커먼레일 인젝터로부터 분사되는 디젤 분무의 연소실 압축비 변화에 따른 SMD 분포의 CFD 시뮬레이션
이 충 훈
†
CFD Simulation of SMD Distribution of Diesel Sprays Injected from a Common Rail Injector According to Compression Ratio
of Combustion Chamber
Choong Hoon Lee
Key Words: Sauter mean diameter(Sauter 평균입경), Environment gas density(주위기체밀도), Compression ratio(압축비), Diesel spray(디젤분무), Computational fluid dynamics(전산유체역학)
Abstract
A diesel spray overall SMD (Sauter mean diameter) in a spray chamber was simulated with CFD by varying the com- pression ratio in the spray chamber from 18:1 to 100:1. The gas densities of the spray chambers for the compression ratios of 18:1 and 100:1 were 17.97 and 74.8 kg/m3, respectively. Standard KIVA-3V code was used for the CFD simulation. Var- ious fuel injection patterns such as single injection, pilot injection and split injection were used for the CFD simulation. Fuel injection pressures for the simulated diesel sprays are 90 and 120 MPa. As the compression ratio increases, the CFD simu- lated SMD was decreased, which was generally in agreement with previous experimental studies.
1. 서 론
CO2가 지구 온난화의 주요 원인 중의 하나로 밝혀지 면서 이를 줄이려는 노력이 다 방면에서 이루어 지고 있다. CO2배출원으로서 큰 비중을 차지하고 있는 것이 자동차 배출 가스이다. 배출 가스 중에 포함된CO2를 줄 이기 위한 효과적인 방안으로 연비가 우수한 엔진을 사 용하는 것이다. 직분식 디젤 엔진은 연비 측면에서 다른 어떤 종류의 엔진보다 우수하다는 것은 잘 알려진 사실 이다.
연비 향상의 방법으로 직분식 디젤 엔진의 압축비를
100:1 까지의 초고압축비로 높이는 연구가 관심을 끌고 있다. 압축비가 높다는 것은 연료가 분사되는 분무실의 주위 기체밀도가 높다는 의미이다. Teh 등(1)은 압축비를 100:1까지 높일 경우 이론적 열효율이 70%까지 높일 수 있음을 보였다. Svrcek 등(2)은 급속 압축 장치(rapid compression machine)의 자유 낙하 피스톤을 이용하여 압축비를100:1 까지 높인 조건에서 연료를 분사한 후 가시화하여 분무 선단 거리를 측정하였다. Lee와 Reitz(3)는 압축비를 100:1까지 높인 조건에서 분무 선단 거리를 CFD 시뮬레이션을 하였다. Naber와 Siebers(4)는 3.6 kg/m3에서 210 kg/m3에 이르는 광범위한 주위 기체 밀도 조건에서 분무 선단 거리 특성을 실험적으로 측정 하였다. Desantes 등(5)은 최근 디젤 엔진에서 사용되고 있는 커먼레일 분사시스템을 사용하여 주위 공기 밀도 12 kg/m3~69 kg/m3의 범위에서 분무 선단 거리 특성을 연구하였다.
Recieved: 23 Jul 2014, Recieved in revised form: 09 Sep 2014, Accepted: 10 Feb 2014)
†
교신저자, 회원, 서울과학기술대학교 기계·자동차공학과 E-mail : [email protected]
TEL : (02)970-6393 FAX : (02)979-7032
디젤 분무의 증발 특성과 관련하여서는 분무의 평균 입경 분포가 중요하다. 압축비 변화 즉, 기체 밀도 변화 에 따른 디젤 분무의 Sauter 평균 입경(SMD: D32) 분포 와 관련된 연구로 Elkotb(6)이 폭넓게 연구하였으며 특히 D32를 분무 액체의 점도, 표면장력, 밀도와 주위기체 밀 도, 분사 압력을 등의 파라미터로 나타내는 관계식을 구 한 바가 있다. Payri 등(7)은 기체 밀도를 30 kg/m3까지 높인 조건에서 PDPA로 디젤 분무의 D32분포를 측정하 였다. Park 등(8)과 Lee and Park(9)은 D32분포를 CFD 시 뮬레이션과 PDPA에 의한 실험 결과를 비교하였다.
