중형 직분식 디젤 엔진의 0-D Multi-zone 연소 모델 및 1-D Cycle Simulation 연계 기법 개발 Development of 0D Multizone Combustion Model and Its Coupling with 1D Cycle-Simulation Model for Medium-Sized Direct-Injection Diesel Engine원문보기
본 연구에서는 중형 직분식 선박용 엔진의 성능 및 NOx 배출물 예측을 위한 0-D multi-zone 분무 연소 모델이 개발되었다. 모델은 상용 1-D 사이클 해석 프로그램 (Boost)와 연동할 수 있도록 개발되었으며, 흡배기 시스템을 포함한 엔진 전체에 대한 동시 해석이 가능하였다. 연소 모델은 Fortran90 으로 개발되었으며, AVL 에서 제공된 'user defined high pressure cycle (UDHPC) interface'를 통해 Boost 와 연동되었다. 두 가지의 인젝터(8 홀, 10 홀)에 대해 두 가지 부하에서 해석을 수행하였으며, 해석 결과는 실제 엔진의 성능 실험 결과를 잘 추종하였다.
본 연구에서는 중형 직분식 선박용 엔진의 성능 및 NOx 배출물 예측을 위한 0-D multi-zone 분무 연소 모델이 개발되었다. 모델은 상용 1-D 사이클 해석 프로그램 (Boost)와 연동할 수 있도록 개발되었으며, 흡배기 시스템을 포함한 엔진 전체에 대한 동시 해석이 가능하였다. 연소 모델은 Fortran90 으로 개발되었으며, AVL 에서 제공된 'user defined high pressure cycle (UDHPC) interface'를 통해 Boost 와 연동되었다. 두 가지의 인젝터(8 홀, 10 홀)에 대해 두 가지 부하에서 해석을 수행하였으며, 해석 결과는 실제 엔진의 성능 실험 결과를 잘 추종하였다.
In this study, a 0D multizone spray-combustion model is developed for the estimation of the performance and NOx emission of medium-sized direct-injection marine diesel engine. The developed combustion model is coupled with the commercial 1D cycle-simulation model, Boost, to analyze the entire engine...
In this study, a 0D multizone spray-combustion model is developed for the estimation of the performance and NOx emission of medium-sized direct-injection marine diesel engine. The developed combustion model is coupled with the commercial 1D cycle-simulation model, Boost, to analyze the entire engine system, including the intake and exhaust. The combustion model code was generated using Fortran90, and the model was coupled with Boost by connecting the generated code to a user-defined high-pressure cycle (UDHPC) interface. Simulation was performed for two injectors (8 holes and 10 holes) and two engine loads (50% and 100%), and the results of simulation were in good agreement with engine performance test.
In this study, a 0D multizone spray-combustion model is developed for the estimation of the performance and NOx emission of medium-sized direct-injection marine diesel engine. The developed combustion model is coupled with the commercial 1D cycle-simulation model, Boost, to analyze the entire engine system, including the intake and exhaust. The combustion model code was generated using Fortran90, and the model was coupled with Boost by connecting the generated code to a user-defined high-pressure cycle (UDHPC) interface. Simulation was performed for two injectors (8 holes and 10 holes) and two engine loads (50% and 100%), and the results of simulation were in good agreement with engine performance test.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 현상학적인 multi-zone 모델을 중형급 엔진에 적용하여 분무, 증발, 혼합 등 연소 현상 모사에 사용된 수식 및 계수들의 조정을 통해 중형급 엔진에서의 열발생률 및 배출물 예측 가능성을 살펴보았다. 또한 터보챠저가 주로 사용되는 디젤 엔진의 특성상, 연소와 흡배기 현상이 서로 영향을 주기 때문에 정확한 해석 결과를 얻기 위해서는 흡배기 및 연소를 동시에 해석할 필요가 있다.
가설 설정
Mixing controlled combustion 으로 연소 중에 새로 증발되어 생성되는 연료 증기와 공기 유입으로 생성되는 공기가 만나면서 연소가 일어나는 단계이다. Mixing controlled combustion 에서 당량비가 1 보다 작은 zone 에서는 연소가 연료 증발에 의한 연료 증기 공급으로 조절되고, 당량비가 1 보다 큰 zone 에서는 연소가 공기 유입에 의한 공기 공급으로 조절 된다고 가정하였다.
