초록 ▼

내연기관 엔진 내의 연소과정은 질량 전달, 운동량 전달 및 에너지 전달 그리고 복잡한 화학반응이 복합적으로 관여하고 있고 또한 엔진의 기하학적 형상이 매우 복잡하기 때문에 지금까지 내연기관 엔진의 개발 또는 성능향상은 주로 실험적이고 경험적인 접근방법에 의존되어 왔다. 이는 엔진내의 난류유동장에 대한 연소 기초이론의 결여, 실험적 연구결과의 부족등이 주된 원인으로 지적될 수 있다. 이에 본 연구에 있어서는 실물 자동차 엔진의 연소과정을 해석할 수 있는 수치계산 프로그램을 작성하고 이를 위하여 세부적으로 각종 기초연구에 해당되는

내연기관 엔진 내의 연소과정은 질량 전달, 운동량 전달 및 에너지 전달 그리고 복잡한 화학반응이 복합적으로 관여하고 있고 또한 엔진의 기하학적 형상이 매우 복잡하기 때문에 지금까지 내연기관 엔진의 개발 또는 성능향상은 주로 실험적이고 경험적인 접근방법에 의존되어 왔다. 이는 엔진내의 난류유동장에 대한 연소 기초이론의 결여, 실험적 연구결과의 부족등이 주된 원인으로 지적될 수 있다. 이에 본 연구에 있어서는 실물 자동차 엔진의 연소과정을 해석할 수 있는 수치계산 프로그램을 작성하고 이를 위하여 세부적으로 각종 기초연구에 해당되는 층류연소과정의 연소 기초 이론 연구, 수치해법적 연구, 실험적 연구의 검증을 수행하고 나아가 간단한 난류연소과정의 수치계산기법 개발, 실험적 검증 연구, 난류유동장에서의 예혼합화염전파에 관련된 연소이론 해석을 연계적으로 도입함으로써 실물 엔진내의 연소과정에 관여하는 제반 연소특성을 면밀히 파악하고 최종적으로 그간의 연구결과를 총괄적으로 적용하여 실물 자동차 엔진 연소실내의 연소과정을 해석할 수 있는 수치계산 프로그램을 완성하였다.
본 연구에 관련되어 다음과 같은 연구결과를 도출할 수 있었으며 이를 요약한다. 수치해법 연구의 연구내용을 위하여 내연기관의 피스톤이 하사점에 도달되었을 때의 정적 연소실, 상사점에 도달되었을 때의 정적 연소실, 층류화염 전파로부터 난류화염전파로의 천이가 포함된 대향부연소실식 분할연소실, 흡입.압축.폭발 3 행정 모형연소기관(급속 압축기), 연구용 단기통기관의 반구형 연소실 등의 연소과정이 연구 대상으로 선정 되었으며, 이상의 연소과정을 수치해법적으로 모사할 수 있는 일반적인 전산 프로그램을 완성하였다.
각 연구대상 연소실의 연소과정을 해석하기 위한 전산 프로그램의 작성중에서 화염면의 처리는 각각 인위적 화염면 팽창(β 변환), 전달계수의 증폭, 개선된 화염면 팽창(Reduced β 변화) 및 SGS(Subgrid Scale) 난류모델을 적용하여 해결할 수 있었다.
실험적 연구에 있어서는 수치프로그램 작성에 설정한 각종 연소실 형상 및 운전방식과 유사하거나 동일한 실험장치를 구성하여 실험적으로 연소실압력 측정, 레이저 유속계에 의한 유속 측정, 고속도 슐리렌 사진 화염가시화, 고속 화염온도 측정, 유해 연소 배출물 측정, 엔진성능 계측을 수행하여 수치모사 연구의 결과에 대한 기본 비교자료로서 공급하였고, 각각의 실험적 연구에 의하여 정적 연소실내의 화염전파과정의 특징, 층류역전화염 생성에 있어서의 화염에 의하여 유기된 유동과 화염전파 형상과의 상호관계, 대향분출화염 연소방식의 특성, 급속 압축기 연소실내의 화염전파 양상과 roll-up vortex의 생성, 단기통 연구용 기관 반구형 연소실의 성능 조사가 수행되었다.
실험기법으로는 원통형 연소실내의 슐리렌사진 가시화를 위한 연소실 외벽 형상가공법이 새롭게 적용되었으며, 이중 통과 슐리렌 사진 촬영법, 실시간 응답지연 보상방식 화염온도 측정법, 단속적인 레이저 유속계의 신호 처리 방식, 그리고 배출물 유해 가스분석법등이 응용되었으며 측정기술의 개발에 널리 적용될 수 있다.
자동차 연소실에서의 화염전파특성에 관한 연구로서 예혼합화염에서 난류와 연관된 화염스트레치, 연료와 산화제의 확산강도의 차이에 기인하는, 전도 및 복사 열손실등이 화염전파에 미치는 영향이 이론해석을 통해 수행되어 화염의 제반특성을 대수관계식으로 표현하였다. Lean burn system 혹은 Stratified charge 엔진등에서 발생하는 연료농도장의 비균일성이 화염에 미치는 영향을 실험적 및 해석적 방법으로 연구하여 화염의 소화특성을 규명하였다. 연소실내의 잔류가스의 영향과 기연-미연가스의 혼합이 화염전파에 미치는 효과를 해석적으로 연구하였다. 강한 음의 스트레치를 받는 경우의 화염특성을 분제화염의 선단을 모델로하여 실험적 연구를 수행하였다. 이의 결과는 새롭게 정의된 국소스트레치와 화염의 소화특성이 연관됨을 보여주고 있다. 화염에 미치는 복사열손실의 영향으로, 가스복사 열?이 화염의 소화특성에 미치는 영향도 연구되었다. 이 결과는 복사열손실이 예혼합화염의 전파속도측정에 영향을 미치고 확산화염의 소화 메카니즘으로 작용함을 보였다.

