[논문]가솔린 기관의 도시성능 예측을 위한 시뮬레이션: GT-POWER를 이용한 경우

최원정; 류순필; 윤건식

doi:10.5916/jkosme.2015.39.4.368

가솔린 기관의 도시성능 예측을 위한 시뮬레이션: GT-POWER를 이용한 경우
Simulation for the Prediction of Indicated Performances of a Gasoline Engine Using GT-POWER 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.39 no.4, 2015년, pp.368 - 373

최원정 (Consolidated Maintenance Depot, Army) , 류순필 (Industrial-Academy Cooperation, Changwon National University) , 윤건식 (Department of Naval Architecture and Marine Engineering, Changwon National University)

초록
AI-Helper

향후 박용기관의 일정 부분은 LNG 또는 합성가스를 사용한 Gas Engine으로의 이행이 예상되고 있으며 이에 대한 선행연구로서 SI기관의 시뮬레이션에 대한 연구가 요구된다. SI기관의 도시성능 예측을 위하여 상용 성능해석 소프트웨어인 GT-POWER를 이용한 모델링을 시도하였다. 이를 위해 흡 배기 계통의 모델링은 기존 연구에서 최적화된 모델링을 적용하였다. 연소과정 모델링과 열전달과정 모델링에 있어서는 현장에서 가장 적용이 용이한 모델인 SI Wiebe 연소모델과 Modified Woschni 열전달 모델을 적용하였다. 여러 운전조건에서 크랭크 각에 따른 연소실 압력 변화와 최고압력 및 도시평균유효압력 등의 계산결과를 실험결과와 비교한 결과 양자가 잘 일치함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

As a preliminary study for the development of the gas fueled marine engine, prediction of indicated performances was carried out for a spark-ignition engine using commercial software, GT-POWER. The optimized models through a previous study were applied for the simulation of the intake and exhaust systems in a SI engine. The Spark-Ignition Wiebe model was used to calculate the burn rate in the cylinders and the modified Woschni model was used to calculate the heat transfer to the walls. The predicted performances, such as air delivery, cylinder pressures and indicated mean effective pressures under a range of operating conditions showed good agreement with the experiments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

LNG 또는 합성가스를 연료로 하는 Gas Engine에 대한 선행 연구로서 SI 가솔린 기관의 시뮬레이션에 관한 연구를 수행하였다. 다중 연료 분사식 가솔린 기관을 상용 성능 해석 소프트웨어인 GT-POWER를 이용하여 시뮬레이션하기 위해 기관 각 부분의 모델링에 가장 적합한 모델을 적용하였으며 이의 실용적 가치를 판단하였다.
본 연구에서는 다중 연료분사방식의 가솔린기관을 대상으로 각 운전조건에서 기관 각부에서 일어나는 열·유체역학적 거동을 상용 성능해석 프로그램인 GT-POWER를 이용하여 계산하고 궁극적으로는 여러 운전 조건에서 도시성능을 예측하여 이를 실제의 결과와 비교함으로써 4행정 사이클 가솔린기관의 각 요소를 모델링하는 기법을 정립하고자 하였다.
본 연구에서는 시뮬레이션의 예측의 정확도를 검토하기 위하여 동일한 기관을 대상으로 한 선행 실험 연구와 비교 검토하였다. 실험과 시뮬레이션의 비교를 위한 인자로 신기의 질량유량, 실린더 내의 순간 압력변화와 실린더 내 최고압력, 도시평균유효압력을 선정하였으며, 이 값들을 전부 하(W.
본 연구에서는 다중 연료분사방식의 가솔린기관을 대상으로 각 운전조건에서 기관 각부에서 일어나는 열·유체역학적 거동을 상용 성능해석 프로그램인 GT-POWER를 이용하여 계산하고 궁극적으로는 여러 운전 조건에서 도시성능을 예측하여 이를 실제의 결과와 비교함으로써 4행정 사이클 가솔린기관의 각 요소를 모델링하는 기법을 정립하고자 하였다. 이를 통해 궁극적으로 Gas Engine의 최적의 설계사양을 도출하는 기술적 토대를 구축하고자 하는데 이 연구의 목적이 있다.
실린더 내 연소과정을 해석하기 위하여 가장 단순하고 상수의 결정이 용이한 Spark-Ignition Wiebe 모델을 적용하였다. 크랭크 각에 따른 실린더 압력 변화 및 최고 압력의 변화 양상을 계산한 결과를 볼 때 이 모델은 실용적인 목적으로 용이하게 사용할 수 있는 모델로 판단된다.

