Numerical Study on the Effect of Nozzle Geometry on the Small CRDI Engine Performance

노즐 형상 변경이 소형 CRDI 엔진의 성능에 미치는 영향에 대한 수치 해석적 연구

민세훈

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Numerical Study on the Effect of Nozzle Geometry on the Small CRDI Engine Performance

Se Hun Min and Hyun Kyu Suh

Key Words: Combustion pressure(연소 압력), Injection timing(분사시기), Injection quantity(분사량), Multi-hole nozzle (다공 노즐), Rate of heat release(열 발생률), Soot(검댕)

Abstract

The objective of this study is to investigate the effect of multi-hole nozzle on the performance of small CRDI engine.

Combustion and exhaust emission characteristics of engine were studied by using CFD simulation with ECFM-3Z combus- tion model. The conditions of simulation were varied with nozzle geometry, injection timing and injection quantity. In addi- tion, the results were compared in terms of combustion pressure, rate of heat release, NOx and soot emissions. It was found that combustion pressure was increased when injection timing was advanced. The rate of heat release of 6 hole nozzle was higher than that of 12 hole nozzle since the quantity of fuel impinged at the bottom of piston rim was different under dif- ferent injection timing conditions. In the case of NO_x emission, 6 hole nozzle generated more NO_x emission than 12 hole nozzle. On the other hand, in the case of soot emission, 12 hole nozzle showed higher value than 6 hole nozzle because injected fuel droplets from multi-hole nozzle were coalesced.

1. 서 론

최근 디젤엔진은 가솔린엔진보다 높은 열효율과 저속 에서의 우수한 토크 성능으로 인하여 많은 주목을 받고 있다. 하지만, 디젤엔진은 NOx와 Soot과 같은 환경오염 및 인체에 해로운 물질을 많이 배출하여 이를 줄이기 위한 수많은 선행연구가 진행되고 있다.

NOx와 Soot를 줄이기 위한 방법으로는 분사압력

(Injection pressure), 분사시기(Injection timing), 분사전략 (Injection strategy) 등을 제어하여 관련 배출물을 저감하 는 전처리 방법과 기존의 산화촉매(DOC:Diesel Oxida- tion Catalyst), 디젤 입자상물질 필터(DPF:Diesel Partic- ulate Filter), 질소산화물 흡장 촉매(LNT:Lean NOx

Trap), 선택적 환원 촉매(SCR:Selective Catalytic Reduc- tion) 등을 적용하여 연소가 끝난 배기가스를 촉매 또는 재연소를 통하여 줄이는 후처리 방법이 있다⁽¹⁾.

NOx의 경우, 열 발생을 억제하는 EGR(Exhaust Gas Recirculation)시스템과 환원반응을 하는 SCR 등과 같은 후처리 시스템을 통하여 90%이상의 제거가 가능하다.

하지만, Soot의 경우 후처리 장치를 통하여 상당량의 Soot을 제거하더라도 필터에서 제거되지 않는 초미세 입자가 배출된다. 배출된 초미세입자는 폐암, 심장질환,

(Recieved: 15 Dec 2015, Recieved in revised form: 28 Dec

2015, Accepted: 29 Dec 2015)

*

공주대학교 기계공학과 대학원

†

서현규, 회원, 공주대학교 기계자동차공학부 E-mail : [email protected]

TEL : (041)521-9264 FAX : (041)555-9123

호흡기질환 등 인체에 심각한 해를 끼치게 된다⁽²⁾. 따라 서, 전처리 방법을 통해 Soot이 배출되기 전부터 줄여 원천적으로 제거하는 방법의 연구가 필요하다.

Soot을 줄이기 위한 방법으로 Woo⁽³⁾등과 Kwon⁽⁴⁾등 은 기존의 디젤 엔진에서 노즐의 분공수를 늘려 연료 혼합기의 공간분포도를 증가시켜 연소가 활발하게 일어 나도록 한 후 Soot의 배출을 줄이는 실험적 연구를 하 였다.

저공해 고성능 엔진 연구개발을 위하여 최근에는 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 이용한 엔진 연 소 해석이 가능하여 실제 엔진을 운전하여 연구를 하는 것보다 비용과 시간을 절감할 수 있게 되었다.⁵⁾

LiWang⁽⁶⁾등과 Abdul⁽⁷⁾등은 연소실의 형상을 변화시 켜 Swirl 강도를 높여서 Soot을 줄이는 해석적 방법을 연구하였고, Ryu⁽⁸⁾등은 분사 조건을 변화시켜 연소 및 배기 특성에 미치는 영향을 Chon⁽⁹⁾등은 노즐의 홀수에 따른 배기특성에 대한 연구를 하였다. 하지만, CFD를 사용한 연구들은 연소실 형상 변화, 분사시기, 분사압력, 분사전략에 따른 연구 분야만 활발히 연구가 진행되어 왔고 노즐 형상 변화에 대한 수치해석적 연구는 미흡하 였다.

