[논문]기체구 분사 모델을 이용한 CNG DI 엔진의 연소특성 수치해석

최민기

doi:10.15435/jilasskr.2019.24.4.171

기체구 분사 모델을 이용한 CNG DI 엔진의 연소특성 수치해석
Numerical Study of Combustion Characteristics in CNG DI Engine using Gaseous Sphere Injection Model 원문보기

한국액체미립화학회지 = Journal of ilass-korea, v.24 no.4, 2019년, pp.171 - 177

최민기 (한양사이버대학교(기계자동차공학부))

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes numerical study of combustion characteristics in CNG(compressed natural gas) DI(direct injection) engine using gaseous sphere injection model. Simulations were conducted using KIVA-3V Release 2 code. Gaseous sphere injection model, which is modified model of liquid fuel injection, was used to simulate the CNG direct injection. Until now, a very fine mesh smaller than the injector nozzle has been required to resolve the gas-jet inflow boundary. However, the gaseous sphere injection model simulates gaseous fuel injection using a coarse mesh. This model injects gaseous spheres as in liquid fuel injection and the gaseous spheres evaporate together without the latent heat of evaporation. Therefore, it does not require a very fine mesh and reduce calculation time. Combustion simulation were performed under various injection timings and injection pressures.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 Schematic of DPIK model for the simulation of ignition process in the SI engine
그림 Fig. 2 Schematic of G-equation model for flame propagation
그림 Fig. 3 Computational mesh of CNG direct injection engine generated by ICEM-CFD program
표 Table 1 Specifications of the CNG DI engine mesh
표 Table 2 Simulation conditions for the CNG DI engine combustion
그림 Fig. 4 Comparison of the experimental and calculated results for the in-cylinder pressure and heat release rate
그림 Fig. 5 In-cylinder mixture flow in a CNG DI engine according to injection timing
그림 Fig. 6 Velocity vector distribution in a CNG DI engine shortly before the ignition
그림 Fig. 7 Turbulence kinetic energy in a CNG DI engine shortly before the ignition according to the injection timing
그림 Fig. 8 Homogeneity index in a CNG DI engine shortly before the ignition according to the injection timing
그림 Fig. 9 In-cylinder pressure for 90° BTDC SOI according to injection pressure
그림 Fig. 10 In-cylinder pressure for 310° BTDC SOI according to injection pressure

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

엔진 격자는 CNG 분사 및 연소해석을 위해 IVO(intake valve open)에서 EVO(exhaust valve open)까지 움직이는 격자를 제작하여 사용하였다. KIVA-3V 코드에서는 이동격자를 생성하기가 매우 어렵기 때문 에 ANSYS ICEM-CFD를 이용하여 Fig. 3과 같은 격자를 생성한 후 KIVA-3V 코드에서 사용가능한 포멧으로 출력하여 수치해석에 이용하였다. 최종격자는 정렬격자로 총 격자수는 약 48,000개이다.
본 연구에서는 기체구 분사 모델을 이용하여 CNG DI 엔진의 연소특성에 관한 수치해석을 수행하였고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
그러나 기체구 분사 모델은 기존의 액체연료의 분무모델을 이용하여 개발한 수정모델로서 이를 이용하면 기존의 GDI엔진 수치해석을 하는 것과 비슷한 계산시간으로 수치해석을 수행할 수 있다. 본 연구에서는 이 모델을 KIVA-3V 코드에 적용하여 CNG DI 엔진의 분무 및 연소해석을 수행하였다.
본 연구에서는CNG DI 엔진의 연소특성을 연료분사시기와 연료분사압력, 두 가지 변수를 기준으로 분석을 수행하였다.
수치해석 모델을 검증하기 위해서 엔진실험결과와 수치해석 계산결과의 연소실 연소압력 및 열발생율을 비교하였다. Fig.
수치해석을 수행한 계산조건은 Table 2와 같다. 엔진 회전속도는 1700, 4000 rpm 두 가지 조건에서 수행하였고 연료분사압력은 0.5, 0.8, 1.1 MPa 세 가지 조건으로 수행하였다. 점화시기는 MBT (maximum brake torque) 조건으로 맞추었고 점화기간은 1.
당량비는 모든 조건에서 이론공연비와 같은 1을 유지하였다. 연료분사시기 또한 다양하게 변경하여 계산을 수행하면서 CNG DI엔진의 분사압력 및 분사시기에 따른 연소특성을 분석하였다. 특히 흡기유동 분석이 가능하도록 이동격자를 IVO에서 EVO까지 제작하였기 때문에 흡기유동 및 CNG 분사과정을 모사하고 혼합기 형성과정부터 연소까지 수치해석을 수행하였다.
연료분사시기 또한 다양하게 변경하여 계산을 수행하면서 CNG DI엔진의 분사압력 및 분사시기에 따른 연소특성을 분석하였다. 특히 흡기유동 분석이 가능하도록 이동격자를 IVO에서 EVO까지 제작하였기 때문에 흡기유동 및 CNG 분사과정을 모사하고 혼합기 형성과정부터 연소까지 수치해석을 수행하였다.