제안 방법

1. 흡·배기 계통의 모델링에 있어서 플레넘 체임버와 흡기 러너는 “Y”자 모양의 유동관과 직관 파이프를 연결한 모델링을 적용하고, 소음기는 하나의 관으로 모델링 하였으며, 매니폴드에 대해서는 실제 단면 변화를 그대로 적용하였다.
본 연구에서는 Kim et al. [4]의 연구 결과를 따라 소음기를 하나의 관으로 취급하여 모델링하는 방법을 적용하였다.
LNG 또는 합성가스를 연료로 하는 Gas Engine에 대한 선행 연구로서 SI 가솔린 기관의 시뮬레이션에 관한 연구를 수행하였다. 다중 연료 분사식 가솔린 기관을 상용 성능 해석 소프트웨어인 GT-POWER를 이용하여 시뮬레이션하기 위해 기관 각 부분의 모델링에 가장 적합한 모델을 적용하였으며 이의 실용적 가치를 판단하였다.
실험과 시뮬레이션의 비교를 위한 인자로 신기의 질량유량, 실린더 내의 순간 압력변화와 실린더 내 최고압력, 도시평균유효압력을 선정하였으며, 이 값들을 전부 하(W.O.T.)와 흡기관 압력 -100mmHg 및 –200mmHg인 조건에서 기관 회전속도를 1500rpm ~ 4000rpm까지 변화하여 운전한 결과를 비교하였다.

대상 데이터

Figure 1은 본 연구에서 해석의 대상이 되는 소형 다중 연료분사식 가솔린기관의 구성을 나타내고 있다. 이 기관은 3개의 실린더를 가지고 있는 소형 가솔린기관으로서 서지탱크, 스로틀 바디, 플레넘 체임버, 흡기 러너, 인젝터, 배기 매니폴드, 촉매 변환기 및 소음기로 구성되어 있다.

이론/모형

2. 실린더 내 연소과정을 해석하기 위하여 가장 단순하고 상수의 결정이 용이한 Spark-Ignition Wiebe 모델을 적용하였다. 크랭크 각에 따른 실린더 압력 변화 및 최고 압력의 변화 양상을 계산한 결과를 볼 때 이 모델은 실용적인 목적으로 용이하게 사용할 수 있는 모델로 판단된다.
3. 실린더 내 열전달을 계산하기 위해 Modified Woschni 모델을 적용하였다. 실린더 압력과 도시평균유효압력의 계산 결과를 볼 때 이 모델 역시 충분한 정확도를 가지고 현장에서 용이하게 적용할 수 있는 모델로 판단된다.
최근에는 연비절감과 환경 규제의 차원에서 LNG 또는 합성가스를 이용한 Gas Engine을 적용하고자하는 시도가 이루어지고 있다. Gas Engine은 기존의 디젤기관과는 달리 스파크 점화(Spark Ignition) 방식을 사용한다. 주로 디젤기관을 생산해 왔던 기존 박용기관 제작사의 입장에서는 상대적으로 SI 기관 해석에 대한 기반 연구가 적어 이에 대한 연구 및 경험의 축적이 요구된다.
본 연구에서는 Kim 등[4]의 연구에서 가장 결과가 좋았던 “Y”자 모양의 유동관과 직관 파이프를 연결하여 모델링한 방법을 적용하였다.
GT-POWER에서 SI기관을 해석하기 위하여 제공하는 연소과정 모델링은 Spark-Ignition Wiebe Model, Spark-Ignition Turbulent Flame Model 및 Multi-Wiebe Model 등이 있다. 본 연구에서는 대상 기관의 연소특성을 시뮬레이션 하는데 있어서 상수를 가장 적게 포함하고 있어 현장에서 가장 사용하기에 용이한 Spark-Ignition Wiebe Model을 사용하였다. 이 모델에 대해서 간략히 살펴본다.
실린더 내에서의 열전달을 계산하기 위하여 GT-POWER에서 제공되는 여러 열전달 모델 중 Modified Woschni Model [6]을 사용하였다.
먼저 흡·배기 과정에서의 시뮬레이션은 흡·배기 계통을 구성하고 있는 각각의 요소에서 열·유체역학적인 거동을 해석하는 것으로서 실린더 내로 유입되는 동작유체의 양과 상태량 계산을 위해 필요하다. 이 계산을 위하여 준정상 모델(Quasi-Steady Model), Filling and Emptying Model 및 압력파 유동해석 모델(Wave Action Model) 등을 사용한다[1][2]. 이 중 기관에서의 거동을 가장잘 나타내는 압력파 유동해석 모델에서는 흡·배기관 내에서의 유동을 벽면과의 마찰, 단면적의 변화, 열전달 및 엔트로피의 변화를 갖는 1차원 비정상 압축성유동으로 가정하고 관내의 유동을 해석하기 위하여 연속방정식, 운동방 정식, 에너지 방정식 등을 사용한다.
이 중 기관에서의 거동을 가장잘 나타내는 압력파 유동해석 모델에서는 흡·배기관 내에서의 유동을 벽면과의 마찰, 단면적의 변화, 열전달 및 엔트로피의 변화를 갖는 1차원 비정상 압축성유동으로 가정하고 관내의 유동을 해석하기 위하여 연속방정식, 운동방 정식, 에너지 방정식 등을 사용한다. 이 방정식들에 특성곡선법(Method of Characteristics)과 유한차분법(Finite Difference Method), 유한체적법(Finite Volume Method) 등을 적용하여 수치적인 해를 구한다[1]-[3]. 특히 최근에는 유한체적법을 이용하여 안정한 해를 구해주는 상용 소프트웨어를 많이 사용하고 있으며, 대표적인 것이 WAVE, BOOST 및 GT-POWER 등이다.

