Prediction of Diesel Fuel Spray Characteristics in Compression Ignition Engine Cylinder by Intake Humidification

흡기 가습에 의한 압축 착화엔진 실린더 내 디젤 연료 분무 특성 예측

민세훈

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Prediction of Diesel Fuel Spray Characteristics in Compression Ignition Engine Cylinder by Intake Humidification

Se Hun Min and Hyun Kyu Suh

Key Words: Break-up(분열), Collision effect(충돌 효과), Equivalence ratio(당량비), Humidification(가습), Spray tip penetration(분무 도달 거리), SMD(사우터 평균 입경)

Abstract

The objective of this study is to predict numerically the effect of intake humidification on the injected diesel fuel spray characteristics in a compression ignition engine. In this work, Wave model and Ducowicz model were applied as the break- up model and evaporation model, respectively. The amount of water vapor for the humidification was changed from 0% to 30% of injected fuel mass. The number of applied meshes was generated from 49,000 to 110,000. At the same time, the results of this work were compared in terms of spray tip penetration, SMD and equivalence ratio distributions. It was found that the cylinder temperature and cylinder pressure were decreased with increasing water vapor mass by vaporization latent heat and specific heat, however, the difference was very small. So, the spray tip penetration was not different by water vapor mass. Also, higher equivalence ratio distributions were observed with increasing water vapor mass by the improvement of fuel atomization.

1. 서 론

최근 자동차 배기가스 규제가 강화되어 배기가스 규 제를 만족하기 위해서 배기 배출물 저감에 관한 연구가 필수적이다. 대표적인 자동차 배기가스 규제로 유럽 배 출가스 기준(European emission standards)이 있다. 이 규 제는 1992년 EUROI을 시작으로 점진적으로 강화되어 2013년 EUROⅥ까지 강화되었다. EUROI에서는 NOX의 배출량이 8.0 g/kWh까지 허용되었으나, EUROVI에 접 어들면서 NOX는0.4 g/kWh이하까지, PM(입자상 물질)

은 0.01 g/kWh이하까지 배출을 허용한다⁽¹⁾. 이와 같은 배기가스 규제를 만족하기 위해서 전처리 방법^(2~7)과 후 처리 방법을 사용하여 관련 배기 배출물을 저감시킬 수 있다.

대표적인 배기 배출물인 NOX는 연소온도가 약 2,000K 이상의 고온에서 생성⁽⁸⁾되므로 EGR (Exhaust Gas Recirculation)을 적용하여 실린더 내 산소 농도를 감소 시켜 연소온도의 상승을 억제하여 NOX의 생성을 억제 시키는 방법이 있다^(9-10). 하지만 EGR을 적용하면 연소 실 내 불완전 연소를 유발하여 Soot을 많이 배출하는 단 점이 있다.

이와 같은 단점을 보완하고자 최근 실린더 내 물을 분사하는 방법이 대두되고 있다. 물이 증발할 때 필요한 증발 잠열(Latent heat of vaporization)과 높은 비열(Spe- cific heat)로 인하여 연소온도의 상승을 억제하여 NOX

의 생성을 억제시키는 방법이다. 실린더 내 물을 유입시

(Recieved: 2 Feb 2018, Recieved in revised form: 14 Mar

2018, Accepted: 26 Mar 2018)

*

공주대학교 기계공학과 대학원

†

서현규, 회원, 공주대학교 기계자동차공학부

E-mail : [email protected]

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

키는 방법은 실린더 내 물을 직접 분사하는 방법^(11,12), 과 흡기포트에 물을 분사하는 방법^(13,14), 물과 연료를 섞 은 에멀젼(Emulsion) 연료를 사용하는 방법^(15,16)이 있다.

실린더 내 직접 분사하는 방법과 에멀젼 연료를 사용 하는 방법은 실린더 헤드의 형상을 변경하거나 연료의 가격이 비싸 실용적인 한계가 있다. 반면에 흡기포트 내 에 분사하는 방법은 실린더의 구조변경이 필요하지 않 아 상대적으로 비용이 적게 든다는 장점이 있으며, NOX

의 배출량 감소에도 탁월하다고 보고된 바 있다. 또한, 앞선 선행연구에 따르면 실린더 내 유입된 물이 증발을 잘 할수록 실린더 내 열을 흡수함으로써 온도를 낮추는 효과가 탁월하다고 보고하였다. 이에 실린더 내 가습 (Humidification)을 통하여 물의 증발성능을 이용하면, NOX저감에 탁월한 효과를 보일 것으로 판단된다. 또한, 이러한 방법은 실린더의 형상 변경이 필요 없는 장점이 있다.