Tennison등(10)은 광소멸법(light extinction method)을 사 용하여 디젤 분무의 D32분포를 구하고 CFD 시뮬레이 션 결과와 비교하였다. 이와 같이 이전 연구에서의 디젤 분무의 D32에 대한 CFD 시뮬레이션은 주로 분무실의 주위 공기압력이 대기압 수준에서 이루어졌고 다양한 주위 공기 밀도 조건에서의 CFD 시뮬레이션은 충분히 이루어지지 못하였다.
본 연구에서는 주위 공기밀도를 단계적으로 높여 압 축비가 100:1 되는 수준까지 높인 여러 압축비 조건에 서의 분무실 전체의 D32분포를 CFD 시뮬레이션하였다.
CFD 시뮬레이션에는 표준 KIVA-3V를 사용하였다. 디 젤 엔진 인젝터의 압축비 변화와 커먼레일 인젝터의 다 양한 분사 패턴에 따른 D32특성을 CFD 시뮬레이션 하 였다. 압축비 18:1인 조건에서의 CFD 시뮬레이션 결과 는 Tennison 등(10)의 실험 결과와 비교하였다.
2. CFD 시뮬레이션
CFD 시뮬레이션에는 엔진 내에서의 분무와 연소과정 을 계산하는데 일반적으로 많이 사용되고 있는 표준 KIVA-3V를 사용하였다(11). 난류는 RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes) 방식과 표준 k-ε 모델을 사용하 여 모사되었다. 액체 분무는 라그랑지안 파셀(Lagrangian parcel)로 연소실에 분사되었다. 현상적 분무 모델을 사
용하여 이들 연료 파셀들은 미립화, 증발되고 이어서 오 일러 가스상(Eulerian gas phase)과 혼합된다.
액적에 미치는 항력의 영향이 분무 선단 거리에 미치 는 효과에 집중하기 위해 표준 KIVA-3V의 것을 그대로 사용하였다. 이 경우 비 증발 조건에서 CFD 시뮬레이 션을 수행함으로써 질량-에너지 전달 및 상변화 영향을 배제할 수 있다. 액적 분열 KH-RT(Kelvin Helmholtz – Rayleigh Taylor) 모델(12,13)을 사용하였으며 관련 파라미 터들은 각각의 시뮬레이션 조건에 대해 동일한 값을 사 용하였다. 각 실험마다 인젝터 설정과 분사 조건이 고정 되어 있기 때문에 현재의 노즐 플로(nozzle flow) 모델 을 적용하였다. 즉, 노즐 내부 유동의 영향은 본 연구에 서는 고려하지 않았다. 시뮬레이션에 사용된 연료는 디 젤유와 물성이 유사한 Iso-octane 이다. 연료 분사율은 Tennsion 등(10)의 실험데이터를 스캔닝하여 얻었다. 실 린더형 360o메시를 사용하여 CFD 시뮬레이션 하였다.
각 셀의 크기는 1 mm이고 시간 스텝은 1 µs 이다.
3. 결과 및 검토
디젤 분무의 분사 시작 후 시간 변화에 따른 전체 평 균 SMD 변화를 CFD 시뮬레이션 하기 위한 실험 조건으 로 Tennison등(10)의 결과를 사용하였다. Table 1은 본 연 구에서 사용한 Tennison 등의 실험 조건을 요약하여 나타 낸 것이다. 단발 분사, 파일롯 분사, 스플릿 분사 등의 3 가지 패턴으로 연료를 분사하는 조건을 사용하였다.
Tennison 등(10)은 분무실의 기체 밀도가 17.97 kg/m3를 유 지하였고 이에 대응하는 압축비는 18:1이다. 압축비가 18:1 인 조건에서 Tennison 등(10)은 광소멸법을 사용하여 분무실 전체의 SMD를 측정하였다. Elkotb(6)는 일반적인 디젤 분무의 SMD 관계식을 도출하였다. 식 (1)은 Elkotb(6)의 관계식 (1)을 나타낸 것이다.