따라서, 본 연구에서는 기존에 연구들에서 부족하였 던 동일한 엔진 운전조건에서 노즐 형상, 분사시기, 분 사량의 영향에 따른 연소 압력, 열 발생률 특성과 대표 적인 배기배출물인 NOx와 Soot의 배출 특성을 파악하 여 최적의 엔진 운전조건을 수치 해석적으로 연구하는 것을 목표로 하였다.

2. 수치 해석적 연구 방법

2.1 수치 해석 모델

본 연구에서 사용한 디젤엔진의 연소 해석을 위하여 연소 및 유동해석 전문 프로그램인 AVL Fire를 사용하 여 해석을 진행하였다. 해석에 필요한 연소모델은 선행 연구⁽⁸⁾를 참조하여 Table 1에 나타낸 바와 같은 물리, 화 학적 모델을 사용하였다.

연소모델로 사용한 ECFM-3Z(The 3-Zones Expended Coherent Flame Model)모델은 Fig. 1과 같이 3개의 혼합 공기영역인 공기, 연료, 혼합기 영역과 2개의 연소영역 인 기연, 미연영역으로 총 6개의 영역으로 나누어져 있 다. 이 모델에서는 O2, N₂, CO₂, CO, H₂, H₂O, O, H, N, OH, NO, Fuel과 같은 12가지의 화학종들을 연소에 고

려한다.

Figure 1의 연료 영역(F)과 공기 영역(A)의 혼합되는 정도는 난류모델의 특성시간 스케일에 의하여 결정된다.

따라서, 본 연구에서 사용한 난류모델은 표준 k-epsilon 모델과 유사한 모델에서 대신 속도 스케일 비 율인 를 사용하여 수치 안정성을 향상시킨 k- zeta-f모델을 사용하였다. 분열모델(Break-up)은 Wave모 델을 사용하였다. Wave모델은 정지되어있는 주변기체 에 분사된 액적 사이의 공기역학적 힘이 액적 표면에 Kelvin Helmholtz 불안정성을 증가시켜서 액적의 분리 가 발생한다고 가정하는 모델이다. 증발모델(Evaporat- ing model)은 열과 물질 전달의 상사성을 이용하는 Dukowicz모델을 사용하였고, 분무와 벽면과의 충돌은 Wall-film현상은 고려하지 않지만 We수에 따라 반동과 반사가 된다고 가정하는 Walljet-1모델을 사용하였다.

NO_x모델은 기존의 Zel’dovich모델을 확장한 모델인 Extended Zel’dovich모델을 사용하였고, Soot의 생성과 산화에 사용된 모델은 Kennedy-Hiroyasu-Magnussen모 델을 사용하였다^(10,11).

본 연구에서 적용된 엔진은 소형 1,500cc급 커먼레일 디젤엔진을 기반으로 한 단기통엔진이며 주요 제원은 Table 2와 같다.

수치해석을 위하여 AVL Fire 내의 ESE(Engine Sim- v²–f v²

ζ v= ²⁄k

Table 1 Sub-model for numerical analysis

Phenomenon Model

Turbulence k-zeta-f

Break-up Wave

Evaporating Dukowicz Wall interaction Walljet1

Combustion ECFM-3Z NOx Extended Zel’dovich Soot Kennedy-Hiroyasu-Magnussen

Fig. 1 Schematics of ECFM-3Z model zones

ulation Environment)-Diesel Module을 사용하여 하나의 노즐에서 연소실 내로 분무하는 공간인 1/6 영역에서만 Fig. 2와 같이 필요한 해석 격자를 생성하였다.

해석에 사용된 계산구간은 IVC~EVO 구간으로 BTDC 128°CA~ATDC 172°CA까지 설정을 하였고 계산구간은 해석의 효율성 향상을 위하여 주 연소 구간과 나머지 구간을 필요에 따라 다르게 설정하였다.

2.2 수치해석 조건

본 연구에서는 싱글 노즐과 다공 노즐에 분사량과 분 사시기에 따른 소형 CRDI 엔진의 연소 및 배출물 특성 을 수치 해석적으로 연구하였다. 자세한 연구 해석 조건 은 Table 3과 같으며, 본 연구에서 사용된 기존의 노즐 과 다공 노즐의 형태는 Fig. 3과 같다.

