Numerical Study of Combustion Characteristics in CNG DI Engine using Gaseous Sphere Injection Model

기체구 분사 모델을 이용한 CNG DI 엔진의 연소특성 수치해석

최 민 기

^†

Numerical Study of Combustion Characteristics in CNG DI Engine using Gaseous Sphere Injection Model

Mingi Choi

Key Words: Gaseous sphere injection model(기체구분사모델), CNG DI engine(CNG직접분사식엔진), KIVA-3V code (KIVA-3V 코드), Combustion characteristics(연소특성), Fuel injection timing(연료분사시기), Homogeneity index(혼합기 균질도)

Abstract

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 gas- eous 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.

기호설명

r

k

^u

^k

S

t

plasma

k

m

= the velocity of the moving vertex

1. 서 론

최근 북미를 중심으로 셰일가스(shale gas)의 생산과 사용량이 급증하고 있는 추세이다. 그리고 이는 북미 지 역에 한정되지 않고 전 세계적으로 확장될 것이라는 분 석이 지배적이다. 특히, 대기오염 등의 환경문제로 인해 유해배기가스 배출량이 적고^(1,2)연료비가 저렴한 CNG 자동차가 주목받고 있어 그 수요와 생산이 증가하고 있 는 상황이다. 게다가 전세계적으로 자동차의 배기배출 물 규제가 강화되고 있고 우리나라의 경우에도 유럽의 배기규제인 Euro6를 도입하여 시행하고 있어 자동차 제 작사에서도 배기가스 배출량을 낮추기 위해서 많은 연 구를 수행하고 있다. 최근에는 GDI 엔진이 많이 보급되 면서 가솔린엔진의 PM 배출량도 증가하는 추세이고 가 솔린엔진의 PM 배기규제도 도입될 예정이다. 자동차 제작사들은 이에 대응하는 방안 중 하나로 가솔린 연료 vvertex

(Received: 25 Sep 2019, Received in revised form: 7 Nov 2019, Accepted: 9 Nov 2019)

†

최민기, 회원, 한양사이버대학교(기계자동차공학부) E-mail : [email protected]

TEL : (02)2290-0843 FAX : (02)2290-0601

대신 CNG 연료를 사용하는 엔진을 개발하고 있다. 현 재 디젤엔진을 개조하여 CNG엔진을 일부 사용하고 있 지만 직분사시스템을 적용하여 개발단계에서부터 CNG 적용을 염두해두고 엔진을 개발한다면 엔진 출력 및 연 료소비율 면에서 유리할 것으로 예상된다^(3,4).

본 연구에서는 Choi⁽⁵⁾등이 개발한 기체구 분사 모델 을 이용하여 CNG DI 엔진의 연소특성에 관한 수치해 석을 수행하였다. CNG DI 엔진의 연소를 수치해석 하 기 위해서 우선 연소실내에 기체 연료의 분사를 모사할 수 있어야 한다. 이를 위해서 기존의 연구들은 인젝터 주변 격자를 인젝터 홀의 크기보다 작게 만들어야만 했

었다^(6,7). 이러한 매우 작은 격자는 연소해석에 필요한

계산 시간을 너무 많이 필요로 하기 때문에 CNG DI 엔 진의 연료분사 및 연소해석 수행이 매우 어려운 상황이 였다. 그러나 기체구 분사 모델은 기존의 액체연료의 분 무모델을 이용하여 개발한 수정모델로서 이를 이용하면 기존의 GDI엔진 수치해석을 하는 것과 비슷한 계산시 간으로 수치해석을 수행할 수 있다. 본 연구에서는 이 모델을 KIVA-3V 코드에 적용하여 CNG DI 엔진의 분 무 및 연소해석을 수행하였다.

2. 수치해석 모델

2.1 기체구 분사 모델

기체구 분사 모델은 Hellel⁽⁸⁾등이 처음 제안하여 일 반적으로 엔진 수치해석에서 사용하는 격자 크기로 가 스연료 분사를 모사할 수 있는 수치해석 모델이다. 이는 액체연료 분사모델을 수정하여 사용할 수 있기 때문에 코드개발시간이 단축되고 성긴격자를 이용하여 가스연 료 분사를 모사할 수 있어 직접분사식 엔진의 연소해석 을 동시에 진행할 수 있다. 초기 모델은 가스연료 분사 의 확산결과가 다소 부정확한 단점이 있었으나 Choi⁽⁵⁾ 등이 난류모델을 수정하여 직접분사식 엔진에 맞춰 개 발한 모델은 실험결과와 잘 일치하는 결과를 보여주었 다. 본 연구에서는 개선된 기체구 분사 모델을 KIVA- 3V 코드에 적용하여 CNG 분사를 모사하였다.