Multi-zone 연소 모델은 0 차원 연소 모델의 단순성을 유지하면서 디젤 연소에서 spray 의 공간적인 온도 및 조성의 불균일을 고려하기 위하여 Fig. 1와 같이 spray 를 길이방향과 반경방향으로 수십~ 수백 개의 zone 으로 나누고, 각각의 zone 마다 온도와 조성을 갖는 것으로 가정한다. 각각의 zone 은 공기 유입, 증발, 연소, 배출물 생성 등에 있어 독립적으로 계산된다.
① 하나의 zone 은 하나의 균일한 온도 및 조성을 갖는다.
② Fuel zone 사이의 물질 전달은 없다.
③ Spray 에서 일어나는 물질 전달은 주변의 air zone 으로 부터의 공기 유입뿐이다.
E* 는 activation energy 로 주로 5000을 사용한다. 어느 한 zone 의 연소가 시작된 경우 다음 time step 에 모든 zone 에서 전체적으로 연소가 일어나는 것으로 가정하였다.
제안 방법
Spray 모델을 검증하기 위해, 분무 관통길이에 대해 실험과 해석을 비교하였다. 관련 계수 (CPL) 는 커질수록 분무길이가 길어지게 되며, 짧을수록 초기 속도와 분무속도와의 운동량 차이가 커지기 때문에 공기 유입량이 커지는 효과가 나타난다.
계산은 100 %, 50 %의 두 가지 부하, 10 홀, 8 홀의 두 가지 인젝터 사양에 대해서 수행되었으며, 총 네 가지 조건으로 Table 3과 같다.
Boost 에서 cycle simulation 을 수행하기 때문에, 계산이 수렴할 때까지 반복 계산을 수행하게 된다. 본 모델에서는 각 iteration 에서의 모든 계산 과정은 UDHPC_INIT_TS 에서 연소 모델을 호출함으로써 수행된다.
본 모델은 상용 1 차원 사이클 해석 프로그램인 AVL 사의 Boost 와 연동하여 연소 계산을 수행할수 있도록 수정 및 개발되었다. 흡기 및 배기 시스템의 1 차원 유동 계산을 수행할 수 있는 Boost 의 연소 모델로써 삽입되어 흡배기 시스템을 포함한 엔진 전체에 대한 해석이 동시에 가능하였다.
상용 프로그램인 Boost 로 구성된 6 기통 엔진 모델에 연소 모델을 연동하여 흡배기 전체에 대해 해석하였으며, 연소 모델에서는 Boost 의 유동해석 결과를 통해 흡기 밸브 닫힘 (IVC) 시기의 초기 압력과 초기 온도를 넘겨받아 IVC 부터 배기 밸브 열림 (EVO) 시기까지 계산하였다. 중형 엔진으로 bore 가 비교적 크므로, spray-wall 및 spray 간의 간섭은 무시하였으며, 계산을 빠르게 하기 위해 cylinder 를 홀 수로 나누어 한 홀에서 분사된 spray 하나에 대해 연소 과정을 계산하였다.
Cylinder 가스로부터 액적으로의 열전달은 식 (8)에 의해 각 zone 에 대해 구해진다. 앞서 가정한 것처럼, 하나의 zone 에서 액적은 하나의 크기를 가지기 때문에, 단일 액적의 열전달량을 zone의 연료 액적 수에 곱하여 계산하였다.
연소 과정은 다른 계수를 모두 고정한 상태에서 공기 유입량과 관련된 계수(CAENT)를 0.6 ~ 0.7 사이로 조정 (Table 4)함으로써 실험으로 측정된 연소 압력을잘 모사하였다. 해석된 결과에 의하면, 본 엔진에서 전체 연소 중 premixed combustion 은 0.
연소 모델의 검증을 위해 네 가지 조건에 대해 실험으로 측정된 분무 관통길이, 연소압, 배출물 (NOx)를 비교하였다.
길이방향 zone 의 개수는 본 모델의 경우 30 개 이상이다. 연소 부분의 time step 은 본 모델에서 0.01ms 정도로 설정하였으며, zone 생성 기간보다 time step 이 훨씬 작기 때문에 zone 이 생성되는 time step 에 도달하면, 새로운 길이방향의 zone 이 생성되며 해당 zone 에 포함되는 연료의 질량과 분사압력 및 분사속도를 계산하게 된다. 분사압력과 분사속도는 zone 의 질량을 통해 식 (1)과 같이 구해진다.
중형 발전 및 선박용 엔진 엔진의 연소율을 모사하는 0 차원 multi-zone concept 의 연소 모델을개발하였으며, 개발된 연소 모델을 상용 1-D 엔진 해석 프로그램인 Boost 에 user subroutine 으로 연동 하는 데 성공하였다. 이를 통해 흡배기 시스템을 포함한 엔진 전체의 통합적 해석이 가능하였다.
상용 프로그램인 Boost 로 구성된 6 기통 엔진 모델에 연소 모델을 연동하여 흡배기 전체에 대해 해석하였으며, 연소 모델에서는 Boost 의 유동해석 결과를 통해 흡기 밸브 닫힘 (IVC) 시기의 초기 압력과 초기 온도를 넘겨받아 IVC 부터 배기 밸브 열림 (EVO) 시기까지 계산하였다. 중형 엔진으로 bore 가 비교적 크므로, spray-wall 및 spray 간의 간섭은 무시하였으며, 계산을 빠르게 하기 위해 cylinder 를 홀 수로 나누어 한 홀에서 분사된 spray 하나에 대해 연소 과정을 계산하였다. Cycle simulation 의 수렴 조건은 각 cylinder 의 IMEP 의 cycle 별 편차가 500 Pa 이하가 되도록 설정하였다.
본 모델은 상용 1 차원 사이클 해석 프로그램인 AVL 사의 Boost 와 연동하여 연소 계산을 수행할수 있도록 수정 및 개발되었다. 흡기 및 배기 시스템의 1 차원 유동 계산을 수행할 수 있는 Boost 의 연소 모델로써 삽입되어 흡배기 시스템을 포함한 엔진 전체에 대한 해석이 동시에 가능하였다.
대상 데이터
대상 엔진은 선박 추진용 또는 발전용으로 쓰이는 중형 엔진으로 사양은 다음 Table 2과 같다.
Multi-zone 모델에서의 열전달은 크게 엔진 벽면으로의 열전달, 연료 액적으로의 열전달, 그리고 열전달을 각 zone 에 분배하는 과정으로 구성된다. 본 모델에서는 엔진 벽면으로의 대류 열전달만을 고려하였다. 열전달 모델은 선행 연구에서 많이 쓰였던 Woschini 의 모델(2)을 사용하였다.
본 연구는 “현대중공업”과 산학협동으로 진행되었으며, 재정적인 지원 및 실험 데이터를 제공하였다.
이론/모형
Spray 의 내부에서 연료의 연결고리가 깨지고 합성되면서 soot 가 발생하고, 발생한 soot 가 spray 의 바깥쪽에서 공기와 만나서 산화되는 과정을 거친다. Soot 의 생성 모델로는 multi-zone 모델에서 주로 쓰여 온 식 (14)의 semiempirical, two-rate equation 모델이 사용되었다.(19)
본 모델에서는 엔진 벽면으로의 대류 열전달만을 고려하였다. 열전달 모델은 선행 연구에서 많이 쓰였던 Woschini 의 모델(2)을 사용하였다.
성능/효과
두 가지 부하 (100 %, 50 %)와 두 가지 인젝터 사양 (10 홀, 8 홀)에 대해서 총 네 가지 조건에 대한 실험 결과와 해석 결과를 비교하였으며, 모든 조건에서 분무 관통길이 (CPL)를 실험과 맞춘 상태에서 공기유입량 계수 (CAENT)의 조정만으로 연소압을 유사하게 예측할 수 있었다.
1 % 정도로 매우 작고, 분무된 연료는 break-up 이후에 뜨거운 공기에 의해 빠르게 증발되어 mixing controlled combustion 단계에서 대부분의 zone 이 당량비 1 이상인 농후한 zone 을 형성하게 된다. 따라서 연소율은 zone 으로의 공기유입량에 의해 가장 민감하게 바뀌었으며, 공기유입량이 커질수록 연소율이 빨라졌다. CAENT 는 공기유입량을 직접적으로 조절하는 변수이고, 연소율에 가장 큰 영향을 미쳤다.
4는 네 가지 조건에 대해 실험으로 측정된연소압과 해석적으로 예측된 실린더 내 압력을 비교한 것이다. 모든 조건에 해석 결과가 대해 압축, 연소, 팽창 과정을 잘 추종하였으며, 이는 연소 모델이 대상 엔진의 부하 및 인젝터 사양의 변화에 대해 연소 현상을 잘 모사하고 있다고 할 수 있다.
또한 터보챠저가 주로 사용되는 디젤 엔진의 특성상, 연소와 흡배기 현상이 서로 영향을 주기 때문에 정확한 해석 결과를 얻기 위해서는 흡배기 및 연소를 동시에 해석할 필요가 있다. 이에 개발된 연소 모델을 상용 1 차원 사이클 해석 프로그램인 Boost 와 연동하여 흡배기를 포함한 엔진 전체의 시스템에 대해 해석할 수 있었으며, 두 가지의 인젝터 사양에 대해 검증 함으로써 향후 다른 사양의 엔진 개발 시 유용하게 사용될 수 있음을 확인하였다.
7 사이로 조정 (Table 4)함으로써 실험으로 측정된 연소 압력을잘 모사하였다. 해석된 결과에 의하면, 본 엔진에서 전체 연소 중 premixed combustion 은 0.1 % 정도로 매우 작고, 분무된 연료는 break-up 이후에 뜨거운 공기에 의해 빠르게 증발되어 mixing controlled combustion 단계에서 대부분의 zone 이 당량비 1 이상인 농후한 zone 을 형성하게 된다. 따라서 연소율은 zone 으로의 공기유입량에 의해 가장 민감하게 바뀌었으며, 공기유입량이 커질수록 연소율이 빨라졌다.
후속연구
NOx 모델의 검증을 위해서는 향후 연소율 계산 부분에 개선이 필요하며, 더 많은 조건에 대해 실험 결과와 비교하여 경향성을 파악할 필요가 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
AVL에서 제공받은 User subroutine의 INTERFACE는 어떻게 구조를 갖추고 있는가?
User subroutine 은 AVL 사에서 제공받은 user defined high pressure cycle (UDHPC) interface 를 바탕으로 이를 수정하여 작성되었다. UDHPC interface 는 Fortran90 기반의 subroutine 으로, Boost 프로그램과 연동하여 흡기밸브 닫힘 시점부터 배기밸브 열림 시점까지의 압축 및 연소, 팽창과정의 계산이 가능하도록 구조를 갖추고 있다. UDHPC 에 선언되어 있는 변수들을 사용하여 사용자가 새로운 code 를 첨부함으로써, Boost 와 새로운 연소 모델의 연동이 가능하다.
0 차원 시뮬레이션의 장단점은 무엇인가?
시뮬레이션 기법 중 CFD 를 이용하는 3 차원 시뮬레이션은 상당히 정확한 연소 현상 예측이 가능 하나, 모델의 복잡성으로 인해 계산에 오랜 시간이 소요되며, 개발 단계의 여러 조건을 단기간에 모사하는데 한계가 있다. 0 차원 시뮬레이션은 계산 시간이 빠른 장점이 있으나, 실린더 내의 연소 현상을 균일하게 가정하기 때문에 공간적으로 불균일한 디젤 연소의 열발생률 및 배출물 생성을 예측하는데 한계가 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 현상학적인 수식을 이용한 multi-zone 모델이 개발되었으며, 이를 통해 0 차원 시뮬레이션 정도의 빠른 계산 시간에 상당히 신뢰할 수 있는 연소해석 결과를 얻을 수 있게 되었다.
CFD를 이용하는 3차원 시뮬레이션의 장단점은 무엇인가?
시뮬레이션 기법 중 CFD 를 이용하는 3 차원 시뮬레이션은 상당히 정확한 연소 현상 예측이 가능 하나, 모델의 복잡성으로 인해 계산에 오랜 시간이 소요되며, 개발 단계의 여러 조건을 단기간에 모사하는데 한계가 있다. 0 차원 시뮬레이션은 계산 시간이 빠른 장점이 있으나, 실린더 내의 연소 현상을 균일하게 가정하기 때문에 공간적으로 불균일한 디젤 연소의 열발생률 및 배출물 생성을 예측하는데 한계가 있다.
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