대상 데이터

수치해석에 사용된 엔진은 배기량 338.1cc의 단기통 엔진으로 상세 제원은 Table 1과 같다. 엔진 격자는 CNG 분사 및 연소해석을 위해 IVO(intake valve open)에서 EVO(exhaust valve open)까지 움직이는 격자를 제작하여 사용하였다.
1cc의 단기통 엔진으로 상세 제원은 Table 1과 같다. 엔진 격자는 CNG 분사 및 연소해석을 위해 IVO(intake valve open)에서 EVO(exhaust valve open)까지 움직이는 격자를 제작하여 사용하였다. KIVA-3V 코드에서는 이동격자를 생성하기가 매우 어렵기 때문 에 ANSYS ICEM-CFD를 이용하여 Fig.
3과 같은 격자를 생성한 후 KIVA-3V 코드에서 사용가능한 포멧으로 출력하여 수치해석에 이용하였다. 최종격자는 정렬격자로 총 격자수는 약 48,000개이다. 본 연구에서는 기체구 분사모델을 적용하였기 때문에 Fig.

이론/모형

또한, SI엔진의 연소를 모사하기 위해서 화염면의 전파를 예측하는 것도 중요한데 본 연구에서 화염전파모델은 Fig. 2에서 도시화한 G-equation 모델을 이용하였다⁽¹⁰⁾. 이 모델에서 #인 지점을 화염면으로 정의하고 G < 0.
SI(spark ignition) 엔진을 수치해석하기 위해서 적절한 점화모델과 화염전파 모델이 필요하다. 본 연구에서 점화모델은 Fig. 1에서 도시화한 DPIK(discrete particle ignition kernel) 모델을 사용하였다⁽⁹⁾. 일반적으로 엔진 점화를 해석할 때 초기 kernel의 성장을 모사하기에는 격자사이즈가 너무 크기 때문에 적절한 점화모델이 필요하다.
본 연구에서는 Choi⁽⁵⁾ 등이 개발한 기체구 분사 모델을 이용하여 CNG DI 엔진의 연소특성에 관한 수치해석을 수행하였다. CNG DI 엔진의 연소를 수치해석 하기 위해서 우선 연소실내에 기체 연료의 분사를 모사할 수 있어야 한다.
초기 모델은 가스연료 분사의 확산결과가 다소 부정확한 단점이 있었으나 Choi⁽⁵⁾등이 난류모델을 수정하여 직접분사식 엔진에 맞춰 개발한 모델은 실험결과와 잘 일치하는 결과를 보여주었다. 본 연구에서는 개선된 기체구 분사 모델을 KIVA-3V 코드에 적용하여 CNG 분사를 모사하였다.

