[논문]흡기관내 와류생성기가 압축착화엔진의 수분 농도 분포 및 연소성능 향상에 미치는 영향

정석훈; 서현규

doi:10.15435/jilasskr.2018.23.4.169

흡기관내 와류생성기가 압축착화엔진의 수분 농도 분포 및 연소성능 향상에 미치는 영향
Effect of Vortex Generator in Intake Pipe on the Moisture Concentration Distributions and Combustion Performance in a CI Engine 원문보기

한국액체미립화학회지 = Journal of ilass-korea, v.23 no.4, 2018년, pp.169 - 174

정석훈 (국립공주대학교 기계공학과 대학원) , 서현규 (국립공주대학교 기계자동차공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, optimization of blade shape for the improvement of mixture formation and vortex of intake port was performed by numerically, and the combustion performance of CI engine with optimized blade shape was investigated. To achieve this, 3 types of blade shape were studied under the different air flow mass conditions and the numerical results were investigated in terms of humidification water, moisture concentration, and velocity distributions. Evaporated liquid mass was also compared under various test conditions to reveal the turbulent intensity in an intake port. It was observed that the optimized blade shape can improve the humidification water, moisture concentration, and velocity distributions of intake port inside. The evaporated liquid mass was also increased under the conditions with blade. Especially, low NOx emissions was observed with optimized blade condition.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 2 Schematics of blade shape
그림 Fig. 1 Schematics of intake pipe geometry
표 Table 1. Numerical analysis conditions
그림 Fig. 3 Schematics of test engine
그림 Fig. 4 Effect of blade shape on the humidification water distributions (inlet flow rate = 7.5 g/s)
그림 Fig. 5 Effect of blade shape on the moisture concentration distributions (inlet flow rate = 7.5 g/s)
표 Table 2. Specifications of diesel engine
그림 Fig. 6 Effect of blade shape on the velocity distributions (inlet flow rate = 7.5 g/s)
그림 Fig. 7 Effect of inlet flow rate on the evaporated liquid mass
그림 Fig. 8 Effect of blade on the cylinder pressure and ROHR
그림 Fig. 9 Effect of blade on the ISNO and ISSoot generation

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 블레이드 형상에 따른 와류생성과 이에 따른 난류강도를 수치 해석적으로 확인하여 최적화 설계를 수행하였다. 또한, 최적화된 블레이드형상의 와류생성기를 디젤 직분사 엔진의 흡기관에 설치하여 연소에 미치는 영향을 파악하는 것을 목표로 하였다.
본 연구는 수치해석과 실험연구를 이용하여 블레이드가 난류강도와 엔진 연소에 미치는 영향을 고찰하였고, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 블레이드 형상에 따른 와류생성과 이에 따른 난류강도를 수치 해석적으로 확인하여 최적화 설계를 수행하였다. 또한, 최적화된 블레이드형상의 와류생성기를 디젤 직분사 엔진의 흡기관에 설치하여 연소에 미치는 영향을 파악하는 것을 목표로 하였다.

제안 방법

그러나, 단면결과는 경향을 나타낼 수는 있으나 전체의 결과를 정확하게 나타낸다고 보기 힘들다. 따라서, 본 연구에서는 난류에너지가 증가할수록 물에 전달되는 운동에너지와 미립화에 의한 증발량이 증가한다고 판단하여 해석체적 안에서 물의 증발량을 Fig. 7과 같이 비교하였다. Fig.
흡기관내의 와류생성을 위해 블레이드의 형상을 변경하여 흡기관 단면의 와류 강도와 속도장(Velocity field) 및 수분 농도(Moisture Concentration) 분포를 수치해석을 통하여 비교하였다. 또한, 물의 증발량(Evaporated liquid mass)을 이용하여 흡기관내의 와류생성에 의한 혼합강도를 비교하였다.
블레이드 형상에 따른 와류 생성의 영향을 파악하기 위해 분사된 물의 분포와 증발량을 비교하였다. 같은 흡기 유량에서 블레이드 형상에 따라 흡기관에 분사된 물의 분포 특성을 Fig.
블레이드에 의한 유입 공기 난류형성이 디젤 엔진의 연소에 미치는 영향을 알아보기 위해 블레이드를 단기통 직분사 디젤엔진의 흡기관에 설치하여 블레이드의 유·무에 따라서 실험 결과를 비교하였다.
수치해석의 결과를 참고하여 가장 적합하다고 판단된 Case 4(blade type3)를 기반으로 엔진 성능 실험을 진행하였다.
실제 물의 증발량은 온도 변화가 없는 유동에서 물이 받은 난류에너지이므로 난류에너지와 물의 증발량은 비례한다고 판단되어 블레이드의 후단 10 mm 부분에 물을 분사하여 난류에너지를 예측하였다. 비교 결과, 블레이드를 설치하지 않은 Case 1에 비해 블레이드가 설치된 Case들에서 동일한 시간에 물-공기 혼합기의 도달거리가 더 먼 것을 확인하였다.
흡기관내의 와류생성을 위해 블레이드의 형상을 변경하여 흡기관 단면의 와류 강도와 속도장(Velocity field) 및 수분 농도(Moisture Concentration) 분포를 수치해석을 통하여 비교하였다. 또한, 물의 증발량(Evaporated liquid mass)을 이용하여 흡기관내의 와류생성에 의한 혼합강도를 비교하였다.

대상 데이터

수치해석에 사용된 흡기관의 직경은 48 mm로 설정하였고, 흡기관 형상에 130°의 경사를 주어 총 240 mm 가로 길이의 흡기관을 설계하였다.