하지만, 흡기포트에 가습을 통하여 CRDI 엔진의 NOX배출 저감과 분사된 연료와 습기 입자간의 충돌로 인한 미립화 성능 증진을 기대하는 연구에 앞서, 실린더 내 가습 시 실린더 내에 분사되는 연료의 분무거동을 정확히 분석하는 것이 선행되어야 한다. 하지만, 현재까 지 실린더 내 습기 유입시 분무 거동 특성 및 분사된 연 료의 미립화 성능 증진, NOX배출 저감과 관련된 연구 는 보고된 바가 없다.

따라서, 본 연구에서는 NOX배출 저감 및 분사된 연 료의 미립화 성능 증진을 위해 압축 착화 엔진 흡기포 트에 습기를 유입시켜 실린더 내 가습량에 따른 분사된 연료의 거동 및 미립화 특성을 수치 해석적으로 분석하 는 것을 목표로 하였다.

2. 수치 해석적 연구 방법

2.1 수치 해석적 모델

본 연구에서 흡기포트에 유입되는 가습량에 따른 실

린더 내 분사된 연료의 거동을 정확히 파악하기 위하 여 엔진해석 전용 프로그램(AVL Fire)⁽¹⁷⁾를 사용하여 해석을 진행하였다. 실린더 내 물리적, 화학적 현상을 연구하기 위하여 Table 1과 같은 Sub-model⁽¹⁸⁾을 적용 하였다.

분열 모델(Break-up model)인 Wave 모델은 분사 후 시간에 따라 분사된 연료가 분열이 진행되는 모델이다.

이 모델에서 액적의 반지름 감소율은 다음 식 (1)과 같다.

(1)

여기서, r^stable은 생성된 액적의 반지름, r은 액적의 반 지름이다. 본 모델에서의 분열 시간은 τa이며, 다음의 식 (2)와 같다.

(2)

여기서, C2는 분열 시간에 대한 노즐의 특성 상수이 다. C2값이 증가하면 분사된 연료의 분열이 늦게 이루 어지며, C2값이 감소하면 연료의 분열이 빠르게 진행된 다. 연료의 분열이 늦게 일어날수록 질량이 큰 액적이 오래 머무를 수 있으며, 이로 인한 큰 운동에너지에 의 해 분무 도달 거리(Spray tip penetration)가 증가한다.

rstable는 초기의 액적의 반지름을 의미하고, 다음 식 (3)

과 같다.

(3) 여기서, C1은 Reitz 상수 값으로 0.61로 고정 값을 갖 는다. Λ는 액적 표면에서 가장 빠르게 성장하는 파장의 길이를 나타내고, 식 (4)와 같이 나타낸다. 또한, Ω는 파 장의 성장률로서 식 (5)와 같은 식을 갖는다.

(4)

(5)

위 식의 Oh는 Ohnesorge number를 의미한다. 여기서, 이다.

벽면과의 충돌을 표현하는 모델인 Walljet-1 모델은 분무와 벽면과의 충돌로 발생되는 Wall-film 현상은 고 려하지 않지만, We 수(Webber number)에 따라 액적이

dr

dt --- ( r

– r ) τ

---

=

τa

3.726 C⋅ ⋅₂ r Λ Ω⋅ ---

=

rstable=C₁⋅Λ

Λ 9.02 r ( 1 0.45 Oh + ⋅

) 1 0.4 T ( + ⋅

) 1 0.87 We

⋅

( + )

---

⋅

=

Ω ρdr³ ---σ

⎝ ⎠

⎛ ⎞^–0.5 0.34 0.38 We+ ⋅ g1.5

1 Oh+

( ) 1 1.4 T( + ⋅ ^0.6) ---

=

T=OhWe^0.5 Table 1 Sub-models for numerical analysis

Phenomenon Model

Turbulence k-zeta-f

Break-up Wave

Evaporating Dukowicz Wall interaction Walljet-1

반동(Rebound) 또는 반사(Reflect)된다고 가정하는 모델 이다. We 수에 따른 액적의 크기는 다음 식 (6)과 같다.

(6)

여기서 We 수는 이다.

본 연구에는 1,500cc급 4기통 CRDI엔진 기반인 단기 통 엔진을 적용하였으며, 연료 분사를 위해 8개의 홀 (hole)을 가지는 노즐을 적용하였다. 자세한 엔진과 노즐 의 제원은 Table 2와 Table 3에 나타내었다.