D32=615ν0.385σ0.737ρf0.737ρa0.06∆P–0.54µm (1)
Table 1 Total injected mass and injection duration for the cases studied for the two different rail pressures(10) Injection pattern (first/dwell /main) 90 MPa 120 MPa Single injection 1 (0/0/1.0 ms) 38.18 mg/1.62 ms 44.54 mg/1.75 ms Single injection 2 (0/0/1.5 ms) 52.82 mg/2.10 ms 61.99 mg/2.17 ms Pilot injection (0.25/0.25/0.75 ms) 32.41 mg/1.91 ms 36.70 mg/2.03 ms Split injection (0.5/0.5/0.5 ms) 30.94 mg/1.87 ms 46.76 mg/2.11 ms
여기서 ν는 점성계수, σ는 표면장력, ρf연료밀도, ρa는 주위 공기 밀도로 Tennison 등(10)은 2.82 mm2/s, 28.6 mN/m, 840 kg/m3, 17.97 kg/m3를 각각 사용하였으며 본 연구에서도 주위 공기 밀도를 제외하고는 동일한 물성 치를 사용하였다.
Figure 1은 Table 1에 제시된 Tennison 등(10)의 실험 조건 중 90 MPa레일 압력에서 1.5 ms동안 단발 분사 하였을 때의 CFD 시뮬레이션된 분무실 전체 액적의 SMD를 Tennion 등(10)의 광소멸법에 의한 SMD, Elkotb(6) 의 관계식 (1)에 의한 SMD결과를 비교하여 나타낸 것 이다. KIVA-3V에 의한 CFD 시뮬레이션 결과는 분사 시작 후 시간 0-0.5 ms 기간에는 SMD값이 광소멸법에 의한 실험 결과에 비해 매우 크게 예측하는 것으로 나
타났으며 0.5-2.5 ms 기간에도 약간 크게 예측하는 것으 로 나타났다. Elkotb(6)의 관계식에 의한 SMD값은 시간 파라미터를 포함하지 않은 식이기 때문에 일정한 값이 며 광소멸법에 의한 SMD결과와 비교적 잘 일치하고 있 다. Fig. 2는 120 MPa 레일 압력에서 1.5 ms 동안 단발 분사를 하였을 때의 결과를 나타낸 것으로 Fig. 1과 유 사한 경향을 보였으며 단지, 연료압을 높게 유지하고 분 사하였기 때문에 상대적으로 SMD값이 작은 값을 보이 고 있다.
Figure 3은 90 MPa레일압 조건에서 파일롯 분사 패턴 으로 분사하였을 때의 결과를 비교하여 나타낸 것이다.
파일롯 분사시에 인젝터 솔레노이드의 구동 패턴은 ‘첫 번째분사/드웰기간/주분사’ 3단계로 구성되어 있는데
‘250/250/750 µs’ 기간으로 각각 대응된다. 파일롯 분사 에 의한 SMD CFD 시뮬레이션 결과는 0-1.5 ms 기간은 Tennison등(10)의 결과와 비교하여 매우 큰 값으로 예측 하고 있으며 1.5-2.5 ms 기간에는 약간 큰 값으로 예측 하고 있다. Elkotb(6)의 관계식 (1)에 의한 SMD값은 Fig.
1의 결과를 그대로 사용하였다.
Figires 1-3의 결과는 압축비 18:1 조건에서 분무실 전 체의 SMD CFD 시뮬레이션 값이 액적 분열 모델이 잘 맞지 않는 초기 분사기간을 제외 하고는 대체로 광소멸 법에 의한 실험 결과 및 Elkotb(6)의 관계식 결과와 비교 하면 약간 큰 값으로 예측하고 있으나 비교적 잘 일치 하는 경향을 보여주고 있다. 분무실 전체 액적의 SMD 분포 특성은 Park등(12)이 80 MPa분사 압력, 1.0 ms 분 사 기간 조건에서 연료를 분사하였을 때 PDPA를 사용 Fig. 1 Comparative results of the SMD at conditions of
90 MPa single injection with 1.5 ms duration
Fig. 2 Comparative results of the SMD at conditions of 120 MPa single injection with 1.5 ms duration
Fig. 3 Comparative results of the SMD at conditions of 90 MPa pilot injection pattern
하여 측정한 바 있는데 분사 시작 후 시간 변화에 따른 SMD가 Tennison(10)등의 광소멸법에 의한 측정 결과의 경향과 일치하고 있다. 따라서, 압축비 변화에 따른 분 무실 전체 액적의 SMD 분포에 대한 비교 기준으로 Tennion 등(10)의 결과 또는 Elkotb(6)의 SMD 관계식을 사용하겠다.
압축비 변화에 따른 분무실 전체 액적의 SMD특성을 파악하기 위해 분무실 기체 밀도를 높여가면서 분무실 전체 액적의 SMD에 대한 CFD 시뮬레이션을 하였다.
전술한 18:1을 포함하여 Table 2에 나타낸 것과 같이 압 축비를 30:1로부터 100:1까지 점진적으로 증가시키면서 시뮬레이션 하였다. 30:1로부터 100:1까지 각각에 대응 하는 분무실 주위 공기 밀도는 33.0 kg/m3로부터 74.8 kg/m3이며, 분무실 압력은 2.8 MPa에서 6.3 MPa이다.
Figure 4는 Elkotb(6)의 관계식(1)을 사용하여 분무실 압축비 변화에 따른 SMD 변화를 나타낸 것이다. 분사 압력은 Tennison등(10)의 분사 압력 조건인 90 MPa과 120 MPa 조건을 사용하였고 연료 물성값도 Tennison 등(10) 과 동일한 것을 사용하였다. 압축비가 증가함에 따라 SMD가 증가하는 경향을 나타냈는데 이는 압축비가 높 은 경우 주위 기체 밀도가 높아 분무 침투거리가 감소
하고 그에 따라 주위 기체와의 상호 작용이 줄어든 것 에 기인한다. 분사압이 증가하는 경우 SMD가 줄어든 경향을 보였는데 이는 압력이 높을 경우 분무의 제트의 속도가 증가하여 미립화가 촉진되기 때문이다.
Figure 5는 연료 분사압을 90 MPa 조건에서 단발 분 사 패턴으로 분사기간을 각각1.0 ms, 1.5 ms로 하였을 때의 분무실 압축비 변화에 따른 분무실 전체 액적의 Table 2 ambient air density and back pressure corresponding to compression ratio
Compression ratio 30 45 60 70 80 90 100
Ambient air density (kg/m3) 33.0 43.4 54.2 61.0 66.5 71.0 74.8 Ambient back pressure (MPa) 2.8 3.6 4.6 5.1 5.6 6.0 6.3
Fig. 4 SMD variation according to compression ratio with two fuel injection pressures of 90 and 120 MPa using Elkotb(6) relationship
Fig. 5 SMD variation according to compression ratio with fuel injection pressures and duration (a) 90 MPa, 1.0 ms and (b) 90 MPa, 1.5 ms, respectively
SMD 에 대한 CFD 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
분사 시작 후 약 0.5 ms부터의 결과를 나타내었다. Fig.
4에 나타낸 것과 같이 Eltkob(6)의 관계식 (1)을 이용하여 구한 압축비 변화에 대한 SMD값보다 대체로 큰 값으 로 예측되었음을 알 수 있다. 압축비가 18:1에서 60:1까 지 변하는 구간에서는 SMD값의 변화폭이 70:1에서 100:1변화 구간과 비교하여 상대적으로 크게 나타났는 데 이는 각각의 구간에서의 분무실 주위 기체 밀도 변 화의 폭이 18:1~60:1 구간에서는 약 10 kg/m3 인데 반 해 70:1~100:1 구간에서는 5 kg/m3로 밀도 변화가 상대 적으로 크지 않기 때문이다. 또한 분사기간 1.5 ms 로 유지하였을 압축비 변화에 따른 SMD 변화의 폭이 1.0 ms 의 경우보다 작게 나타났는데 이는 분사기간이 긴 경우가 분무의 관성이 크기 때문으로 사료된다. Fig. 6
은 연료 분사압을 120 MPa 조건에서 단발 분사 패턴으 로 분사기간을 각각1.0 ms, 1.5 ms로 하였을 때의 분무 실 압축비 변화에 따른 분무실 전체 액적SMD 에 대한 CFD 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. Fig. 5의 결과 와 유사한 경향을 나타냈었으나, 다만 분사압이 90 MPa 보다 큰 120 MPa로 증가되었기 때문에 대체로 SMD값 이 상대적으로 작은 값을 나타내었다 이러한 결과는 Fig. 4에 나타낸 Elkotb(6)의 결과와 일치하는 경향을 보 이고 있다.
