대형디젤 기관에서 매연배기가스에 대한 배기가스 재순환장치의 영향을 KIVA-3V 전산유체해석코드를 통해서 수치 해석적으로 연구했다. 지배방정식으로 RNG k-$\varepsilon$난류 모델을 이용했고, 무화, 벽 침투 그리고 매연 등의 물리적인 현상을 나타내기 위해서 TAB, Wave, Watkins-Park, Nagle-Strickland 모델이 적용되었다.
대형디젤 기관에서 매연배기가스에 대한 배기가스 재순환장치의 영향을 KIVA-3V 전산유체해석코드를 통해서 수치 해석적으로 연구했다. 지배방정식으로 RNG k-$\varepsilon$ 난류 모델을 이용했고, 무화, 벽 침투 그리고 매연 등의 물리적인 현상을 나타내기 위해서 TAB, Wave, Watkins-Park, Nagle-Strickland 모델이 적용되었다.
The effects of exhaust gas recirculation (ECR) on smoke emissions in heavy duty diesel engine are numerically studied by using KIVA-3V CFD code. For the analysis, RNG k-$\varepsilon$ turbulence model was given as a governing equation, and mathematical models of Tab, Wave, Watkins-Park, Na...
The effects of exhaust gas recirculation (ECR) on smoke emissions in heavy duty diesel engine are numerically studied by using KIVA-3V CFD code. For the analysis, RNG k-$\varepsilon$ turbulence model was given as a governing equation, and mathematical models of Tab, Wave, Watkins-Park, Nagle-Strikland were applied to describe physical process of droplet breakup, atomization, wall impingement and smoke respectively.
The effects of exhaust gas recirculation (ECR) on smoke emissions in heavy duty diesel engine are numerically studied by using KIVA-3V CFD code. For the analysis, RNG k-$\varepsilon$ turbulence model was given as a governing equation, and mathematical models of Tab, Wave, Watkins-Park, Nagle-Strikland were applied to describe physical process of droplet breakup, atomization, wall impingement and smoke respectively.
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문제 정의
본 연구에서는 검증된 수치해석 코드인 KIVA 3[12]에서 매연모델에 대한 부모델의 타당성 검증을 위하여 Daewoo 8L의 실험값[13]과 비교하여 매연모델의 검증을 실시하였다. 검증 결과 본 논문의 허용오차범위인 ±2.
본 연구에서는 계산조건을 기관 회전수 1400 rpm에서 EGR 변화에 따른 연소특성을 고찰하였다. 그림 3은 EGR에 따른 연소실내의 압력 변화를 보여준다.
탄화수소계(C12H26)연료처럼 분자량이 큰 탄화수소계 연료에 대해서는 과도한 계산량의 요구 등으로 다차원 연소 유동장해석에 적용이 어렵기 때문에 Reduce kinetic mechanism을 이용한 탄화수소계 연료의 저온 영역 화학반응모델은 디젤의 점화지연 예측을 위해 필요하다. 본 연구에서는 분무 연소모델을 이용하여 디젤기관을 표현하였으며, 실험 전에 EGR을 적용한 대형 디젤기관의 연소실에서 일어나는 연소현상을 분석하기 위해 산소, 질소, 이산화탄소, 물의 질량분율을 변화시키면서 일정한 운전조건에서 연소 수치해석 프로그램인 K1VA-3V를 이용하여 EGR 율에 따른 매연을 예측하고자 하였다.
가설 설정
사용된 연료는 C12H26이고 EGR의 변화율은 각 분자의 질량분율을 적용하여 수치해석을 수행하였다. 본 연구에 적용된 대형 디젤기관의 보울의 형태는 Toroidal 형태이고 실린더 헤드의 중앙에 5개의 분사기가 등각도로 위치하고 초기의 선회분포에 대해서 강체회전으로 가정하였다. 그림 1은 피스톤이 상사점에 도달했을 때의 연소실 격자 형상을 보여준다.
여기서, 무차원 계수 Cp,Ck,Cc는 충격파를 이용한 Nicolls실험[8]과 Lamb의 기본주파수 진동에 대한 이론적 결과[9]로부터#로 주어지고, 분열이 발생하는 조건을 Ch = 1/2로 가정하였다. Weber 수 We는 상대속도에 의한 관성력과 표면장력σ의 비로 정의한다.
이용하여 표현하였다. 이 모델에서는 탄소의 산화 반응이 surface chemistry에 의존하는 화학 반응기구에 의해 일어냔다고 가정하고 탄소의 산화율 (g-atom carbon/sec-cm2)을 아래와 같이 정의한다.
제안 방법
분열 후의 액적의 크기를 계산하기 위해서 계산 격자 안에 존재하는 모든 액적군의 체적의 합과 표면적 합의 비로 정의하는 SMR(Sauter Mean Radius)의 개념을 도입하였다.
액적의 미립화 과정을 액체 제트에 대한 안정성 해석결과(Wave)[10] 을 이용하여 표현하였다. Reitz는 액적이 주변 기체와의 상호 작용에 의해 변형을 일으킬 때 최대성장률 Q 를 갖는 파의 파장을 ∧ 라하고 다음과 같은 실험식을 제시하였다.