Abstract ▼

Most of the practical automotive engine development and the engine performance improvement has been subject to the experimental and empirical approaches, because combustion phenomena in an automotive engine controlled by mass, momentum, and energy transfer processes as well as chemical reaction prog

Most of the practical automotive engine development and the engine performance improvement has been subject to the experimental and empirical approaches, because combustion phenomena in an automotive engine controlled by mass, momentum, and energy transfer processes as well as chemical reaction progresses is so complex and geometrical shape of a practical engine is also complicated. Basic reason that engine development has been subject to experimental and empirical approach is due to the lack of basic theoretical understandings on turbulent flame porpagation and due to the lack of practical experimental evidences on engine combustion.
In this study, numerical computation approach, experimental evaluation, and combustion fundamentals dealing with laminar flame propagation, laminar to turbulent transition, turbulent flame propagation, and real engine combustion were included to elucidate combustion processes or mechanisms in automotive engines. Also computation code for the simulation of near-real engine combustion processes were developed based on our findings, which has capability of practical engine combustion simulation.
The results of this study are summarized as follows as;
Numerical computation approach included the typical test programs on the various combustion progresses inside the Top-Dead-Center constant volume combustion chamber, the Bottom-Dead-Center constant volume combustion chamber, the divided combustion chamber with Opposed-Prechambers where the laminar flame inside the prechamber transits to the turbulent spouting jet flame in the main chamber, the model engine (Rapid-Compression-Machine) having the Intake, compression, and combustion stroke only, and finally the semi-spherical shape combustion chamber of research Single-Cylinder-Engine to devleop the various numerical techniques which should be used through these test programs'running.
Artificial flame thickening technique (β - transformation), amplification of the transport coefficients, modified artificial flame thickening technique (reduced β - transformation), and SGS Subgrid Scale) turbulent modelling were applied to develop the general purpose computational program simulation the combustion process in an automotive engine combustion chamber.
Experimental evaluation approach included combustion chamber pressure measurement, combustion gas flow measurement by using laser Doppler velocemetry, flame visualization by using high speed schlieren photography, real time flame temperature measurement by using frequency response compensated thermocouple thermometry, exhaust emission gas measurement, research Single-Cylinder-Engine performance test to prepare basic data sets to be compared with the results of the numerical computation approach. Also, those experimental results showed the flame propagation characteristics of typical premixture flames, interference or interaction of tulip flame progagation and flame generated flow, characteristics of opposed-jet flame in divided chamber, flame propagation in the Rapid-Compression-Machine, performances of research Singe-Cylinder-Engine.
Special Experimental Diagnostics Applied were summarized as ; elliptic-like contoured cylindrical combustion chamber geometry which is capable to access schlieren photography in a circular lens, double pass schlieren flame visualization, frequency response compensated thermocouple thermometry, random arrival signal processing of laser Doppler velocemetry, direct sampling exhaust emission gas analysis.
Effects of flame stretch, preferential diffusion, and heat loss on the premixed flame propagation in an automotive engine combustion chamber are studied theoretically. Algebraic relations among the flame characteristics are derives. Effect of nonuniformity in fuel concentration fields on the flame propagation and extinction which can be related to the lean burn system or stratified charge engines are studied both theoretically and experimentally adopting counterflow as a model problem. Results indicate the existence of the partially premixed flames. Effects of residual gas and mixing between burnt and unburnt gas on glame propagation have also been studied. Effects of strong negative flame stretch on the extinction have been studied experimentally. Results show a good correlation with the newly devised local stretch. Effects of radiation on flame characteristics have been investigated. Results show that the gas radiation on propagating flame fends to increase the flame speed as the stretch increases for counterflow burner system. Surface radiation induces radiative extinction for diffusion flame in the small stretch regime.