기존의 1열 6 hole의 노즐에서 0.2 mm하단에 6 hole 을 더 만들어서 총 12 hole에서 연료를 분사하는 노즐 을 적용하였다. 기존의 6 hole 노즐의 경우 1개의 홀 당

총 분사량의 1/6을 분사하도록 설정하였고, 다공 노즐의 경우 1개의 홀 당 1/12을 분사하도록 설정을 하였다. 본 연구를 수행하기 위하여 추가적으로 인젝터의 분사율 데 이터가 필요하였다. 분사율은 Bosch가 제안한 장관법⁽¹²⁾ 을 이용하여 분사율을 측정 후 해석에 적용하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 해석 결과의 신뢰성 검증

해석 결과의 신뢰성을 확인하기 위하여 엔진 운전 조 건은 1500 rpm, 연료 분사량은 8 mg/stroke, 통전시기는 BTDC 8°CA의 조건에서 연소실 내의 연소 압력과 열 발생률을 Fig. 4에 나타내었다. 연소 압력의 경우, 약 1.5%정도의 오차율을 나타내며 해석 결과와 실험 결과 가 잘 일치함을 알 수 있었다. 열 발생률의 경우 해석 결과가 실험 결과보다 높은 값을 가지는 것을 알 수 있 었다. 이는 해석결과에서는 실린더 벽면으로의 열전달 과 같은 손실이 고려되지 못하여 실험값보다 높게 나타 났다.

3.2 연소 특성 비교

Figure 5는 엔진 운전 속도 1500 rpm, 분사량 8 mg에 Table 2 Specifications of analysis engine

Displacement [cc] 1,493 Bore × Stroke [mm] 75 × 84.5 Connecting rod length [mm] 140

Compression ratio 17.8 Number of mesh (at BDC) 136,440

Initial pressure [MPa] 0.115

Valve timing IVC (BTDC °CA) 128 EVO (ATDC °CA) 172

Table 3 Simulation conditions for analysis

RPM 1500

Injection quantity [mg] 6, 8, 10 Injection timing [ATDC °CA] -10, -5, 0, 5, 10

Number of hole [hole] 6, 12 Fig. 2 Mesh of combustion chamber

Fig. 3 Schematics of nozzle geometry

Fig. 4 The reliability of experimental and analysis results

서의 분사시기에 따른 기존의 노즐과 다공 노즐에서의 연소 압력과 열 발생률을 나타내었다.

연소 압력의 경우 6 mg, 8 mg, 10 mg 모두 분사 시기가 진각될수록 연소하는데 필요한 충분한 시간이 확보되어 연소 압력이 증가하는 것을 알 수 있었다.

이때, 모든 분사량과 노즐의 형상과 상관없이 분사시 기 ATDC 10°CA의 조건에서는 실화(misfire)현상이 발생하였다. 이는 너무 늦게 분사된 연료가 피스톤의 낮은 온도와 낮은 압력으로 인하여 착화되지 못한 결 과이다.

열 발생률의 경우 분사량과 분사시기에 따라 최댓값 을 나타내는 시점이 다른 것을 확인할 수 있었고, 다공 노즐보다 기존의 노즐이 더욱 높은 열 발생률을 가지는 것을 알 수 있었다. 이는 기존의 노즐이 다공 노즐보다 긴 분사기간을 가지고 이로 인하여 Fig. 6에서 나타낸 바와 같이 분사된 연료가 림 아랫부분에 부딪히는 시점 과 부딪히는 양이 다름을 확인 할 수 있었다. 연료가 림 아랫부분에 부딪히는 시점은 연료의 분사가 이루어지고 약 3°CA이후에 림 아랫부분에 부딪히는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 5 Effect of nozzle geometry on the combustion pres- sure and rate of heat release

Fig. 6 Effect of nozzle geometry on the distribution of equivalence ratio at the impinging to the rim ( = 8 mg, left and right figures indicate 6 hole and 12 hole nozzle, respectively)

m·

Fig. 7 Effect of nozzle geometry on the distribution of equivalence ratio at the time of maximum ROHR ( = 8 mg, left and right figures indicate 6 hole and 12 hole nozzle, respectively)

m·

림의 아랫부분에 부딪힌 연료들은 충돌 효과로 인해 서 미립화가 증진되고, Fig. 7에서 확인 할 수 있는 바 와 같이 미립화가 증진된 연료들이 피스톤 보울 안쪽으 로 유입 되는 양에 따라 열 발생률의 최댓값이 달라짐 을 알 수 있었다. 다공 노즐이 기존의 노즐보다 낮은 열 발생률을 가지는 이유는 다공 노즐에서 분사된 연료들 이 흡착(Coalescence)하여 액적의 직경이 더욱 커지게 되고 액적의 미립화를 지연시켜 연소가 활발히 일어나 지 않아 열 발생률이 적게 나타난 것으로 사료된다.

