[논문]흡기 가습에 의한 압축 착화엔진 실린더 내 디젤 연료 분무 특성 예측

민세훈; 서현규

doi:10.15435/jilasskr.2018.23.1.30

흡기 가습에 의한 압축 착화엔진 실린더 내 디젤 연료 분무 특성 예측
Prediction of Diesel Fuel Spray Characteristics in Compression Ignition Engine Cylinder by Intake Humidification 원문보기

한국액체미립화학회지 = Journal of ilass-korea, v.23 no.1, 2018년, pp.30 - 35

민세훈 (공주대학교 기계공학과 대학원) , 서현규 (공주대학교 기계자동차공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study is to predict numerically the effect of intake humidification on the injected diesel fuel spray characteristics in a compression ignition engine. In this work, Wave model and Ducowicz model were applied as the break-up model and evaporation model, respectively. The amount of water vapor for the humidification was changed from 0% to 30% of injected fuel mass. The number of applied meshes was generated from 49,000 to 110,000. At the same time, the results of this work were compared in terms of spray tip penetration, SMD and equivalence ratio distributions. It was found that the cylinder temperature and cylinder pressure were decreased with increasing water vapor mass by vaporization latent heat and specific heat, however, the difference was very small. So, the spray tip penetration was not different by water vapor mass. Also, higher equivalence ratio distributions were observed with increasing water vapor mass by the improvement of fuel atomization.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 NO_X 배출 저감 및 분사된 연료의 미립화 성능 증진을 위해 압축 착화 엔진 흡기포트에 습기를 유입시켜 실린더 내 가습량에 따른 분사된 연료의 거동 및 미립화 특성을 수치 해석적으로 분석하는 것을 목표로 하였다.
본 연구는 흡기포트에 유입되는 가습량에 따른 연료의 분무 거동을 확인하기 위한 연구이며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서 수치 해석의 신뢰성을 확보하기 위하여 동일한 조건에서 실험 및 수치 해석을 실시하여 그 결과를 비교하여 수치 해석의 신뢰성을 확보하였다.
본 연구에서 흡기포트에 유입되는 가습량에 따른 실린더 내 분사된 연료의 거동을 정확히 파악하기 위하여 엔진해석 전용 프로그램(AVL Fire)⁽¹⁷⁾를 사용하여 해석을 진행하였다. 실린더 내 물리적, 화학적 현상을 연구하기 위하여 Table 1과 같은 Sub-model⁽¹⁸⁾을 적용하였다.
본 연구에서는 흡기포트에 유입되는 가습량에 따른 연료의 분무 거동을 분석하기 위하여 가습량을 변경하여 그 결과를 분석하였다. 가습 액적은 흡기 포트의 입구에서 생성되고, 흡입 행정 중 실린더 내로 유입되는 공기와 혼합되어 유입되도록 하였다.

제안 방법

가습 액적은 흡기 포트의 입구에서 생성되고, 흡입 행정 중 실린더 내로 유입되는 공기와 혼합되어 유입되도록 하였다. 가습량은 흡기 포트의 입구에서 생성되는 습기의 생성량으로 조절하였으며, 가습량은 실린더 내 분사되는 연료의 질량대비 0% 부터 30%로 변경하였다.
효율적인 수치해석을 위하여 하나의 노즐에서 연 소실 내로 연료가 분사되는 영역인 1/8의 영역에서만 격자를 생성하였다. 또한 흡기포트를 통하여 실린더 내에 습기가 유입되는 현상을 표현하기 위하여 실제 1/8 크기의 흡기포트 격자를 생성하여 흡입 행정 중에 습기가 실린더 내에 유입될 수 있도록 설정하였다. 격자는 육면체(Hexahedron)의 격자로 약 49,000개에서 약 110,000개로 형태와 개수가 변하는 유동 격자를 생성하여 본 연구에 적용하였다.
본 연구를 진행하기에 앞서 노즐의 수치 해석적 신뢰성을 검증하기 위하여 실험 및 수치 해석을 먼저 진행하여 필요 상수를 결정하였다. 신뢰성 검증을 위한 실험 및 수치 해석 조건을 Table 4에 나타내었다.
1에 나타내었다. 효율적인 수치해석을 위하여 하나의 노즐에서 연 소실 내로 연료가 분사되는 영역인 1/8의 영역에서만 격자를 생성하였다. 또한 흡기포트를 통하여 실린더 내에 습기가 유입되는 현상을 표현하기 위하여 실제 1/8 크기의 흡기포트 격자를 생성하여 흡입 행정 중에 습기가 실린더 내에 유입될 수 있도록 설정하였다.