Figure 7과 Fig. 8은 각각 90 MPa와 120 MPa의 압력 조건으로, Table 1에 요약한 파일롯 분사 패턴에 따라 연료를 분사하였을 때, 압축비 변화에 따른 분무실 전체 의 SMD의 CFD 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 분
Fig. 6 SMD according to compression ratio with single injection pressure and duration (a) 120 MPa, 1.0 ms and (b) 120 MPa, 1.5 ms, respectively
Fig. 7 SMD according to compression ratio with pilot injection pressure 90 MPa
Fig. 8 SMD according to compression ratio with pilot injection pressure 120 MPa
사 시작 후 1 ms 이후의 시간 변화에 따른 SMD분포를 나타내었다. Fig. 5와 Fig. 6에 각각 나타낸 단발 분사 결과와 유사한 경향을 나타내고 있으며 단지 파일롯 분 사 패턴의 경우가 압축비 변화에 대해 SMD의 변화 폭 이 크게 나타났는데 이는 파일롯 분사 패턴의 경우가 분무의 관성력이 떨어짐에 기인한다.
Figure 9와 Fig. 10은 각각 90 MPa와 120 MPa의 압 력 조건으로, Table 1에 요약한 스플릿 분사 패턴에 따 라 연료를 분사하였을 때, 압축비 변화에 따른 분무실 전체 액적의 SMD에 대한 CFD 시뮬레이션 결과를 나 타낸 것이다. Table 1에 요약한 것과 같이 스플릿 분사 는 1차 분사 기간 0.5 ms을 유지하고 다음 0.5 ms 동안 차단, 다시 0.5 ms의 메인 분사 기간을 갖는 패턴이다.
결과적으로 0.5 ms 분사 기간을 갖는 단발 분사를 0.5 ms 간격으로 두 번 분사한 패턴이다. 따라서 SMD가 1 차분사에 의해 분사 시작 후 1 ms 까지는 감소하는 경 향을 보이다가 또 다른 단발 분사에 의해 SMD가 증가 하는 패턴을 보이는 것이다. 압축비 증가에 따른 SMD 는 압축비가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보이고 있 다. 분사 압력이 90 MPa일 때, 압축비 변화에 따른 SMD 변동 폭이 120 MP의 경우에 비해 상대적으로 크 게 나타났으며 이는 분사압이 높을 때 관성력이 크기 때문이다. 단발, 파일롯, 스플릿 분사 패턴에 따른 압축비 변화에 따른 SMD 변동 폭의 변화는 스플릿, 파일롯, 단 발 분사 패턴의 순서로 크게 나타났는데 이것은 전술한 바와 같이 분무의 관성력이 단발, 파일롯, 스플릿 분사 패턴의 순서로 크기 때문이다.
4. 결 론
디젤 분무실의 압력을 변화시킴으로써 결과적으로 연 료 분사시 압축비 변화를 주는 효과를 줄 수 있다. 이러 한 방식으로 압축비를 18:1로부터 100:1까지 변화시키 면서 분무실 내의 전체 액적의 SMD 분포를 CFD 시뮬 레이션 하였다. 분사압력을 변화시키고, 단발, 파일롯, 스플릿 분사 패턴의 다양한 조건에서 CFD 시뮬레이션 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. 분무실 압축비가 증가함에 따라 분무실 전체 SMD 는 증가하는 경향을 보였으며 이는 분무실 기체 밀도 분포와 분사 패턴에 따른 분무의 관성력과 밀접한 관련 이 있음을 의미한다.
2. 압축비 변화에 따른 SMD의 변동 폭은 단발 분사, 파일롯 분사, 스플릿 분사 패턴의 순서로 크게 나타났는 데 이는 인젝터 작동 시간 차에 의한 분무의 관성력의 차이에 기인한다.
3. 분사압을 높게 유지하여 연료를 분사하였을 때 분 사압이 낮은 경우에 비해 상대적으로 SMD값이 전체적 으로 작게 나타났고 압축비 변화에 대해서 SMD의 변 동폭이 작게 나타났는데 이는 분사압 차이에 의한 분무 의 관성력의 차이에 기인한다.
후 기
이 연구는 서울과학기술대학교 교내연구비의 지원으 Fig. 9 SMD according to compression ratio with split
injection pressure 90 MPa
Fig. 10 SMD according to compression ratio with split injection pressure 120 MPa
로 수행되었습니다(과제번호2014-446).
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