3.3 배기 배출물 특성

Figure 8은 각 조건들에서 배출된 NOx의 양을 나타내 었다. 분사시기가 진각될수록 NO^x의 양이 많이 배출되 었다. NOx는 연소 온도의 함수로 잘 알려져 있다. 일찍 연료가 분사될수록 높은 온도에 노출되는 시간이 길어 져 NOx의 생성에 필요한 충분한 시간이 확보되어 많은 양의 NOx가 생성되었다. 또한 기존의 노즐이 다공 노즐 보다 높은 열 발생률을 나타내므로 NOx가 많이 배출되 는 것으로 판단된다.

Figure 9은 각 조건들에서 배출된 Soot을 질량분율로 나타내었다. Soot의 배출량도 분사시기에 따라서 가장 적게 배출되는 분사시기가 달랐다. Soot의 경우 연소가 활발하게 일어날수록 적게 배출된다. 다공 노즐의 경우 기존의 노즐 보다 모든 조건에서 많은 양의 Soot이 배 출되었다.

이는 앞서 설명한 바와 같이 다공 노즐에서 분사된 연료 액적들의 흡착효과로 인하여 미립화 특성이 저하 되고, 상대적으로 연소가 활발하게 일어나지 못하여 Soot을 많이 배출하는 것으로 사료된다.

3.4 평균유효압력(IMEP)특성 비교

Figure 10은 분사시기와 분사량에 따라서 기존의 노

Fig. 8 Effect of nozzle geometry and injection timing on the NOx emissions

Fig. 9 Effect of nozzle geometry and injection timing on the soot emissions

Fig. 10 Effect of nozzle geometry and injection timing on the IMEP

즐과 다공 노즐의 평균유효압력(IMEP:Indicated Mean Effective Pressure)을 나타낸 그래프이다. 모든 부하의 조건에서 분사시기 BTDC 10°CA에서 TDC까지는 평균 유효압력이 거의 일정함을 알 수 있었다. 하지만, ATDC 5°CA의 경우는 다른 분사시기보다 약 0.3 MPa정도 평 균유효압력이 작게 나타났다. 이는 같은 출력을 위해서 는 좀 더 많은 연료를 분사해야하는 것을 의미한다.

따라서 ATDC 5°CA의 조건이 연소 배출물이 적게 발 생하는 분사시기라고 하더라도 동일한 출력을 얻으려면 더욱 많은 양의 연료를 분사해야 되므로 결론적인 최적 의 분사조건은 아닌 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서 소형 CRDI 엔진의 기존의 노즐과 다 공 노즐에서 분사량과 분사시기에 따른 연소 및 배기 배출물 특성을 연구 하였으며 다음과 같은 결론을 얻 었다.

1. 분사시기가 진각될수록 연소 압력은 증가하였다.

기존의 노즐과 다공 노즐 두 조건 모두 분사시기가 ATDC 10°CA일 때 디젤의 압축착화에 필요한 온도와 압력이 가해지지 않아서 실화현상이 발생하였다.

2. 분사시기와 노즐의 형상에 따라서 림 아랫부분에 분사된 연료가 부딪히는 시점과 양이 달라져서 열 발생 률도 다르게 나타났다.

3. NOx의 경우, 분사시기가 진각되어 NOx가 생성되 는데 충분한 시간이 확보될수록 많은 양의 NOx를 생성 하였다.

4. Soot의 경우, 열 발생률의 값이 높을 때와 마찬가 지로 연료가 림 아랫부분에 충돌되어 미립화가 잘 된 연료가 피스톤의 보울 안으로 다량 유입될 때 적게 배 출되었다.

5. 기존의 노즐과 다공 노즐 두 조건 모두 BTDC 10°CA에서 TDC까지는 비슷한 평균유효압력을 나타냈 지만 ATDC 5°CA의 경우 약 0.03 MPa의 압력이 작게 나타났다. 이는 동일한 출력을 위해서는 더 많은 연료량 이 필요로 하는 것을 의미한다.

6. 다공 노즐의 경우 짧은 분사시간으로 인하여 혼합 기를 생성하는데 충분한 시간을 확보하는 것이 Soot생 성을 줄이는 것에 기인할 것으로 사료되었지만 다공 노 즐에서 분사된 연료의 간섭으로 인한 흡착효과로 인하 여 오히려 많은 양의 Soot 발생을 야기하였다.

후 기

이 논문은 2014년 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구 재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임 (NRF-2014R1A1A1005201).

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