[논문]디젤 기관 단일 영역 모델 열발생율 계산의 오차 보상에 관한 연구

류승협; 김기두; 윤욱현; 하지수

문제 정의

본 연구에서는 공간적 불균일성에 의한 효과를 평가하여 쉽고 적합한 방법으로 단일 영역 모델 열발 생율 계산에서의 오차를 보상하는 방법을 제안한다. 이를 위해 다차원 모델에 기반을 둔 전산에 의한 연소 해석을 통하여 실린더 압력과 열발생율을 획득하였다.

가설 설정

실린더 체적 내에서 균일한 조성을 가진 단일 혼합물이 연소에 참여한다고 가정하고, 또한 연소 과 정 동안 이상 기체 거동 및 분자량이 일정하다고 가정하면 열역학 제 1법칙에 의해 열발생율은 (1)과 같다.

제안 방법

다차원 모델(MDM)이 적용된 실린더 압력 변화와 열발생율을 얻기 위해 본 연구에서는 상용 코드 인 AVL사의 FIRE v8.3을 이용하여 디젤기관의 분무 연소 현상을 시뮬레이션 하였다. 대상 엔진은 박용 중속 디젤 기관인 Hyundai HiMSEN H21/32이며, 사양과 운전 조건은 Table 1에 나타나 있다.
여기서 #는 주어진 시간에서의 연소실내 연료 조성의 공간적 불균일성에 의한 비열비 값을 보상하며, #는 분무 혼합 연소 특성에 따른 국지적인 엔탈피 전달 (net enthalpy change)에 기인하는 오차를 보상한다. 두 개의 상당 비열비는 각각 실린더 내 평균 온도의 변화율과 전체 당량 비에 관계하는 수학적 함수로 정의되며, 연소가진 행되는 동안 분사 시작, 연소실 최대 평균 온도, 분사 종료와 같은 중요한 시기에 대해 각기 다른 함수로 근사화하여 적용하였다. 본 상당 비열비 함수들 을 적용한 개선된 단일 영역 모델 열발생율 계산 결과는 엔진 부하의 변화에 따라 평가하여 타당성을 검증하였다.
하지만 벽면 충돌 시기는 통상적으로 실제 엔진 테스트에서는 정확한 시기의 예측이 어려우므로 단일 영역 모델에의 적용은 곤란하다. 따라서 본 논문에서는 첫 번째 영역을 분사 기간 전체에 대해 정하고, 이 기간을 3차 방정식으로 근사하였다. Fig.
#는 연소가 시작되면 평균 온도 상승과 연료 분사에 의한 당량비 증가로 각 부하에 대해 다른 기울기를 가지면서 감소하다가, 대부분의 연료 액적이 연소를 마치는 연소실 최대 온도를 지난 후에는 조성 (당량비)의 변화가 거의 없으므로 주로 온도 변화에 대해서만 영향을 받는다. 따라서 연소실 최대 온도를 기준으로 두 시기를 분리하여, (8)과 같이 정의된 평균 온도의 변화율과 전체 당량비의 함수로 각각의 시기에 대해 (6), (7)과 같이 함수화 하였다. 이때 연소실 평균 온도는 이상 기체 방정식을 이용하여 압력 데이터로부터 계산 가능하다.
하지만 이것은 디젤기관의 특징인 복잡한 화염 구조에 따라 달라질 수 있으므로, 대상 엔진과 연소실 형태 구조나 분사시스템 등에서 다른 특징을 갖는 엔진에서의 추가적인 시스템적 평가가 필요할 것으로 보인다. 본 연구에서는 HiMSEN H21/32 엔진에 대한 %값을 세 경우의 구분되는 시기로 크게 나누어 아래(9), (10), (11)과 같이 근사하였다.
본 연구에서는 공간적 불균일성에 대한 영향을 고려한 개선된 단일 영역 모델을 제안하고, HiMSEN H21/32 엔진을 대상으로 적용하여 다 차원 모델을 기본으로 하는 FIRE 코드의 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 본 연구를 통한 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 공간적 불균일성에 의한 효과를 평가하여 쉽고 적합한 방법으로 단일 영역 모델 열발 생율 계산에서의 오차를 보상하는 방법을 제안한다. 이를 위해 다차원 모델에 기반을 둔 전산에 의한 연소 해석을 통하여 실린더 압력과 열발생율을 획득하였다. 전산 해석으로부터 얻어진 실린더 압력은 실제 엔진 테스트와 비교하여 신뢰성을 검증한 후 단일 영역 모델의 열발생율 계산에 적용하여 이를 다차원 모델의 열발생율 해석 결과와 상호 비교하였다.

대상 데이터

3을 이용하여 디젤기관의 분무 연소 현상을 시뮬레이션 하였다. 대상 엔진은 박용 중속 디젤 기관인 Hyundai HiMSEN H21/32이며, 사양과 운전 조건은 Table 1에 나타나 있다.

데이터처리

이를 위해 다차원 모델에 기반을 둔 전산에 의한 연소 해석을 통하여 실린더 압력과 열발생율을 획득하였다. 전산 해석으로부터 얻어진 실린더 압력은 실제 엔진 테스트와 비교하여 신뢰성을 검증한 후 단일 영역 모델의 열발생율 계산에 적용하여 이를 다차원 모델의 열발생율 해석 결과와 상호 비교하였다. 두 개의 서로 다른 모델 간의 결과 차이의 보상을 위해서는 공간적 불균일성의 영향이 고려된 개선된 단일 영역 모델(improved-SZM)을 이용하였다.

