엔진회전속도의 변화가 HCCI엔진연소에 미치는 영향에 관한 수치해석 연구
임 옥 택
†The Research about Engine Speed change Effect on HCCI Engine Combustion by Numerical Analysis
Ocktaeck LIM
Key Words: Compression ignition engine(압축착화엔진), Numerical analysis(수치해석), Engine speed(엔진회전속도), DME(디메틸에테르), Methane(메탄)
Abstract
In HCCI Engine, combustion is affected by change of compression speed corresponding to engine speed. The purpose of this study is to investigate the mechanism of influence of engine speed on HCCI combustion characteristics by using numer- ical analysis. At first, the influence of engine speed was shown. And then, in order to clarify the mechanism of influence of engine speed, results of kinetics computations were analyzed to investigate the elementary reaction path for heat release at transient temperatures by using contribution matrix. In results, as engine speed increased, in-cylinder gas temperature and pressure at ignition start increased. And ignition start timing was retarded and combustion duration was lengthened on crank angle basis. On time basis, ignition start timing was advanced and combustion duration was shortened. High engine speed showed higher robustness to change of initial temperature than low engine speed. Because of its high robustness, selecting high engine speed was efficient for keeping stable operation in real engine which include variation of initial temperature by various factors. The variation of engine speed did not change the reaction path. But, as engine speed increased, the temper- ature that each elementary reaction would be active became high and reaction speed quicken. Rising the in-cylinder gas tem- perature of combustion start was caused by these gaps of temperature.
기호설명
CA : Crank Angle (엔진회전각도) P : Pressure (압력)T : Temperature (온도)
LTR : Low Temperature Reaction (저온산화반응) HTR : High Temperature Reaction (고온산화반응)
1. 서 론
최근화석연료의고갈과이산화탄소배출로인한지구 온난화가국제적인문제가되고있어서고효율·저공해 내연기관으로서 HCCI(Homogeneous Charge Compression
Ignition)기관이 주목받고 있다(1). HCCI기관은 공기와
연료의예혼합기를연소실내에 공급하고, 피스톤압축 에의한온도및압력상승만으로다점·동시자착화하 는기관이다. 하지만, 고부하운전시에노킹으로인하여 출력이제한되는과제가존재한다. 이에대한해결방법 으로피스톤에의한온도·압력상승을압력상승률이마 이너스의값이되는팽창행정시로연소위상을지연화 (2011년 8월 29일접수 ~ 2011년 9월 17일심사완료, 2011년
9월 29일게재확정)
†책임저자, 회원, 울산대학교기계공학부
E-mail : [email protected]
TEL : (052)259-2852 FAX : (052)259-1680
시키는방법이있다(2). 하지만, 과도한연소위상의지연
화는실화를발생시키므로이를방지하기위해서 착화 시기를정확하게제어할필요가있다.
HCCI기관에있어서연소가화학반응에의존하고 있
고, 착화시기는 예혼합기의초기온도, 압력, 당량비 및 연료조성과같은연소초기조건과엔진회전속도및압 축비의영향을받으므로, 이러한영향의이해가매우중
요하다(3).
본연구에서는, 착화시기에영향을주는요인인엔진 회전속도의영향에대하여화학반응수치계산을통하여 조사하였다. 엔진회전속도의차이는열역학적인이력의 차이이며압축·팽창행정에있어서연소실의가스의온 도·압력에노출되는시간의차이를의미한다. 이이력 의차이에의해서연소시작시기및연소기간에영향 을미치게되고팽창행정에서는시간기준에서의온도·
압력저하율의차이에의해압력상승율의저감및연소 의지속성에영향을주는것으로이해할수있다. 특히,
엔진회전속도가 HCCI연소특성에주는영향을파악해 연소위상의지연화에의한압력상승율저감을향한효 과적인엔진회전속도결정에유용한 제언을하고, 또한
그영향이발생되는 메커니즘을이해하는 것을목적으 로한다. 화학반응을고려한수치해석을통하여엔진회 전속도가저온발열(LTHR: Low Temperature Heat Release)
및고온발열(HTHR: High Temperature Heat Release)시작 시의연소실내가스온도및압력, 연소기간및연소효
율과 같은 HCCI연소 특성에 주는 영향을 조사했다.
또한, 영향이생기는 메커니즘의해석을 하기위해서
기여도행렬이라고불리는방법을사용한해석도시도 했다(4,5).
2. 연구방법
2.1 시험연료
본연구에서는연료로서 LTHR 및 HTHR의 2단의열
발생을가지는 Di-Methyl Ether(DME)을주로사용하고
연료특성의차이로생기는영향에차이가있을지를 확
인하기위해서 LTHR를가지지않는 methane를사용했
다. DME 및 methane의착화특성을내보이는 Arrhenius plot를 Fig. 1에보인다.
2.2 계산 수법과 화학반응 모델
화학반응 수치계산을 하기 위해서 계산 코드로서
CHEMKINII(6)및 SENKIN(7)을일부개량한것을사용 했다. 화학반응모델로서는 DME에는 Curran들의모델(8)
에 NOx생성기구를추가했고(화학종수:90, 화학반응수
:395), methane에는 GRI-Mech 3.0모델(화학종수:53, 화
학반응수:325)(9)을사용했다. 열손실과열전달은고려하
지않고, 모든화학종은이상기체, 혼합기는단열변화하 고, 질량보존가정아래에서계산을했다. 구축한모델 은 0차원이며, 가스온도및화학종의조성은상정하는
연소실내전역에서모두똑같다.
2.3 계산 조건
본연구에서사용한엔진제원을 Table 1에보인다.
계산대상은흡기밸브가닫은직후로부터배기밸브가 열리는직전까지의 일회의 압축·팽창으로 밀폐계의 가스로하였고잔류가스는 고려하지 않고 있다. 계산
조건은, DME/Air예혼합기에 있어서는 압축 시작 시
온도 T0=300K, 압축시작시압력 P0=0.1 MPa로하고,
착화 온도가 높은 Methane/Air예혼합기에 있어서는
압축시작시온도 T0=500K, 압축시작시압력 P0=0.1
MPa를초기조건으로했다. 본연구에있어서파라미
터인 엔진회전속도는, 300 rpm~30000 rpm의 범위로 결정했다.
Fig. 1 Arrhenius plot of DME and Methane
Table 1 Engine specifications
Process Only 1 Compression＆Expansion
Bore × Stroke φ112 mm × 115 mm
Displacement 1132 cc
Intake Valve Close ATDC-132o
Exhaust Valve Open ATDC 132o
Compression Ratio 21.6
2.4 연소기간의 정의
Fig. 2에연소기간의정의를보이고있다. LTHR시작
시기를총합열발생량의 1%를처음으로초과하는시점,
LTHR종료시기를 OH의몰수이력의첫번째의피크와
두번째의피크의사이의극소점, HTHR시작시기를포
름알데히드(HCHO)이극대점및 HTHR종료시기를총 합열발생량의 95%을처음으로 넘은시점으로정의했
다(10). 또한, LTHR가존재하지않는 methane에대해서 는, 총합열발생량의 1%를처음으로넘는시점을연소 시작, 총합열발생량의 95%을처음으로넘은점을연소
종료로해서연소기간을각각정의했다. 축퇴기간은저 온산화반응종료시부터고온산화반응시작시까지로정의 한다.
2.5 기여도 행렬의 산출
본연구에서는시간에따라서변화되는 연소과정과 온도의변화에대해서기여도행렬을사용한해석을실 시하였다. 이것은전체의발열량에크게기여하는화학 반응을추출하는방법으로써, 온도이력; Tt에있어서의 열발생율의화학반응 j의기여도를식 (1)과같이정의
한다. 식 (1)을사용해서각화학반응전체의발열에대 한발열비율을산출하고특정한한계 값을사용해서 화학반응을산출하는것으로많은 화학반응들중에서 발열에크게기여하고있는화학반응을추출한다.
(1)
●CHRj,Tt: 온도 Tt에대한열발생율의화학반응 j의기 여도[%]
●HRj,Tt : 온도 Tt에대한화학반응 j의열발생율
●N : 반응모델의화학반응수
3.결과 및 고찰
3.1엔진회전속도가 HCCI연소특성 미치는 영향
Fig. 3은 DME을연료로하고투입열량 Qin=777J/cycle,
당량비φ=0.2, 초기온도 T0=300K, 초기압력 P0=0.1 MPa
의조건으로하고엔진회전속도를 Ne=300 rpm, 1200 rpm
및 12000 rpm의연소실내가스온도, 압력및열발생율
의이력을나타낸다. 300 rpm 및 1200 rpm에서서로비 교하면엔진회전속도의증가에따라서 LTHR과 HTHR
의시작시점에서의연소실내 가스온도및연소실내 가 스 압력의 상승효과와 연소의 시작 시기의 지각화,
LTHR기간, HTHR기간의장기화, 그리고단위엔진회전
각도당(CA)의최대열발생율의저하를확인할수있다.
또한, 엔진회전속도를 12000 rpm까지상승시키면 LTHR
이상사점에서발생되고 HTHR의발열이미흡해서연 소는실화된다. Fig. 4는엔진회전속도가 300 rpm~30000
rpm의범위에서연소기간, LTHR, HTHR의시작시기의
연소실내가스온도·연소실내가스압력및연소효율을 나타낸다. 엔진회전속도의 증가에 따라서, LTHR 및
HTHR발열시의온도와압력이상승되고연소시작시기
의지각화, 연소기간의장기화가발생된다. 그러나연소 기간이지각화되더라도 상사점에서연소가발생되는
CHRj Tt, HRj Tt, abs HR( j Tt, )
j 1=
∑N
--- 100 %× [ ]
=
Fig. 2 Definition of combustion duration
Fig. 3 Influence of engine speed on histories in-cylinder gas temperature, pressure and rate of heat release
1875 rpm이후에는 HTHR의단기화및소실화가발생된 다. 7500 rpm이후는 LTHR만이발생되고, 30000 rpm에
서는발열을전혀볼수없게된다. 또한, 연소효율은단 계적으로저하된다. 동일한엔진회전조건에서 methane를
연료로했을경우의결과를 Fig. 5에보인다. Methane를
연료로했을경우도 DME을연료로했을경우와동일
하게엔진회전속도의 상승에따라서연소시작시의 연 소실내가스온도및연소실내가스압력의상승, 연소
시작시기의지각화, 연소기간의장기화가확인되었다.
하지만, 엔진회전속도의증가에따라서 DME의연소효 율이서서히저하되어간것에비해, 1단의열발생특징 을 갖는 methane의 경우는 18750 rpm과 30000 rpm의
사이에급속히 실화에 이르렀다. 여기서, 엔진회전속 도를변화시켰을경우, 엔진회전각베이스에서의피스 톤에 의한 온도 및압력상승율은 비슷하지만 이것을 시간 베이스에서 고려하면 그온도 및 압력상승율은 변화된다.
(2) (3) U : 내부에너지[J]
Q : 발열량[J]
W : 일[J]
n : 몰수[mol]
Cv: 정적비열[J/(mol/K)]
P : 압력[Pa]
V : 체적[m3]
Fig. 6은 DME을연료로했을경우의엔진회전속도
Ne=750 rpm~18750 rpm에대해서시간베이스에서의연
소실내가스온도, 열발생율이력및연소기간을 나타낸
다. 압축행정중에연소가완결되는 1200 rpm이하의조
건에서는엔진회전속도의상승에따른 LTHR기간, 축퇴
기간그리고, HTHR기간의단기화및단위시간당의열
발생율의피크치의 증가를확인할수있었다. 하지만,
엔진회전속도가 1875 rpm에서는 HTHR중에상사점을
맞이하고, 4761.9 rpm에서는 HTHR기간과축퇴기간동
안에상사점을맞게된다. 또한, 축퇴기간과 LTHR기간
동안에상사점을맞이하는 12000 rpm에서는 LTHR기간
이각각 장기화되고, 열발생율의피크치는 감소된다.
엔진회전속도의증가에따라서연소기간이단기화되고,
단위시간당의열발생율의피크치가증대하고있는것으 로인해반응속도가증가되고있다고생각된다. 이것은 엔진회전각베이스와시간베이스로본어느쪽의결과 에서도상사점을맞이하는것으로경향이변화된다. 상 사점전에서는연소실내의가스가하는일은마이너스의 값이며반응에의한발열과피스톤의일이온도를상승 시키는방향으로진행되고있지만, 상사점후는일이플
러스의값이되기때문에열역학의제1법칙인식 2, 3으
로말미암아연소실내 가스온도가발열과일의경합에 dQdt
---=dU---dt+dW---dt
dQdt
--- nCvdT
---dt+pdV---dt
=
Fig. 4 Influence of engine speed on HCCI combustion characteristics using DME as a fuel
Fig. 5 Influence of engine speed on HCCI combustion characteristics using methane as a fuel
의해연소실내가스온도가상승할지하강할지가결정되 어지기때문이다.