2.2 점화 및 화염전파 모델

SI(spark ignition) 엔진을 수치해석하기 위해서 적절한 점화모델과 화염전파 모델이 필요하다. 본 연구에서 점 화모델은 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 필 요하다. DPIK 모델은 점으로 kernel 표면위치를 기록하 고 kernel의 성장을 모사한다. Kernel의 성장률은 아래 수식 (1)과 같이 계산된다.

(1)

r

k

^u

^k

S

t

plasma

또한, SI엔진의 연소를 모사하기 위해서 화염면의 전 파를 예측하는 것도 중요한데 본 연구에서 화염전파모 델은 Fig. 2에서 도시화한 G-equation 모델을 이용하였 다⁽¹⁰⁾. 이 모델에서 인 지점을 화염면으로 정 의하고 G < 0.0인 지점을 연소 전 영역, G > 0.0인 지점 을 연소 후 영역으로 나뉘어진다. 평균화염면의 위치는

dr

--- dt ρ

ρ

--- S (

+ S

)

=

G x t ( ) 0 , =

Fig. 1 Schematic of DPIK model for the simulation of ignition process in the SI engine

Fig. 2 Schematic of G-equation model for flame propaga- tion

아래 수식 (2)로 계산된다.

(2)

k

m

2.3 엔진제원 및 해석격자

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 제 작하여 사용하였다. KIVA-3V 코드에서는 이동격자를 생성하기가 매우 어렵기 때문 에 ANSYS ICEM-CFD를 이용하여 Fig. 3과 같은 격자를 생성한 후 KIVA-3V 코

드에서 사용가능한 포멧으로 출력하여 수치해석에 이용 하였다. 최종격자는 정렬격자로 총 격자수는 약 48,000 개이다. 본 연구에서는 기체구 분사모델을 적용하였기 때문에 Fig. 3과 같은 비교적 성긴격자로 기체연료의 연 소실 직접분사, 혼합기 형성 및 연소까지 동시에 연속적 으로 수치해석이 가능하다. 또한, 인젝터가 연소실 중심 에 장착이 된 형태이기 때문에 피스톤 형상은 shallow bowl 형태이다.

2.4 계산조건

수치해석을 수행한 계산조건은 Table 2와 같다. 엔진 회전속도는 1700, 4000 rpm 두 가지 조건에서 수행하였 고 연료분사압력은 0.5, 0.8, 1.1 MPa 세 가지 조건으로 수행하였다. 점화시기는 MBT (maximum brake torque) 조건으로 맞추었고 점화기간은 1.425 ms이다. 모든 조 건에서 점화기간은 동일하게 유지하여 점화에너지를 동 일하게 공급되도록 하였다. 당량비는 모든 조건에서 이 론공연비와 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 분사과 정을 모사하고 혼합기 형성과정부터 연소까지 수치해석 을 수행하였다.

결과 및 고찰

수치해석 모델을 검증하기 위해서 엔진실험결과와 수 치해석 계산결과의 연소실 연소압력 및 열발생율을 비교 하였다. Fig. 4는 연료분사시기가 120°BTDC와 220°BTDC 인 두 가지 경우의 결과를 대표적으로 도시한 그래프이 다. 엔진속도는 1700 rpm이며 연료분사압력은 1.1 MPa

∂G˜ ∂t

--- + ( ˜v

– v

) G˜ ⋅ ∇ ρu

---S ρ

∇G˜ D

k ˜

∇G˜

–

=

vvertex

Table 1 Specifications of the CNG DI engine mesh Bore × Stroke 71 mm × 85.44 mm Displacement volume 338.1 cc

Compression ratio 11.57

Valve type DOHC 4

Intake valve Open 10° ATDC Close 75° ABDC Exhaust valve Open 52° BBDC Close 3° ATDC

Fig. 3 Computational mesh of CNG direct injection engine generated by ICEM-CFD program

Table 2 Simulation conditions for the CNG DI engine combustion

Engine speed 1700, 4000 rpm Injection pressure 0.5, 0.8, 1.1 MPa

Injection timing BTDC 50° ~ BTDC 350°

Spark timing MBT

Spark duration 1.425 ms Equivalence ratio 1.0

Fig. 4 Comparison of the experimental and calculated results for the in-cylinder pressure and heat release rate

Fig. 5 In-cylinder mixture flow in a CNG DI engine according to injection timing

이다. 그래프에서 보여지듯이 해석결과와 실험결과가 잘 일치하였다. 따라서 수치해석 모델의 신뢰성을 확보 하였다고 볼 수 있다.

본 연구에서는CNG DI 엔진의 연소특성을 연료분사 시기와 연료분사압력, 두 가지 변수를 기준으로 분석을 수행하였다.

