NOx 발 생량에 미치는 영향을 알아보기 위하여 100% 부하 시, 노즐 #2에 대하여 연료 분사 각도를 143°에서 158°까지 5° 증가시키면서 연소해석을 수행하였다. Fig.
대상 데이터
- 분무 영상은 11, 200 fi*ames/sec의 고속 카메라를 사용하여 256X256 화소로 얻었고, 이 분무 영상으로부터 연료 침투 .?' °1 (penetration length) 및 분무 원추각(spray cone angle)을 도출하였다.
- 본 연구의 액적 분무 거동, 연소 및 NOx 발생량 해석에 사용된 모델들은 Table 2에 요약하였고, 사용한 전산해석 도구는 상용 코드인 AVL사의 FIRE S/W를 사용하였다. 해석 대상 엔진은 Hyundai HiMSEN H21/32 엔진이며, 그 사양을 Table 3에 나타내었다.
데이터처리
- 5와Fig. 6에 50, 75 및 100% 부하 시의 실린더 내 압력과NOx 발생량 해석 결과를 실험결과와 비교하여 각각 나타내었다. 실린더 내 최고 압력은 실 험결과와의 차이가 0.
- 상수 B1은 초기 액 적 크기, 속도, 난류 및 노즐 형상 등에 영향을 받기 때문에 실험을 통해 결정되어야 하며, 본 연구에서는 연료 분무 가시화 실험을 통해 도출 하였다. 실험 조건에 대한 연료 분무 특성을 해석하 여, Fig. 3에 연료 침투 길이에 대한 해석 및 실험결과를 비교하여 나타내었고, 이를 통해 연료 분무 거 동에 대한 해석 결과의 신뢰성을 검증하였다.
이론/모형
- 본 연구의 액적 분무 거동, 연소 및 NOx 발생량 해석에 사용된 모델들은 Table 2에 요약하였고, 사용한 전산해석 도구는 상용 코드인 AVL사의 FIRE S/W를 사용하였다. 해석 대상 엔진은 Hyundai HiMSEN H21/32 엔진이며, 그 사양을 Table 3에 나타내었다.
- 연료 액적과 주위 기체와의 모멘텀 교환에 기인한 액적분열을 모사하기 위하여 Reitz가 제시한 Wave 분열 모델을 사용하였다.4)
성능/효과
- 1) 연료 분사 각도가 증가함에 따라 피스톤 바울에 충돌하기 전까지의 연료 침투 길이가 길어지기 때문에 공기와의 혼합율이 증가하여 연료 소비율은 감소하는 반면 NOx 발생 량은 증가한다.
- 2) 노즐 홀 직경이 증가할수록 연료 소비율은 감소 하고 NOx 발생 량은 증가하지만 그 변화폭은 상대적으로 작다.
- 3) 노즐 홀 개수가 증가할수록 연료 소비율 및 NOx 발생 량은 증가하고 그 변화폭도 상대적으로 크다.
- 5) 100% 부하 시, 노즐 홀 직 경, 0.32mm, 노즐 홀 개 수, 8개, 연료 분사 각도, 148° 의 연료 분사 노즐 이 연료 소비 율 및 NOx 발생 량을 고려할 때 연소 실 형상에 최적화된 노즐이다.
- 이는 노즐에서 분사된 액적이 피 스톤 바울에 가장 먼저 부딪혀서 국부적으로 연료 가 농후한 부분이 존재하여 순간적으로 연소가 이루어지지 않기 때문으로 판단된다. 그리고 노즐 홀 직경을 일정하게 하고 노즐 홀 개수를 증가시켰을 경우와 노즐 홀 개수를 일정하게 하고 노즐 홀 직경을 증가시켰을 경우 모두 열발생율의 최대값은 증 가함을 알 수 있다.
- 6에 50, 75 및 100% 부하 시의 실린더 내 압력과NOx 발생량 해석 결과를 실험결과와 비교하여 각각 나타내었다. 실린더 내 최고 압력은 실 험결과와의 차이가 0.5% 이내로 일치하였으며, NOx 발생량은 약 10.5%의 오차 범위 내에서 실험결과를 예측할 수 있었다. 이러한 결과는 연료 분무 거동을 결정하는 상수(B1, 분무 원추각)들을 연료 분무 가시화 실험을 통해 결정함으로써 연소 해석 의 신뢰성을 얻을 수 있으며, 연료 소비율 및 NOx 발 생량을 평가하여 연소 성능 최적화를 위한 연소 해석이 가능함을 알 수 있다.
- 10에 연료 분사 노즐의 홀 직 경, 개수 및 각도 의 변화가 연료 소비율 및 NOx 발생량에 미치는 영향을 정 리하여 나타내었다. 연료 분사 각도가 증가할수록 연료 소비율은 감소하는 반면 NOx 발생량 은 증가하는데 그 변화폭이 노즐 홀 직경 및 개수의 0 변화에 의한 것보다 매우 큼을 알 수 있다. 이에 따라 연소실 형상에 맞는 연료 분사 각도의 설계가 매우 중요함을 알 수 있다.
- 5%의 오차 범위 내에서 실험결과를 예측할 수 있었다. 이러한 결과는 연료 분무 거동을 결정하는 상수(B1, 분무 원추각)들을 연료 분무 가시화 실험을 통해 결정함으로써 연소 해석 의 신뢰성을 얻을 수 있으며, 연료 소비율 및 NOx 발 생량을 평가하여 연소 성능 최적화를 위한 연소 해석이 가능함을 알 수 있다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.