대상 데이터

또한 흡기포트를 통하여 실린더 내에 습기가 유입되는 현상을 표현하기 위하여 실제 1/8 크기의 흡기포트 격자를 생성하여 흡입 행정 중에 습기가 실린더 내에 유입될 수 있도록 설정하였다. 격자는 육면체(Hexahedron)의 격자로 약 49,000개에서 약 110,000개로 형태와 개수가 변하는 유동 격자를 생성하여 본 연구에 적용하였다.
본 연구에는 1,500cc급 4기통 CRDI엔진 기반인 단기 통 엔진을 적용하였으며, 연료 분사를 위해 8개의 홀 (hole)을 가지는 노즐을 적용하였다. 자세한 엔진과 노즐의 제원은 Table 2와 Table 3에 나타내었다.
적용한 연료는 프로그램 내 라이브러리를 참조하여 Diesel-D1(C₁₃H₂₃)을 적용하였으며, 엔진 해석에 적용한 조건은 Table 5에 나타내었다. 본 해석적 연구를 수행하기 위하여 필요한 분사율 데이터는 Bosch법⁽¹⁹⁾을 사용하여 측정 및 적용하였다.

이론/모형

)을 적용하였으며, 엔진 해석에 적용한 조건은 Table 5에 나타내었다. 본 해석적 연구를 수행하기 위하여 필요한 분사율 데이터는 Bosch법⁽¹⁹⁾을 사용하여 측정 및 적용하였다.
를 사용하여 해석을 진행하였다. 실린더 내 물리적, 화학적 현상을 연구하기 위하여 Table 1과 같은 Sub-model⁽¹⁸⁾을 적용하였다.

성능/효과

1. 가습량이 증가할수록 실린더 내 공급된 물 액적의 증발에 의한 잠열과 높은 비열로 인하여 온도와 압력이 감소하였지만, 그 차이는 매우 미비하였다.
3. 가습량이 증가할수록 실린더 내 잔류하는 물 액적이 많아지고, 분사되는 연료와 충돌로 인하여 연료의 미립화성능이 증진되는 것을 확인할 수 있었다.
4. 가습량이 증가할수록 증진된 미립화 성능으로 인하여 실린더 내 높은 당량비 분포를 보였으며, 연소성능이 증진될 것으로 예상된다.
3에 실린더 온도와 압력을 나타내었다. 가습량이 10% 증가 할 때, 실린더 온도는 약 10K정도 감소하며 실린더 압력은 약 0.01 MPa정도 감소하는 것으로 나타났다. 이는 Fig.
7의 당량비 분포도에서 확인할 수 있듯이 가습량이 증가할수록 높은 당량비 분포를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 가습량이 증가할수록 연료의 미립화 성능이 증진되어 연소 성능이 향상될 것으로 예상된다.
이는 선행연구⁽¹¹⁾에서 보고한 바와 같이 가습량이 증가할수록 실린 더 내 습기의 액적이 많이 분포하고, 이들과 분사된 연료의 충돌(Collision)로 인하여 연료의 미립화성능이 증진된 것으로 판단된다. 또한, Fig. 7의 당량비 분포도에서 확인할 수 있듯이 가습량이 증가할수록 높은 당량비 분포를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 가습량이 증가할수록 연료의 미립화 성능이 증진되어 연소 성능이 향상될 것으로 예상된다.
6 ms부터 실험과 해석의 분무 도달 거리의 차이가 나타났는데, 이는 실험에 적용된 가시화창의 반지름이 70 mm로 침투 길이를 측정할 수 있는 한계가 있어 실험이 불가한 이유로 판단된다. 면적 계산 프로그램을 사용하였을 때, 연료의 분사 면적은 분위기 압력에 따라 실험은 2.46 cm² ~ 41.97 cm²이고, 해석은 2.54 cm² ~ 42.20 cm²로 5%미만의 오차율을 보였다. 위의 결과로부터 해석의 신뢰성은 확보되었다고 판단된다.
Figure 2는 실험 및 해석을 통해 분무 도달 거리 (Spray tip Penetration)와 연료의 분사 면적(Spray area)를 비교한 결과이다. 분무도달 거리의 경우, 실험과 해석의 차이가 많이 나는 분위기 압력 0.5 MPa일 때 분사 후 0.6 ms와 0.8 ms를 제외하면 약 7%의 오차율로 실험 과 해석이 잘 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 분사 후 0.
Figure 6은 가습량에 따라 연료의 평균 직경을 비교한 결과이다. 압축 과정 중에 상승한 실린더 내 온도와 압력에 의하여 작은 크기의 액적은 이미 증발하여 대기압 상온 상태에서 분사하였을 때보다 다소 높은 SMD값을 갖는 것을 확인할 수 있었으며, 가습량이 증가할수록 연료의 직경이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 선행연구⁽¹¹⁾에서 보고한 바와 같이 가습량이 증가할수록 실린 더 내 습기의 액적이 많이 분포하고, 이들과 분사된 연료의 충돌(Collision)로 인하여 연료의 미립화성능이 증진된 것으로 판단된다.
또한, 앞선 선행연구에 따르면 실린더 내 유입된 물이 증발을 잘할수록 실린더 내열을 흡수함으로써 온도를 낮추는 효과가 탁월하다고 보고하였다. 이에 실린더 내 가습 (Humidification)을 통하여 물의 증발성능을 이용하면, NO_X 저감에 탁월한 효과를 보일 것으로 판단된다. 또한, 이러한 방법은 실린더의 형상 변경이 필요 없는 장점이 있다.

후속연구

하지만, 흡기포트에 가습을 통하여 CRDI 엔진의 NO_X 배출 저감과 분사된 연료와 습기 입자간의 충돌로 인한 미립화 성능 증진을 기대하는 연구에 앞서, 실린더 내 가습 시 실린더 내에 분사되는 연료의 분무거동을 정확히 분석하는 것이 선행되어야 한다. 하지만, 현재까지 실린더 내 습기 유입시 분무 거동 특성 및 분사된 연료의 미립화 성능 증진, NO_X배출 저감과 관련된 연구는 보고된 바가 없다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	NOX의 생성을 억제시키는 방법은 무엇인가?	대표적인 배기 배출물인 NOX는 연소온도가 약 2,000K 이상의 고온에서 생성(8)되므로 EGR (Exhaust Gas Recirculation)을 적용하여 실린더 내 산소 농도를 감소시켜 연소온도의 상승을 억제하여 NOX의 생성을 억제시키는 방법이 있다(9-10). 하지만 EGR을 적용하면 연소 실내 불완전 연소를 유발하여 Soot을 많이 배출하는 단점이 있다.
	유럽 배출가스 기준에 대해 설명하라	대표적인 자동차 배기가스 규제로 유럽 배출가스 기준(European emission standards)이 있다. 이 규제는 1992년 EUROI을 시작으로 점진적으로 강화되어 2013년 EUROⅥ까지 강화되었다. EUROI에서는 NOX의 배출량이 8.0 g/kWh까지 허용되었으나, EUROVI에 접어들면서 NOX는 0.4 g/kWh이하까지, PM(입자상 물질)은 0.01 g/kWh이하까지 배출을 허용한다(1). 이와 같은 배기가스 규제를 만족하기 위해서 전처리 방법(2~7)과 후 처리 방법을 사용하여 관련 배기 배출물을 저감시킬 수 있다.
	EGR의 단점을 보완하기 위해 고안된 실린더 내 물을 분사하는 방법의 매커니즘은 무엇인가?	이와 같은 단점을 보완하고자 최근 실린더 내 물을 분사하는 방법이 대두되고 있다. 물이 증발할 때 필요한 증발 잠열(Latent heat of vaporization)과 높은 비열(Specific heat)로 인하여 연소온도의 상승을 억제하여 NOX 의 생성을 억제시키는 방법이다. 실린더 내 물을 유입시키는 방법은 실린더 내 물을 직접 분사하는 방법(11,12)과 흡기포트에 물을 분사하는 방법(13,14), 물과 연료를 섞은 에멀젼(Emulsion) 연료를 사용하는 방법(15,16)이 있다.

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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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