이론/모형

전산 해석으로부터 얻어진 실린더 압력은 실제 엔진 테스트와 비교하여 신뢰성을 검증한 후 단일 영역 모델의 열발생율 계산에 적용하여 이를 다차원 모델의 열발생율 해석 결과와 상호 비교하였다. 두 개의 서로 다른 모델 간의 결과 차이의 보상을 위해서는 공간적 불균일성의 영향이 고려된 개선된 단일 영역 모델(improved-SZM)을 이용하였다.

성능/효과

1. 가정적으로 공간적 불균일성을 무시한 기존 단일 영역 모델 열발생율 계산은 상당 비열비 #값의 선정에 크게 의존하며, 불균일성이 고려된 다차원 모델 전산 해석 결과와 차이를 보인다.
2. 지역 간의 물질 전달과 엔탈피 전달의 보상을 고려한 개선 모델과 두 개의 상당 비열비, #와 7h에 대한 근사 함수를 연소 진행 동안 중요한 시기에 대해 구분 적용한 결과, 다차원 모델을 기반으로 한 전산 해석 결과와 비교하여 전 운전 영역에서 2.5% 이내의 오차만을 보였다.
3. 본 연구 결과는 실제 엔진 테스트에서 적용되고 있는 단일 영역 모델과 전산 해석에 적용되는 다 차원 모델의 가정의 차이에서 나타나는 공간적 불균일성에 의한 오차를 보상하는 매개 역할을 하여 엔진 개발이나 성능 평가 시 효과적으로 적용 가능 하다.
하지만 가정의 단순화에 기인하여 기존 단일 영역 모델 계산 결과는 불균일성이 고려된 다차원 모델 의 결과와 상당한 차이를 보인다. HiMSEN H21/32 엔진의 720rpm, 100% 부하 운전시, Fig. 2와 같이 단일 영역 모델에 의한 열발생율 최대값은 상당 비열비가 일정하게 1.32로 적용된 경우와 Brunt가 제안한 평균 온도의 함수로 정의된 경우, 전산 해석 결과에 대해 각각 16.2%와 8.9% 낮은 값을 보인다. 하지만 반대로 연료 분사가 끝나는 시점인 ATDC 25도 이후에는 다차원 모델의해석 결과에 비해 큰 값으로 계산된다.
두 개의 상당 비열비는 각각 실린더 내 평균 온도의 변화율과 전체 당량 비에 관계하는 수학적 함수로 정의되며, 연소가진 행되는 동안 분사 시작, 연소실 최대 평균 온도, 분사 종료와 같은 중요한 시기에 대해 각기 다른 함수로 근사화하여 적용하였다. 본 상당 비열비 함수들 을 적용한 개선된 단일 영역 모델 열발생율 계산 결과는 엔진 부하의 변화에 따라 평가하여 타당성을 검증하였다.
연소 해석을 통해 예측된 결과는 실제 엔진 테스 트로부터 측정된 실린더 압력 변화와 비교하여 Fig. 1과 같이 검증하였으며, 결과적으로 각 운전 부하에 대해 압축 압력, 점화 지연, 압력 상승률, 압력 최대치와 시기, 압력 감소율 등 전반에 걸쳐 연소 해석이 실제 현상을 잘 모사하고 있음을 알 수 있다.

후속연구

5% 이내의 차이를 보이면서 잘 일치하고 있다. 결론적으로 본 모델은 기존의 공간적 불균일성이 무시된 단순화한 단일 영역 모델에서 나타나는 오차를 보상하는 합리적인 방법일 뿐만 아니라 엔진의 실제 테스트시에도 어렵지 않게 적용할 수 있는 대안이 될 수 있을 것으로 사료된다.
이것은 단일 영역 모델에 의한 오차가 실린더 내 국지적인 지역 간의 엔탈피 전달량에 관계하는 #의 적합한 예측에 보다 크게 의존하고 있음을 말해 준다. 하지만 이것은 디젤기관의 특징인 복잡한 화염 구조에 따라 달라질 수 있으므로, 대상 엔진과 연소실 형태 구조나 분사시스템 등에서 다른 특징을 갖는 엔진에서의 추가적인 시스템적 평가가 필요할 것으로 보인다. 본 연구에서는 HiMSEN H21/32 엔진에 대한 %값을 세 경우의 구분되는 시기로 크게 나누어 아래(9), (10), (11)과 같이 근사하였다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

디젤 기관 단일 영역 모델 열발생율 계산의 오차 보상에 관한 연구
A Study on the Heat Release Analysis to Compensate the Error due to Assumption of Single Zone in Diesel Engine 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (4)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

디젤 기관 단일 영역 모델 열발생율 계산의 오차 보상에 관한 연구 A Study on the Heat Release Analysis to Compensate the Error due to Assumption of Single Zone in Diesel Engine 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (4)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

디젤 기관 단일 영역 모델 열발생율 계산의 오차 보상에 관한 연구
A Study on the Heat Release Analysis to Compensate the Error due to Assumption of Single Zone in Diesel Engine 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper