포트분사식 가솔린엔진에서 연료분사전략이 Wall Film 생성에 미치는 영향 연구
이지영
*
ㆍ최종휘*
ㆍ장지환*
ㆍ박성욱†
Effects of Fuel Injection Strategies on Wall Film Formation at Port Injection Gasoline Engine
Ziyoung Lee, Jonghui Choi, Jihwan Jang and Sungwook Park
Key words: PFI(흡기포트 분사), Dual injection(이중 분사), Injection angle(분사 각도), Wall film(연료 액막), Injection pressure(분사 압력)
Abstract
Fuel wall film effects power output and cycle deviation by changing the amount of fuel flowing into cylinder in PFI gas- oline engines. Reduction of wall film can reduce fuel consumption and improve combustion stability. In this research, the effects of injection strategies including injection pressure and dual injection system is investigated for reducing wall film for- mation. The CONVERGE software is used for numerical analysis tool and O’Rourke film splash model was used for wall film prediction model. Compared with the reference case wall film decreased with increase of injection pressures, and the film formation reduced when the dual injection system was used.
기호설명
PFI : 흡기포트 분사 Wei : 웨버 수 hα : 연료 액막 두께 d : 충돌 액적 지름 δbl : 경계층 두께 Oh : 오네조르게 수 Re : 레이놀즈 수
1. 서 론
스파크 점화 방식 엔진(SI 엔진)은 일반적으로 연료 분사 방식에 따라 흡기포트 분사식(PFI)과 직분사식 (GDI)으로 분류된다. 연료제어 기술의 발전으로 정밀하 게 연료를 제어할 수 있게 됨으로써 최근의 SI엔진 연구 는 출력 및 열효율 향상을 목적으로 GDI 방식을 중심으 로 진행되었다(1). 하지만 GDI 엔진에서 입자상 물질에 대 한 환경 문제가 대두되고 이를 해결하기 위한 후처리 장 치에 대한 경제적 측면에서 단점이 부각되면서 PFI 엔진 의 개선하는 방안에 대한 연구 또한 주목 받고있다(2~4). 특히 이륜차 등에 사용되는 소형엔진은 PFI 방식 엔진으 로 이에 대한 연구가 별도로 이루어져야 한다.
PFI 방식 엔진은 연료를 흡기포트에 분사하여 공기와 연료가 혼합될 수 있는 시간이 길기 때문에 비교적 균 질한 혼합기를 형성한다. 이렇게 형성된 연료-공기 혼합 기는 실린더 내로 유입되어 연소 과정을 거치는데 연료
(Recieved: 5 Feb 2018, Recieved in revised form: 26 Mar
2018, Accepted: 26 Mar 2018)
*
한양대학교 융합기계공학과
†
책임저자, 회원, 한양대학교 기계공학부 E-mail : [email protected]
TEL : (02)2220-0430 FAX : (02)2220-4588
액적과 연료-공기 혼합 특성은 연소 과정에 매우 중요 한 영향을 미치는 변수이다. 연료를 흡기포트에 분사하 기 때문에 분사된 연료는 상대적으로 온도가 낮은 흡기 포트와 흡기밸브의 벽면에 충돌하여 액체 상태인 연료 액막(이하 Wall film)을 형성한다.
Wall film을 형성한 연료는 실린더 내부에서 연소에 참여하지 못하기 때문에 연소 제어의 정밀성이 떨어진 다는 문제점을 가지고 있다. 생성된 Wall film은 다음 사 이클의 연소에 참여하여 순간적으로 농후한 연소를 일 으켜 높은 탄화수소 배출량(HC)의 원인이 되고 사이클 별 편차를 증가시켜 연소 안정성을 떨어뜨린다(5,6). Buyu Wang, Sebastian Mosbach 등은 GDI 엔진에서 Wall film 이 soot 생성에 미치는 영향에 대하여 연구하였으며(7), Hanzhengnan Yu, Xingyu Liang 등은 여러가지 종류의 연료에 대하여 연료 분사 도중 Wall film 생성 과정에 대한 실험적 연구를 진행하였다(8).
시동 초기에 분사된 연료가 액막을 형성하면 낮은 당 량비로 인해 시동성이 저하되어 이를 보완하기 위해 시 동 초기 많은 연료를 분사하게 되어 연료 소비율을 악 화시키는 원인이 된다. 따라서 본 연구에서는 PFI 가솔 린 엔진에서 균질한 혼합기 생성을 통한 안정적인 연소 와 연료소비율 향상을 위하여 연료 분사 전략이 Wall film 생성에 미치는 영향과 연료 거동을 파악하고 이를 저감하기 위한 연구를 수행하였다.
2. 수치해석 방법
2.1 수치해석 모델 설정
수치해석 프로그램은 엔진 열유동 해석 프로그램 CONVERGE를 사용하였으며 수치해석에 사용된 모델 은 아래 Table 1과 같다.
2.1.1 Wall film 생성 모델
Wall film 생성을 예측하기 위하여 O’Rourke 모델을 사용하였다(9). Chr. Mundo, M. Sommerfeld 등은 Ecrit를 다음과 같이 정의하고 Ecrit값을 사용하여 E2 이 이상이면 Wall film이 생성된다고 판단 하였다. 또한 그 임계값을 실험적 연구를 통하여 57.7로 제시하였다(10).
(1) 여기서 Oh는 Ohnesorge number를,
(2)
Re는 충돌 표면에 대한 법선 벡터 방향의 속도에 기 반한 Reynolds number를 뜻한다.
(3)
이를 종합하여 O’Rourke 모델을 수식으로 표현하면 다음과 같다.
(4)
Wei는 웨버 수, hα는 필름 두께(local film thickness), d 는 Wall film에 충돌하는 액적의 지름을 의미하며 δbl
는 경계층 두께를 뜻한다.
(5)
본 연구에서는 시동 초기의 Wall film 생성 경향을 파 악하기 위해서 여러 사이클을 반복하여 해석을 진행하 여 사이클이 반복됨에 따라 Wall film 양이 점차 수렴하 도록 하였다. 흡기밸브가 닫히는 시점에서 흡기포트와 흡기밸브 상부, 밸브 스탬에 부착된 연료량을 Wall film 양으로 정의하였다.
2.2 엔진 형상 및 해석 조건
본 연구에서 사용한 엔진 정보는 Table 2와 같으며 CONVERGE에서 제공하는 Cut-cell mesh 알고리즘을 사용하여 영역에 대하여 직각격자를 사용하였으며, AMR(Adapted Mesh Refinement) 기법으로 수치해석 결 과의 정확도를 높였다. 연료 분사 전략이 Wall film 형 성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 분사 압력 증가 및 듀얼 인젝션 시스템을 사용하여 이에 대한 영향을 분석하고자 하였다.
E
crit2E
crit= Oh Re ⋅
1.25> 57.7
Oh μ ---ρσD
=
Re ρw0D ---μ
=
E2 Wei
min hα --- 1d,
⎝ ⎠
⎛ ⎞ δbl ---d + --- E> crit2
=
δbl d Re ---
=
Table 1 Numerical model selection Specifications Resources Droplet breakup KH-RT
Turbulence Rapid Distortion RNG κ−ε Wall film O’Rourke
Collision O’Rourke Evaporation Frossling
분사 압력을 각각 3.8 bar (reference), 6 bar, 8 bar로 변경하여 해석을 진행하였다. 또한 듀얼 인젝션 시스템 이 Wall film 형성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 듀 얼 인젝터를 사용하여 각각의 흡기 포트에 연료를 분사 하였다. 노즐 및 분사 압력 등 인젝터 제원은 싱글 인젝 션과 동일하며 Fig. 1과 같이 연료 분사각도를 각각 36°, 39°, 41°로 조정하여 기존의 분사방식과 연료의 미립화 및 연료 분포 측면에서 비교 분석하였다.
3. 연구 결과
3.1 시뮬레이션 모델 검증
엔진 시동시의 Wall film 해석을 진행하기 전에 본 연 구에서 사용한 수치해석 모델을 검증하기 위하여 이륜 차의 대표적 운전 구간인 7000 rpm 조건에서 수치 해석 과 실험의 연소 압력 및 열발생률 곡선을 Fig. 2에서 비 교하였다.
실험을 통하여 Wall film의 정확한 양을 측정하는 것 은 불가능하기 때문에 해석 상에서 여러 사이클을 반복 하여 Wall film 양이 안정화 된 후 연소해석을 통해 실 험 결과와 비교하여 일정한 운전조건에서 실린더로 유 입되는 연료량을 검증하였다. 그 결과, 실험결과와 해석 결과의 연소 곡선으로부터 실린더 내부로 유입되는 연 료량이 해석결과와 실험결과가 일치하여 수치해석 모델
이 타당함을 확인할 수 있다.
3.2 분사압력
분사 압력을 기존 3.8 bar에서 6 bar, 8 bar로 상승시 키면 연료 분사기간이 짧아지기 때문에 연료 분사시기 를 수정하여 동일한 시기에 연료분사가 종료되도록 하 였다. Fig. 3에서 사이클이 반복될 때 크랭크 각도에 따 른 Wall film 질량 변화를 나타내었다.
그래프를 살펴보면 이전 사이클에서 Wall film 형태로 남아 실린더로 들어가지 못한 연료는 다음 사이클에 분 사된 연료와 함께 실린더 내부로 들어가 연소에 참여는 과정을 볼 수 있으며 이에 따라 사이클이 반복됨에 따 라 Wall film 양이 점차 수렴한다.
Wall film 양을 계산하면 3.8 bar 일 때(reference) 16.4 mg이고 6 bar, 8 bar 일 때 각각 13.3 mg, 11.6 mg 으로 나타났다. 해석 결과 연료 분사압력이 증가할수록 연료의 미립화가 촉진되어 Wall film 생성량이 감소하는 경향을 보였다.
Fig. 1 Engine shape and Injector position
Table 2 Engine specification and simulate condition
Items Value
Bore/Stroke [mm] 56/50.7 Displacement Volume [cc] 125
Engine speed [rpm] 7000 Injector flow rate [g/s] 21.3 Intake valve open [IVO] -70 [deg_aTDC]
Intake valve close [IVC] 268 [deg_aTDC]
Fig. 2 Validation of simulation modeling with experimen- tal result
인젝터에서 연료가 분사된 뒤 일정거리 이상에 도달 하면 미립화 되었던 연료 액적들이 서로 충돌하여 다시 큰 액적을 형성하는데, 분사압력이 낮을수록 커다란 액 적을 많이 형성하고 그 무게로 인해 벽면에 쉽게 흡착 하기 때문에 연료의 손실량이 크다.
Figure 4에서 분사압력에 따른 연료의 액적 크기 분포 를 살펴보면 분사압력이 높을수록 미립화가 촉진되어 비교적 작은 액적이 많이 생성되는 것을 확인할 수 있 다. 분사압력과 관계없이 분사초기에는 작은 액적의 형 태를 띄지만 흡기포트 내부에서 액적간의 충돌로 인하 여 큰 액적을 생성하는 것을 확인할 수 있다. 분사압력 이 낮을수록 연료 액적 이 이른 시기에 뭉치기 시작하 여 큰 액적을 더 많이 형성하며 이것이 Wall film 양을 증가시키는 원인이 되는 것을 확인할 수 있다.
3.3 듀얼 인젝션
각각의 흡기 포트에 듀얼 인젝터를 사용하여 연료를 분사하기 위하여 기존 인젝터 위치보다 실린더 가까이 에서 연료를 분사하였다.
Figure 5를 통해 나타나듯이 해석 결과 기존 단일 인 젝션과 듀얼 인젝션간에는 서로 다른 경향을 보인다. 단 일 인젝션시의 Wall film 변화를 분석하면, 연료가 분사 되는 시기에 Wall film 양이 급격하게 증가하였다가 연 료가 증발하면서 점차 감소하는 경향을 보인다. 반면 듀 얼 인젝션을 사용하면 연료 분사시기에 마찬가지로 Wall film이 급증하였다가 흡기 과정 중 Wall film이 다 시 한번 증가하는 경향을 보인다. 이는 듀얼 인젝터와 단일 인젝터의 연료 분사 위치 차이로부터 비롯된다. 듀 얼 인젝터를 통해 분사된 연료는 단일 인젝터와 비교하 Fig. 3 Wall film mass with injection pressure change
Fig. 4 Droplet radius distribution in the intake port
Fig. 5 Wall film mass with dual injection angle
여 인젝터와 흡기포트 및 흡기밸브와의 거리가 짧아져 연료가 벽면에 빨리 도달하고 밸브 상단을 타겟팅하기 때문에 실린더 벽면을 타고 연료가 실린더로 유입된다.
특히 시동 초기에는 실린더 내부 온도가 낮아 흡기 중 유입된 연료 액적 일부가 증발되지 못하고 액적 상 태로 실린더로 유입 된 연료는 흡기 행정 말에 다시 흡 기포트로 재배출된다. 흡기포트로 나온 액적들은 흡기 밸브에 재부착되어 흡기 도중 Wall film의 양을 증가시 키는 원인이 된다.
듀얼 인젝션 각도를 증가시킬수록 모든 구간에 대하 여 Wall film이 감소하는 경향을 보였는데, 이는 흡기포 트를 타겟팅하여 벽면과 이른 시간에 충돌하도록 하는 것보다 흡기밸브를 타겟팅하여 공기와 혼합되는 시간을 길게 하는 것이 Wall film 저감에 유리하기 때문이다.
Figure 6에서 흡기 행정 중의 유동 해석 결과와 연료 거동 해석 결과를 나타내었다. 흡기 행정 중 흡기 밸브 안쪽으로 유입되는 유동은 큰 텀블 유동을 발생시키며 실린더 전체와 혼합되는 반면 흡기밸브 바깥쪽으로 유 입되는 유동은 실린더 내에서 크게 혼합되지 않고 실린 더의 벽면을 타고 흐르는 유동을 형성한다.
단일 인젝션을 통해서 분사된 연료의 경우 흡기 밸브 안쪽의 텀블 유동을 따라 실린더 공기와 혼합되어 실린 더 내부로 골고루 섞여들어가는 반면, 듀얼 인젝션의 경 우 밸브 바깥쪽 유동을 타고 흡기밸브 근처 실린더 벽 면에 부착되는 액적이 많은 것을 확인할 수 있다. 실린 더 내에서 증발되지 않은 이들 액적은 흡기 행정 말기 에 밸브가 닫히기 전 실린더에서 빠져나가는 유동을 따 라 밸브 근처 에 부착된 연료가 흡기포트로 흘러나와 벽면에 부착 되어 흡기 행정 후기에 Wall film이 증가하
는 경향을 보인다.
그러나 결과적으로 듀얼 인젝션을 사용하면 연료가 벽면과 충돌하는 면적이 감소하여 Wall film 양이 저감 된다. 흡기포트 및 흡기밸브에 부착되는 Wall film 양을 저감시켜 기존의 단일 인젝션을 사용했을 때보다 개선 된 효과를 보여준다.
4. 결 론
본 연구는 PFI식 SI 가솔린 엔진에서 연료분사전략이 Wall film 형성에 미치는 영향에 대하여 수행되었다. 그 결과를 요약하면 아래와 같다.
(1) 본 연구에서는 Wall film이 수렴한 뒤의 연소압력 을 실험결과와 비교하여 수치해석 모델을 검증하고, 분 사압력이 Wall film 생성량에 미치는 영향을 분석하였다.
Fig. 6 Visualization of fuel droplet moving and intake air flow
Fig. 7 Total wall film mass
인젝터에서 분사된 연료는 일정거리를 이동한 후에 액 적끼리 충돌하여 재부착하여 Wall film을 생성하는데, 분사압력이 높을수록 연료의 미립화를 촉진하고 액적이 다시 뭉치는 현상을 감소시켜 결과적으로 Wall film을 저감하는 역할을 하였다.
(2) 듀얼 인젝션 시스템을 이용하면 흡기밸브를 직접 타겟팅하여 연료가 벽면과 충돌하는 면적이 감소하여 연료의 손실율이 감소한다. 또한 Wall film 저감을 통한 연료 손실율 감소로 Wall film 수렴시간이 짧아져서 엔 진 시동 초기의 연소 안정성을 높일 수 있고 과잉공급 하는 연료량을 줄여 연료소비율을 향상 시킬 수 있다.
(3) Reference 케이스인 분사압력 3.8 bar와 비교하였 을때 분사압력 6 bar 일 때 19.2%, 8 bar일 때 29.6% 감 소하였으며 듀얼 인젝션을 사용하면 분사각도 36°는 29.0%, 39° 일 때 38.8%, 41° 일 때 44.2% 저감 되었다. 이 를 그래프로 나타내면 Fig. 7과 같다.
후 기
본 연구는 환경부 Global-Top Project 친환경자동차기 술개발사업단의 지원을 받아 수행되었으며 이에 감사드 립니다(2016002070010).
참고문헌
(1) Ch. Schwarz, E. Schunemann, B. Durst, J. Fischer and A. Witt, “Potentials of the Spray-Guided BMW DI Combustion System”, SAE International, 2006.
(2) Mike Braisher, Richard Stone and Phil Price, “Particle Number Emissions from a Range of European Vehi- cles”, SAE International, 2010.
(3) Yasunori Sogawa, Hisaya Hattori, Tetsuya Yamashita, Nohuhiro Yanagisawa, Tomoaki Ikeda, Shigeyuki Tanaka, Mitsuru Hosoya, Ko Takahashi, Takeshi Shoji, Teruo Suzuke, Yasunori Iwakiri, Toru Nakajima and Yoshio Tonegawa, “Nano Particle Emission Evalua- tion of State of the Art Diesel Aftertreatment Technol-
ogies (DPF, urea-SCR and DOC), Gasoline Combustion Systems (Lean Burn / Stoichiometric DISI and MPI) and Fuel Qualities Effects (EtOH, ETBE, FAME, Aro- matics and Distillation)”, SAE international, 2007.
(4) Leonidas Ntziachristos, Athanasios Mamakos, Zissis Samaras, Urs Mathis, Martin Mohr, Neville Thomp- son, Richard Stradling, Laurent Forti and Claes de Serves, “Overview of the European ‘Particulates’ Proj- ect on the Characterization of Exhaust Particulate Emissions from Road Vehicles: Results for Light-Duty Vehicles”, SAE international, 2004.
(5) M. C. Drake, T. D. Fansler, A. S. Solomon and G. A.
Szekely, jr, “Piston Fuel Films as s Source of Smoke and Hydrocarbon Emission from a Wall-Controlled Spark-ignited Direct-Injection Engine”, SAE interna- tional, 2003.
(6) Paolo Sementa, Blanca Maria Vaglieco and Francesco Catapano, “Thermodynamic and optical characteriza- tions of a high performance GDI engine operating in homogeneous and stratified charge mixture conditions fueled with gasoline and bio-ethanol”, Fuel, Vol. 96, 2012, pp. 204~219.
(7) Buyu Wang, Sebastian Mosbach, Sebastian Schmu- zhard, Shijin Shuai, Yaqing Huang and Markus Kraft,
“Modelling soof formation from wall films in a gaso- line dierec injection engine using a detailed population balance model”, Applied Energy, Vol. 163, 2016, pp. 154~166.
(8) Hanzhengnan Yu, Xingyu Liang, Gequn Shu, Xiuxiu Sun and Hongsheng Zhang, “Experimental investiga- tion on wall film ratio of diesel, butanol/diesel, DME/
diesel and gasoline/diesel blended fuels during the spray wall impingement process”, Fuel Processing Technology, Vol. 156, 2017, pp. 9~18.
(9) P. J. O’Rourke and A. A. Amsden, “A Spray/Wall Inter- action Submodel for the KIVA-3 Wall Film Model”, SAE international, 2000.
(10) Chr. MUNDO, M. SOMMERFELD and C. TROPEA,
“Droplet-wall collisions: experimental Studies of the deformation and breakup process”, International Jour- nal of Multiphase flow, Vol. 21, 1995, pp. 151~173.