데이터처리

상기 모델을 사용한 연구 결과의 신뢰성 검증은 실험 결과와 비교를 통해 수행하였다.⁽¹²⁾

이론/모형

수치해석을 위한 난류모델은 K-zate-f를 사용하였다. 해석에 사용된 난류 모델의 지배 방정식은 다음과 같다.

성능/효과

1. 흡기관내의 Case 4의 블레이드 형상이 유동의 역류를 억제하는 효과를 보였다. 이는 돌출부와 면의 곡선이 유동을 사선 방향으로 흐르도록 유도하면서 역류는 감소하고, 와류는 증가 했다고 판단된다.
2. 블레이드 유무에 따른 관내 속도분포도를 비교한 결과, 블레이드가 설치된 조건에서 블레이드가 노즐과 같은 작용을 하여 흡기관내의 중앙부분의 속도는 증가하는 것을 확인하였다. 특히, 노즐의 형상과 가장 가까운 Case 4의 경우는 관의 중앙부의 속도분포가 다른 Case에 비하여 상대적으로 빠른 것을 확인하였다.
3. 블레이드 설치시 흡입 공기에 회전성 증가, 연료의 미립화 증진과 더불어 흡기관 중심부에서 수분의 농도와 속도가 증가하여, 실린더 안으로 빠르게 유입된다. 그 결과, 실린더 내에 수분이 분포하는 시간이 증가하고, 온도를 낮추는 효과를 보인 것으로 판단된다.
4. 배기 배출물 경향에서도 열방출율이 높은 블레이드가 없는 조건에서 ISNO가 증가하여 배출되는 경향을 보였다. ISSoot의 경우, 블레이드가 없는 조건에서 연소 최고 온도가 높기 때문에 Soot이 더 적게 배출되는 것으로 나타났으나, 생성량 자체가 매우 적은 것을 확인 가능하였다.
배기 배출물 경향에서도 열방출율이 높은 블레이드가 없는 조건에서 ISNO가 증가하여 배출되는 경향을 보였다. ISSoot의 경우, 블레이드가 없는 조건에서 연소 최고 온도가 높기 때문에 Soot이 더 적게 배출되는 것으로 나타났으나, 높은 연소온도로 인해 실험 결과와 같이 Soot의 생성량 자체가 매우 적은 것을 확인 가능하였다.
배기 배출물 경향에서도 열방출율이 높은 블레이드가 없는 조건에서 ISNO가 증가하여 배출되는 경향을 보였다. ISSoot의 경우, 블레이드가 없는 조건에서 연소 최고 온도가 높기 때문에 Soot이 더 적게 배출되는 것으로 나타났으나, 생성량 자체가 매우 적은 것을 확인 가능하였다.
블레이드 설치시 흡입 공기에 회전성 증가, 연료의 미립화 증진과 더불어 흡기관 중심부에서 수분의 농도와 속도가 증가하여, 실린더 안으로 빠르게 유입된다. 그 결과, 실린더 내에 수분이 분포하는 시간이 증가하고, 온도를 낮추는 효과를 보인 것으로 판단된다. 따라서, 최고 연소 압력과 열방출율 값이 다소 감소하는 경향을 보인다고 판단된다.
블레이드 유무에 따른 관내 유동 물질의 전체 속도분포도를 비교한 결과, 블레이드가 설치된 조건에서 블레이드가 노즐과 같은 작용을 하여 흡기관내의 중앙부분의 속도는 증가하는 것을 확인하였다. 특히, 노즐의 형상과 가장 가까운 Case 4의 경우는 관의 중앙부의 속도 분포가 다른 Case에 비하여 상대적으로 빠른 것을 확인하였다.
실제 물의 증발량은 온도 변화가 없는 유동에서 물이 받은 난류에너지이므로 난류에너지와 물의 증발량은 비례한다고 판단되어 블레이드의 후단 10 mm 부분에 물을 분사하여 난류에너지를 예측하였다. 비교 결과, 블레이드를 설치하지 않은 Case 1에 비해 블레이드가 설치된 Case들에서 동일한 시간에 물-공기 혼합기의 도달거리가 더 먼 것을 확인하였다. 또한, Case 2와 Case 3에서 역류가 발생하였지만 Case 4에서는 역류가 발생하지 않았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 사용한 수치해석을 위한 난류모델은?	수치해석을 위한 난류모델은 K-zate-f를 사용하였다. 해석에 사용된 난류 모델의 지배 방정식은 다음과 같다.
	본 연구에서 사용한 수치해석에 사용된 흡기관은 어떻게 설계되었나요?	수치해석에 사용된 흡기관의 직경은 48 mm로 설정하였고, 흡기관 형상에 130°의 경사를 주어 총 240 mm 가로 길이의 흡기관을 설계하였다.
	실린더 헤드와 흡기관 형상 설계를 변경하는 연구의 단점은 무엇인가요?	대부분의 연소실 내부 유동에 관한 연구는 흡기 밸브를 포함하고 있는 실린더 헤드와 흡기관 형상 설계를 변경하는 연구(8,9)가 대부분이다. 그러나, 실린더 헤드는 엔진의 크기와 종류마다 다르며 흡기관 형상도 차종마다 다르기 때문에 흡기의 유로 형상을 변형하여 실린더 내부의 유동 특성을 변형하는 것은 많은 연구시간과 비용이 발생한다. 또한, 재설계가 필요하여 생산원가와 기초 연구 비용이 높아지는 문제가 있다.

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