성능/효과

정량적으로는 상대오차 2%의 범위 내에서 예측하고 있다. 따라서 본 연구에서 사용한 Spark-Ignition Wiebe Model은 그 단순성에도 불구하고 실용적인 관점에서 적절함을 알 수 있다.
일반적으로 도시평균유효압력의 계산에 크게 영향을 미치는 요소는 연소 압력과 더불어 실린더 열전달량의 계산상의 정확도로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서 적용한 Modified Woschni 모델은 대상 기관의 열전달 해석에 적절한 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서 적용한 모델들은 기관의 출력 변화를 비교적 잘 예측하고 있는 것을 알 수 있다.
따라서 본 연구에서 적용한 Modified Woschni 모델은 대상 기관의 열전달 해석에 적절한 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서 적용한 모델들은 기관의 출력 변화를 비교적 잘 예측하고 있는 것을 알 수 있다.
Figure 2 ~ 4는 전부하와 흡기관 압력 -100mmHg 및 -200mmHg 상태에서 회전속도 1500~4000rpm으로 운전하였을 경우 신기의 질량유량의 예측값을 실험값과 비교하여 도시한 것이다. 모든 조건에 대하여 신기의 질량유량은 운전조건에 따른 변화경향을 잘 예측하고 있으며, 정량적으로도 실험값과 예측값이 대부분 5%이내의 오차를 보이고 있다. 이는 실용적인 목적에서 수용이 가능한 오차 범위 내에 있는 것으로 판단한다.
Figure 9 ~ Figure 11는 전부하와 흡기관 압력 -100mmHg 및 -200mmHg인 운전조건에서 회전속도를 1500~4000rpm으로 변화시켰을 경우 실린더 내 최고압력의 변화를 실험 값과 예측값을 비교하여 도시한 것이다. 모든 조건에 대하여 실린더 내 최고압력을 잘 예측하고 있음을 알 수 있다. 정량적으로는 상대오차 2%의 범위 내에서 예측하고 있다.
흡·배기 계통의 모델링에 있어서 플레넘 체임버와 흡기 러너는 “Y”자 모양의 유동관과 직관 파이프를 연결한 모델링을 적용하고, 소음기는 하나의 관으로 모델링 하였으며, 매니폴드에 대해서는 실제 단면 변화를 그대로 적용하였다. 신기의 질량유량을 검토한 결과 이 모델링들은 대상 기관의 흡·배기 계통에서의 유동 현상을 적절하게 반영하고 있는 것으로 판단된다.
실린더 내 열전달을 계산하기 위해 Modified Woschni 모델을 적용하였다. 실린더 압력과 도시평균유효압력의 계산 결과를 볼 때 이 모델 역시 충분한 정확도를 가지고 현장에서 용이하게 적용할 수 있는 모델로 판단된다.
이 결과는 흡·배기 계통에 적용한 각 모델링 방법이 흡·배기 계통을 구성하는 각 장치에서의 유동 현상을 적절하게 반영하고 있음을 뒷받침하는 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실린더 내로 유입되는 동작유체의 양과 상태량 계산을 위해 사용하는 것은?	먼저 흡·배기 과정에서의 시뮬레이션은 흡·배기 계통을 구성하고 있는 각각의 요소에서 열·유체역학적인 거동을 해석하는 것으로서 실린더 내로 유입되는 동작유체의 양과 상태량 계산을 위해 필요하다. 이 계산을 위하여 준정상 모델(Quasi-Steady Model), Filling and Emptying Model 및 압력파 유동해석 모델(Wave Action Model) 등을 사용한다[1][2]. 이 중 기관에서의 거동을 가장잘 나타내는 압력파 유동해석 모델에서는 흡·배기관 내에서의 유동을 벽면과의 마찰, 단면적의 변화, 열전달 및 엔트로피의 변화를 갖는 1차원 비정상 압축성유동으로 가정하고 관내의 유동을 해석하기 위하여 연속방정식, 운동방 정식, 에너지 방정식 등을 사용한다.