목차 Contents

• 총괄과제...11
• 제 1 장 서 론...15
• 제 2 장 연구 방법...17
• 제 3 장 연구결과 및 고찰...20
• 제 4 장 결론...44
• 제 5 장 참고문헌...47
• 제 1 세 부 과 제...53
• 제 1 장 서론...59
• 제 2 장 정적 연소실내의 화염 전력수치모사...62
• 제 3 장 충류 역전 화염의 생성 기구수치모사...70
• 제 4 장 대향부연소실식 분할 연소실 내의 화염 전파 수치모사...71
• 제 5 장 급속 압축기 연소실내의 화염전파수치모사...98
• 제 6 장 내연기판 반구형 연소실내의 화염전파수치모사...140
• 제 7 장 결 언...152
• 제 8 장 참고문헌...153
• 제 2 세 부 과 제...157
• 제 1 장 서 론...163
• 제 2 장 실험 장치 및 방법...166
• 제 3 장 정적 연소실내의 층류 화염 전파에 관한 실험적 연구...193
• 제 4 장 층류 역전 화염의 생성기구에 관한 실험적 연구...199
• 제 5 장 대향부연소실식 분할 연소실내의 연소현상에 관한 실험적 연구...200
• 제 6 장 과도적 전파화염의 화염온도측정에 관한 연구...201
• 제 7 장 급속 압축기내의 화염전파과정의 가시화...233
• 제 8 장 반구형 연소실 내연기관의 성능실험연구...263
• 제 9 장 결 언...291
• 제 10 장 참고문헌...292
• 제 3 세 부 과 제...293
• 제 1 장 서 론...299
• 제 2 장 스트레치를 받는 예혼합화염의 구조와 전파에 관한 적분해석...301
• 제 3 장 예혼합 화염의 비선헝 현상에 관한 해석...302
• 제 4 장 부분 예혼합-확산계의 소화 특성 및 예혼합 화염의 Near-Stoichiometriy 구조에 관한 연구...303
• 제 5 장 부분 예혼합 화염의 구조와소화 : 이론적 및 실험적 연구...304
• 제 6 장 기연가스의 혼합이 상호작용을 하는 예혼합 화염의 소화 특성에 미치는 영향에 관한 연구...305
• 제 7 장 예혼합화염의 전파 및 선단특성에 판한 실험적 연구...306
• 제 8 장 가스복사 열손실이 예혼합 화염의 화염전파특성에 미치는 영향에 관한 연구...338
• 제 9 장 표면복사 열손실이 확산화염의 소화특성에 미치는 영향에 관한 연구...369