다음으로어떤조건에있어서최적인엔진회전속도 라고 하는것이 존재하는 것일지를 확인하기 위해서,
500 rpm으로부터 3500 rpm의사이에더욱세밀한간격
으로계산을했다. 500 rpm으로부터 3500 rpm의사이의
연소효율과열효율의변화를 Fig. 7 보이고있다. Fig. 7
에서연소효율은엔진회전속도의 상승에따르고, 1500
rpm까지거의 100%로일정하고, 그후에는감소해간다.
열효율에대해서는 1500 rpm까지는서서히상승하다가
그후에는연소효율의저하에따라서같이저하되어간 다. 이조건에서는열효율의엔진회전속도에대한거동
으로부터 1500 rpm이효율의면에서는최적인엔진회전
속도로생각되어지며각각의조건마다최적인엔진회전 속도가존재할것으로생각된다. 연소효율이거의일정
하여도열효율에차이가발생되는것은열효율은피스 톤이어느위치의때에연소가일어날것인가라고하는 위상의영향을받기때문이다.
3.2 지각연소시의 엔진회전속도의 영향
3.1절의결과에내보인 엔진회전속도의영향은시간 베이스에서일의변화율의변화와압축 속도변화에게 따르는위상의변화라고하는둘의효과를복합적으로 포함한결과다. 여기서는위상의변화에의한영향을배 제하고, 1200 rpm과 7500 rpm의 2조건에대해서초기
온도를변화시켜가면서팽창행정중의같은위상에서연 소가발생되도록계산을해서팽창속도의차이에의한 압력상승율에의영향에대해서검토했다. 우선, 연소위
상을맞추기위해서각각의엔진회전속도에 대해서초
Fig. 6 Influence of engine speed on histories in-cylinder gas temperature, rate of heat release and combustion duration by using DME as a fuel on time basis
Fig. 7 Combustion efficiency and Thermal Efficiency
Fig. 8 HTHR start timing vs. Initial Temperature
기의온도를변화시킨계산을 했다. 계산을하는초기
온도에대해서는, 표준수의 R20에의해결정했다. 초기
온도T0과 HTHR시작 시기의관계를 Fig. 8에보인다.
상사점직전으로초기온도를 20K 변화시키면 1200 rpm
에서는 HTHR시작시기는 5.8 deg 벗어나지만, 7500 rpm
에서는 0.73 deg의차이가발생된다.
Fig. 9는 HTHR의시작시기를 5 deg ATDC으로맞춘
1200 rpm 및 7500 rpm에서의압력이력및단위시간당의
열발생율이력을나타낸다. 압력이력의그래프에는단위
CA당및단위시간당의최대압력상승율도첨부했다. 단
위시간당의최대압력상승율은 1200rpm으로 590MPa/ms, 7500 rpm으로 975 MPa/ms와 7500 rpm의쪽이단위시간 당에서는높은값인것을확인할수있다.
팽창행정도에서의단위시간당의피스톤하강에따르 는압력저하율은같은 CA하에서는고회전속도의쪽이 커서연소시의 압력상승율을낮게할것으로예상되었
지만계산의결과는예측과반하였다. 이결과는, Fig. 9
의그림으로부터도확인할수있는데열발생율의크기 가서로다른때문이다. 열발생율에차이가생기는것은
연소시작온도와중간생성물농도의차이에의한반응 속도차이에기인된다. 이결과로부터엔진회전속도의 증가가압력상승율의저감에 바로연결되는 것은아니 지만, 고회전속도의쪽이초기온도에대한감도가작은
것과실제엔진에있어서의 HCCI운전으로이용될수있 는연소실내의국소간에서의온도의편차나, 고온EGR
사용시의사이클당온도의 편차를이용하면그효과 가클것으로예상된다.
3.3 엔진회전속도에 의한 영향의 메커니즘의 검토
3.1절에서엔진회전속도의상승에 따르는영향가운 데팽창행정중에실화가발생되는것은피스톤하강에 따르는연소실내가스의일이플러스가되어내부에너 지가저하되기때문이다. 또한, 압축속도의영향은연소 시작시의연소실내가스온도 및연소실내가스압력의
Fig. 9 Histories of in-cylinder gas pressure (same ignition timing)
Fig. 10 Contribution matrix of heat release (Ne=300 rpm)
상승, 연소시작시기의지각화및반응속도의상승으
로기인된다고생각된다. 본절에서는이것에직접적인 영향을미치는메커니즘에대해서기여도행렬을 사용 해서검토했다.