	Gas Engine이 사용하는 방식은?	최근에는 연비절감과 환경 규제의 차원에서 LNG 또는 합성가스를 이용한 Gas Engine 을 적용하고자하는 시도가 이루어지고 있다. Gas Engine은 기존의 디젤기관과는 달리 스파크 점화(Spark Ignition) 방식을 사용한다. 주로 디젤기관을 생산해 왔던 기존 박용기관 제작사의 입장에서는 상대적으로 SI 기관 해석에 대한 기반 연구가 적어 이에 대한 연구 및 경험의 축적이 요구된다.
	흡·배기 과정에서의 시뮬레이션이란?	일반적으로 기관 전 계통의 시뮬레이션은 흡·배기 계통에서의 시뮬레이션과 실린더 내의 과정에 대한 시뮬레이션으로 나누어진다. 먼저 흡·배기 과정에서의 시뮬레이션은 흡·배기 계통을 구성하고 있는 각각의 요소에서 열·유체역학적인 거동을 해석하는 것으로서 실린더 내로 유입되는 동작유체의 양과 상태량 계산을 위해 필요하다. 이 계산을 위하여 준정상 모델(Quasi-Steady Model), Filling and Emptying Model 및 압력파 유동해석 모델(Wave Action Model) 등을 사용한다[1][2].

참고문헌 (7)

R. S. Benson, W. J. D. Annand, and P .C Baruah, "A simulation model including intake and exhaust system for a single cylinder 4-stroke cycle S.I. engine," International Journal of Mechanical Sciences, vol. 17, no. 2, pp. 97-124, 1975.

상세보기
R. S. Benson, The Thermodynamics and Gas Dynamics of Internal Combustion Engine, Clarendon Press, vol. 1, pp. 424-457, 479-570, 1982.
Gamma Technologies, GT-POWER User's Manual version 6.2, Gamma Technologies, pp. 24-27, 56-57, 59-60, 2006.
J. S. Kim, K. S. Yoon, and S. K. Woo, "Study on the modeling of the intake and exhaust systems of an SI engine using GT-POWER," Journal of the Korea Society of Marine Engineering, vol. 35, no. 6, pp.779-785, 2011.

원문보기 상세보기
I. Wiebe. Semi-empirical formula for the burn rate in fuel supply and burning in diesel engine, Springer-Publisher,1964 (in German).
G. Woschni. "A universal applicable equation for the instantaneous heat transfer coefficient in the internal combustion engine," SAE 670931, 1967.
S. K. Woo, A Study on the Simulation of the 4-Stroke Cycle Spark Ignition Engine, Ph. D. Dissertation, Changwon National University, Korea, 2001.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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