선행연구에서CNG DI 엔진의 IMEP 특성은 연료분 사시기가 270°BTDC일 때 가장 낮은 것으로 나타났다⁽¹¹⁾. 이는 점화시기때 연소실 난류에너지가 가장 낮은 조건 으로 Fig. 5와 Fig. 6을 통해서 잘 나타난다. Fig. 5는 연 료분사시기별 혼합기 유동을 벡터로 도시한 결과이며 연료분사시기가 270°BTDC일 때 흡기유동 운동에너지

와 연료분사 운동에너지가 서로 상쇄되는 것을 관찰할 수 있다. 이는 결과적으로 점화시기의 난류에너지 감소 로 이어지고 Fig. 6의 점화직전 연소실 속도벡터분포를 통해서도 확인할 수 있다. Fig. 6에서 연료분사시기가 270°BTDC일 때 연소실 속도가 아주 낮은 것을 관찰할 수 있고 이는 연소시 난류에너지 부족으로 연소속도가 느리고 IMEP가 낮아지는 결과를 가져온다는 것을 알 수 있다. 이는 Fig. 7의 연료분사시기별 난류에너지 결 과를 통해서도 다시 한번 확인이 가능하다. Fig. 7의 연 료분사시기별 점화직전 연소실 난류에너지 결과에서도 연료분사시기가 270°BTDC일 때 연소실 난류에너지가 가장 낮은 것을 확인할 수 있으며 이는 점화 후 화염속도

Fig. 6 Velocity vector distribution in a CNG DI engine shortly before the ignition

가 연료분사시기가 270°BTDC일 때 가장 느린 것을 의미 한다. 이것이 선행연구에서 연료분사시기가 270°BTDC일 때 IMEP가 가장 낮은 원인으로 분석된다. Fig. 8은 연 료분사시기별 점화직전 연소실내 혼합기 형성도 결과를 나타낸 그래프이다. 혼합기 형성도는 공기와 연료가 완 전분리된 상태와 완전 균질하게 혼합된 상태를 각각 0 과 1로 나타내고 그 상대값을 계산하여 혼합기 형성 상 태를 파악할 수 있는 지표이다. 이는 아래 식으로 계산 된다.

H.I. = 1 − σ/σn.h (3) σ = 연료질량분률의 표준편차

σ

n.h

연료분사시기가 90°BTDC인 경우를 제외하고는 혼합 기 형성도가 모두 0.96이상인 것으로 나타났다. 보통 혼

합기 균질도가 0.95 이상이 예혼합연소를 위한 적절한 혼합기 상태로 볼 수 있다. 너무 늦은 분사시기인 경우 에는 점화까지 시간이 너무 짧아서 혼합기를 형성할 시 간이 충분하지 않기 때문에 CNG DI 엔진에서 충분한 혼합기 형성을 위해 연료분사시기를 100°BTDC 이전으 로 가져가야한다는 사실을 알 수 있다.

두번째로 연료분사압력에 따른 CNG DI엔진의 연소 특성은 Fig. 9와 Fig. 10을 통해서 그 특징을 알 수 있다.

Fig. 9와 Fig. 10은 각각 연료분사시기가 90°BTDC, 310°BTDC일 때 연료분사압력별 연소실 압력그래프를 도시한 것이다. 두 그래프에서 모두 연료분사압력별 연 소실 압력이 거의 동일 한 것을 관찰할 수 있으며 이를 통해 연료분사압력이 CNG DI엔진의 IMEP에 거의 영 향을 끼치지 않는다는 것을 알 수 있다.

Fig. 7 Turbulence kinetic energy in a CNG DI engine shortly before the ignition according to the injec- tion timing

Fig. 8 Homogeneity index in a CNG DI engine shortly before the ignition according to the injection timing

Fig. 9 In-cylinder pressure for 90° BTDC SOI accord- ing to injection pressure

Fig. 10 In-cylinder pressure for 310° BTDC SOI accord- ing to injection pressure

결 론

본 연구에서는 기체구 분사 모델을 이용하여 CNG DI 엔진의 연소특성에 관한 수치해석을 수행하였고 다 음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1) 수치해석 모델을 검증하기 위해서 엔진실험결과 와 수치해석 계산결과의 연소실 연소압력 및 열발생율 을 비교하였고 해석결과와 실험결과가 잘 일치하였다.

따라서 수치해석 모델의 신뢰성을 확보하였다고 볼 수 있다.

(2) 연료분사시기별 점화직전 연소실 난류에너지 결 과에서 연료분사시기가 270°BTDC일 때 연소실 난류에 너지가 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 혼 합기 형성도가 모두 0.96이상인 것으로 나타났다. 너무 늦 은 분사시기인 경우에는 점화까지 시간이 너무 짧아서 혼 합기를 형성할 시간이 충분하지 않기 때문에 CNG DI 엔 진에서 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.

후 기

이 논문은 2019년 한양사이버대학교 연구비 지원으 로 연구되었음.

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