Fig. 10은 DME을연료로하고엔진회전속도 300 rpm
에대해서식 1을사용해서작성한열발생에관한기여 도행렬을보인다. X축은각반응의반응열량을보여주
고있고 Y축은 온도를보여주고있다. 온도의간격을
20K으로추출하고 그한계값을 5%에설정했다. 계산
구간내에서 한번이라도그한계값을넘은화학반응
을착색해서가리켰다. 300 rpm의조건에서는 21개의
화학반응이추출되었고, 1200 rpm에서도기여도행렬을 작성했지만 추출되지 않은 화학반응이 3개나 존재했 다. 이 화학반응에의한 열발생에의기여도에 주목하
면 300 rpm의경우라도간신히 5%을넘는정도여서엔
진회전속도가바뀌어도주요한반응경로의자체가변 화되고있는것은아니다.
Fig. 11는기여도행렬에의해추출된반응에크게기
여하고있는화학반응의단위시간당의열발생율의절대 치와온도의역수로나타낸그래프이다. 그래프최상부
가전체화학반응의열발생율의전체의합을나타내고
있다. LTHR에관계되는 화학반응, 축퇴기간및 HTHR
에관계되는 화학반응및 CO의 산화에 의한 발열에 주로 기여하는 화학반응을 구분해서 가리키고 있다.
300 rpm의그래프로부터세개의피크를확인할수있
고가장오른쪽의피크가 LTHR, 가운데의것이 HTHR
을보이고, 왼쪽의피크가 CO의산화에의한발열이다.
300 rpm 및 1200 rpm의그래프를 비교하면, 그래프의
형상에큰차이가있지않지만, 1200 rpm쪽이전체적으
로왼쪽으로즉고온측에시프트하고있어서엔진회전 속도가빠른쪽이각화학반응의활발해지는온도영역 인고온 쪽으로이어지고있다. 열발생율에착안하면,
1200 rpm의경우의쪽이전체적으로큰값을나타내고
있고각화학반응단위로보아도엔진회전속도의상승 은 반응 속도를 상승시키는 것을 확인할 수 있다. 300 rpm 및 1200 rpm과의비교하면 3000 rpm의조건에 서는더욱고온측에의시프트와열발생율의절대치의 증가가보이고세번째의피크치가소실되고있다. 이것
은연소기간 동안에팽창행정으로들어가고 열발생에 의한온도상승보다 팽창에의한 온도저하가상회했기 때문에 CO의산화에의한발열이일어나지 않았기때
문이다. 그때문에그래프의좌단으로부터뒤집어접어 서저하되어가는각각의선을확인할수있다.
이상과같이, 기여도행렬을채용한데이터의정리로
하는것으로엔진회전속도의 상승에따라서주요한반 응경로는변화되지않지만각화학반응이활발해지는 온도가각각상승되고있는것을알았다. 연소시작시연 소실내가스온도의 상승은각화학반응의활발해지는 온도의상승이종합적인결과라고말할수있다.
4. 결 론
본연구에서는화학반응을고려한수치해석을통하여 엔진회전속도가 HCCI연소특성에주는영향과기여도 행력을조사했다. 아래와같은결론을얻을수있었다.
1) 압축행정중에연소가완결하는조건에관해서는
엔진회전속도의상승에따라서 DME 및 Methane 모두 에연소시작시의연소실내가스온도및압력이상승했 다. 엔진회전각베이스에서연소시작시기가 지각화, 연 소기간이장기화및열발생율피크치가감소했다. 시간
베이스에서는연소기간이 단기화되고, 열발생율의 피 크치가증대되는것으로반응속도가상승되고있다.
2) 팽창행정의동일위상으로연소가일어나는조건에 Fig. 11 Absolute value of rate of heat releases by major
elementary reactions
서는고회전엔진속도시에는일의변화율의증가보다도 열발생에의한압력상승의증가의쪽이가파르고 험준 해서압력상승율은저감되지않았다.
3) 엔진회전속도가빠른조건이 낮은조건과비교해
서초기온도에대한연소위상의강직성(Robustness)이
높아서초기온도의편차에대한안정된위상제어가유 효하다고생각된다.
4) 열발생에관한기여도행렬을채용한해석으로하
고, 엔진회전속도의상승에의해주요한반응경로는변 화되지않고각화학반응이활발해지는온도영역의상 승및각화학반응의반응속도상승이확인되었다. 연 소시작시연소실내가스온도의상승은화학반응이활발 해지는온도영역의상승을이끈다는것을 확인할수 있었다.
후 기
본연구는지식경제부기술혁신사업인 ‘클린신연료 동력시스템개발’에서수행된연구입니다. 관계자들의
지원에깊이감사드립니다.