분무의 계산은 존재하는 모든 개별 액적을 고려하여 정확한 결과를 얻을 수 있지만 계산량이 많아지는 단점이 있다. 여기에서는 계산을 단순화하기 위해서, 액적군의 집합을 하나의 Parcel로 간주하고 Parcel에 존재하는 액적군은 동일한 물리량(크기, 속도, 온도, 질량 등)을 갖는다고 생각하는 Discrete method의 개념을 사용하였으며, 실제 계산에 있어서는 모든 액적군을 약 3000에서 5000개의 Parcel로 묶어서 계산하였다. 또한 액적이 겪는 여러가지 현상을 분포함수를 따른다고 가정하고 무작위 추출하는 Monte Carlo method의 개념을 도입하였다[7].
대상 데이터
본 연구에 사용한 물리모델은 분무모델, 벽충돌모델, 연소모델은 층류영역에서는 ArrheniiEE델, Eddy breakup모델을 연결한 Hybrid모델 등이 포함되고 매연모델로는 Hiroyasu model, Nagle-Strickland model을 포함하였다. 본 연구에 사용된 모델은 표 1과 같다.
사용된 연료는 C12H26이고 EGR의 변화율은 각 분자의 질량분율을 적용하여 수치해석을 수행하였다. 본 연구에 적용된 대형 디젤기관의 보울의 형태는 Toroidal 형태이고 실린더 헤드의 중앙에 5개의 분사기가 등각도로 위치하고 초기의 선회분포에 대해서 강체회전으로 가정하였다.
이론/모형
디젤기관에서 일어나는 액적의 미립화에 대해서 TAB 모델[3]을 사용한다. TAB모델은 진동하고 변형되는 액적과 스프링-질량-감쇠계 사이의 상사성에 기초를 두고 있다.
여기에서는 계산을 단순화하기 위해서, 액적군의 집합을 하나의 Parcel로 간주하고 Parcel에 존재하는 액적군은 동일한 물리량(크기, 속도, 온도, 질량 등)을 갖는다고 생각하는 Discrete method의 개념을 사용하였으며, 실제 계산에 있어서는 모든 액적군을 약 3000에서 5000개의 Parcel로 묶어서 계산하였다. 또한 액적이 겪는 여러가지 현상을 분포함수를 따른다고 가정하고 무작위 추출하는 Monte Carlo method의 개념을 도입하였다[7].
본 연구에서는 연료제트의 미립화 과정과 액적 분얼 과정을 고려해주기 위해 Reitz의 TAB model[3]를 사용하였다. 본 연구에서는 연료제트의 미립화 과정과 액적 분열 과정을 고려해주기 위해 Reitz의 TAB model[3]를 사용하였다.
본 연구에서는 연료제트의 미립화 과정과 액적 분열 과정을 고려해주기 위해 Reitz의 TAB model[3]를 사용하였다. 탄화수소계(C12H26)연료처럼 분자량이 큰 탄화수소계 연료에 대해서는 과도한 계산량의 요구 등으로 다차원 연소 유동장해석에 적용이 어렵기 때문에 Reduce kinetic mechanism을 이용한 탄화수소계 연료의 저온 영역 화학반응모델은 디젤의 점화지연 예측을 위해 필요하다.
이때 매연 생성율은 아래 기술된 Hiroyas니의 매연 생성모델[11]을 사용하였다.
성능/효과
(1) EGR이 증가함에 따라 연소 최고 압력이 감소하는 경향을 보이고 있는 것은 연소 조건이 과잉 공기 상태로 되어 EGR이 증가하여도 연소에 필요한 산소의 변화가 적다고 볼 수 있다.
(3) EGR 증가에 따라 연소실내에 연소온도가 저하됨으로 연소불안정으로 인해 매연이 증가되는 것을 확인하였다.
참고문헌 (13)
Yuichi Kamada, "Development of a Heavy-Duty Diesel Engine with Very High Pressure Fuel Injection System", JSAE9941926, 1999.
O'Rourk, Amsden, "The TAB method for numerical calculation of spray droplet breakup", SAE872089, 1987.
Amsden, "KIVA-II : A computer program for chemical three-dimensional Fluid Flows with Chemical Reactions and Fuel sprays, Los Alamos National Laboratory report LA-10245-MS.
Magnussen, Hjertager, "On Mathematical Mode|ing Turbulent Combustion with Special Emphasis on Soot Formation and Combustion", 16th Symposium on combustion, Combustion Institute, 1976.
Daiguji, "Fundamentals of computational fluid dynamics", CORONA, 1988.
B.Dillies, Marx, Dec, "Diesel Engine Combustion Mode|ing using the coherent Flame Mode in KIVA-II, SAE930074.
田烟哲夫, "DI디젤기관에 있어서 연료분무의 수치해석에 관한 연구", 9538122 일본자동차기술회 Vol26, No3, July1995 pp.39-44.
Nicolls, "Stream and droplet breakup by shock waves", NASA-SP-194.
Lamb, "Hydrodynamics", Dover Publications.
Reitz, "Structure of high-Pressure Fuel spray", SAE870598.
Patterson, Kong, Hampson, Reitz, " Modeling the effects of fuel injection characteristics on diesel engine Soot and NOx emission", SAE940523.
Anthony A. Amsden, "KIVA-3 : A KIVA Program with Block-Structured mesh for complex geometries", LA-12503-MS.
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