성능/효과

(1) 수치해석 모델을 검증하기 위해서 엔진실험결과와 수치해석 계산결과의 연소실 연소압력 및 열발생율을 비교하였고 해석결과와 실험결과가 잘 일치하였다. 따라서 수치해석 모델의 신뢰성을 확보하였다고 볼 수 있다.
(2) 연료분사시기별 점화직전 연소실 난류에너지 결과에서 연료분사시기가 270°BTDC일 때 연소실 난류에너지가 가장 낮은 것을 확인할 수 있으며 이는 점화 후 화염속도가 연료분사시기가 270°BTDC일 때 가장 느린 것을 의미한다. 이것이 선행연구에서 연료분사시기가 270°BTDC일 때 IMEP가 가장 낮은 원인으로 분석된다.
(3) 연료분사시기가 90°BTDC인 경우를 제외하고는 혼합기 형성도가 모두 0.96이상인 것으로 나타났다. 너무 늦은 분사시기인 경우에는 점화까지 시간이 너무 짧아서 혼합기를 형성할 시간이 충분하지 않기 때문에 CNG DI 엔진에서 충분한 혼합기 형성을 위해 연료분사시기를 100°BTDC 이전으로 가져가야한다는 사실을 알 수 있다.
(4) 연료분사압력별 연소실 압력이 거의 동일한 것을 관찰할 수 있으며 이를 통해 연료분사압력이 CNG DI 엔진의 IMEP에 거의 영향을 끼치지 않는다는 것을 알 수 있다.
10은 각각 연료분사시기가 90°BTDC, 310°BTDC일 때 연료분사압력별 연소실 압력그래프를 도시한 것이다. 두 그래프에서 모두 연료분사압력별 연소실 압력이 거의 동일 한 것을 관찰할 수 있으며 이를 통해 연료분사압력이 CNG DI엔진의 IMEP에 거의 영향을 끼치지 않는다는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	배기가스 배출량을 낮추기위해 자동차 회사들이 노력하는 이유는 무엇인가?	특히, 대기오염 등의 환경문제로 인해 유해배기가스 배출량이 적고(1,2) 연료비가 저렴한 CNG 자동차가 주목받고 있어 그 수요와 생산이 증가하고 있는 상황이다. 게다가 전세계적으로 자동차의 배기배출물 규제가 강화되고 있고 우리나라의 경우에도 유럽의 배기규제인 Euro6를 도입하여 시행하고 있어 자동차 제작사에서도 배기가스 배출량을 낮추기 위해서 많은 연구를 수행하고 있다. 최근에는 GDI 엔진이 많이 보급되면서 가솔린엔진의 PM 배출량도 증가하는 추세이고 가솔린엔진의 PM 배기규제도 도입될 예정이다.
	기체구 분사 모델은 무엇인가?	기체구 분사 모델은 Hellel(8) 등이 처음 제안하여 일반적으로 엔진 수치해석에서 사용하는 격자 크기로 가스연료 분사를 모사할 수 있는 수치해석 모델이다. 이는 액체연료 분사모델을 수정하여 사용할 수 있기 때문에 코드개발시간이 단축되고 성긴격자를 이용하여 가스연료 분사를 모사할 수 있어 직접분사식 엔진의 연소해석을 동시에 진행할 수 있다.
	셰일가스의 생산과 사용량이 급증하고 있는 이유는 무엇인가?	그리고 이는 북미 지역에 한정되지 않고 전 세계적으로 확장될 것이라는 분석이 지배적이다. 특히, 대기오염 등의 환경문제로 인해 유해배기가스 배출량이 적고(1,2) 연료비가 저렴한 CNG 자동차가 주목받고 있어 그 수요와 생산이 증가하고 있는 상황이다. 게다가 전세계적으로 자동차의 배기배출물 규제가 강화되고 있고 우리나라의 경우에도 유럽의 배기규제인 Euro6를 도입하여 시행하고 있어 자동차 제작사에서도 배기가스 배출량을 낮추기 위해서 많은 연구를 수행하고 있다.

참고문헌 (11)

J. Lee, S. Choi, H. Kim, D. Kim, H. Choi, K. Min, Reduction of emissions with propane addition to a diesel engine., International Journal of Automotive Technology, Vol. 14, 2013, pp. 551-558.

상세보기
X. Yu, Z. Liu, Z. Wang, H. Dou, Optimize combustion of compressed natural gas engine by improving in-cylinder flows., International Journal of Automotive Technology, Vol. 14, 2013, pp. 539-549.

상세보기
Y. Iwamoto, K. Noma, O. Nakayama, T. Yamauchi and H. Ando, Development of gasoline direct injection engine, SAE paper, 1997, 970514.
F. Zhao, M. C. Lai and D. L. Harrington, Automotive spark-ignited direct-injection gasoline engines. Progress in Energy and Combustion Science, 25(5), 1999, pp. 437-562.

상세보기
Mingi Choi, Sanghoon Lee, Sungwook Park, Numerical and experimental study of gaseous fuel injection for CNG direct injection, Fuel, Vol. 140, 2015, pp.693-700.

상세보기
M. Baratta, Andrea E, Catania, E. Spessa, L. Herrmann and K. Roessler, Multi-Dimensional Modeling of Direct Natural-Gas Injection and Mixture Formation in a Stratified-Charge SI Engine with Centrally Mounted Injector. SAE Int. J. Engines, 1(1), 2008, pp. 607-626.

상세보기
M. Baratta, N. Rapetto, E. Spessa, A. Fuerhapter, H. Philipp, Numerical and Experimental Analysis of Mixture Formation and Performance in a Direct Injection CNG Engine, SAE paper, 2012.
R. P. Hessel, N. Abani, S. M. Aceves, D. L. Flowers, Gaseous Fuel Injection Modeling Using a Gaseous Sphere Injection Methodology, SAE paper, 2006.
L. Fan, G. Li, Z. Han, R. D. Reitz, Modeling fuel preparation and stratified combustion in a gasoline direct injection engine. SAE technical papers, 1999.
F. A. Williams, Turbulent combustion, SIAM, Philadelphia, 1985.
Mingi Choi, Jingeun Song, Sungwook Park, Modeling of the fuel injection and combustion process in a CNG direct injection engine, Fuel, Vol. 179, 2016, pp. 168-178.

상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증