해석에 적용한 엔진의 격자(Mesh)는 Fig. 1에 나타내 었다. 효율적인 수치해석을 위하여 하나의 노즐에서 연 소실 내로 연료가 분사되는 영역인 1/8의 영역에서만 격자를 생성하였다. 또한 흡기포트를 통하여 실린더 내 에 습기가 유입되는 현상을 표현하기 위하여 실제 1/8

크기의 흡기포트 격자를 생성하여 흡입 행정 중에 습기 가 실린더 내에 유입될 수 있도록 설정하였다. 격자는 육면체(Hexahedron)의 격자로 약 49,000개에서 약 110,000개로 형태와 개수가 변하는 유동 격자를 생성하 여 본 연구에 적용하였다.

2.2 실험 및 수치 해석 조건

본 연구를 진행하기에 앞서 노즐의 수치 해석적 신뢰 성을 검증하기 위하여 실험 및 수치 해석을 먼저 진행 하여 필요 상수를 결정하였다. 신뢰성 검증을 위한 실험 및 수치 해석 조건을 Table 4에 나타내었다.

본 연구에서는 흡기포트에 유입되는 가습량에 따른 연료의 분무 거동을 분석하기 위하여 가습량을 변경하 여 그 결과를 분석하였다. 가습 액적은 흡기 포트의 입 구에서 생성되고, 흡입 행정 중 실린더 내로 유입되는 공기와 혼합되어 유입되도록 하였다. 가습량은 흡기 포 트의 입구에서 생성되는 습기의 생성량으로 조절하였으 며, 가습량은 실린더 내 분사되는 연료의 질량대비 0%

부터 30%로 변경하였다.

적용한 연료는 프로그램 내 라이브러리를 참조하여 Diesel-D1(C13H23)을 적용하였으며, 엔진 해석에 적용한 조건은 Table 5에 나타내었다. 본 해석적 연구를 수행하 기 위하여 필요한 분사율 데이터는 Bosch법⁽¹⁹⁾을 사용 We 50 d< ₁=d₀

50 We 300 d≤ ≤ 1=d0⋅f We( ) We 300 d> ₁=0.2 d⋅ o

We = ρ

D

U

⁄ σ

Table 2 The specifications of test nozzle

Contents Value

Inclined spray angle [deg] 156 Hole diameter [mm] 0.128 Number of hole [ea] 8

Table 3 Specifications of test engine

Contents Value

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

Compression ratio 17.8 Valve timing IVC (BTDC deg) 128 EVO (ATDC deg) 172

Fig. 1 Geometry of combustion chamber

Table 4 The test conditions for the validation

Contents Value

Injection pressure [MPa] 150 Injection mass [mg] 45.9 Energizing duration [ms] 0.5 Ambient pressure [MPa] 0.5, 1.0, 1.5

Table 5 The test conditions for the engine operation

Contents Value

RPM 1,500

Injection pressure [MPa] 150 Injection mass [mg] 9.3 Energizing duration [ms] 0.2 Start of injection timing [ATDC deg] -5

Humidification mass

[% of injected fuel mass] 0, 10, 20, 30 Droplet size of humidification [mm] 0.03

하여 측정 및 적용하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 해석의 신뢰성 검증

본 연구에서 수치 해석의 신뢰성을 확보하기 위하여 동일한 조건에서 실험 및 수치 해석을 실시하여 그 결 과를 비교하여 수치 해석의 신뢰성을 확보하였다.

Figure 2는 실험 및 해석을 통해 분무 도달 거리 (Spray tip Penetration)와 연료의 분사 면적(Spray area) 를 비교한 결과이다. 분무도달 거리의 경우, 실험과 해 석의 차이가 많이 나는 분위기 압력 0.5 MPa일 때 분사 후 0.6 ms와 0.8 ms를 제외하면 약 7%의 오차율로 실험 과 해석이 잘 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 분 사 후 0.6 ms부터 실험과 해석의 분무 도달 거리의 차 이가 나타났는데, 이는 실험에 적용된 가시화 창의 반지 름이 70 mm로 침투 길이를 측정할 수 있는 한계가 있 어 실험이 불가한 이유로 판단된다. 면적 계산 프로그램

을 사용하였을 때, 연료의 분사 면적은 분위기 압력에 따라 실험은 2.46 cm² ~ 41.97 cm²이고, 해석은 2.54 cm² ~ 42.20 cm²로 5%미만의 오차율을 보였다. 위의 결 과로부터 해석의 신뢰성은 확보되었다고 판단된다.

3.2 분무 도달 거리 특성 비교

분무 도달 거리는 일반적으로 분위기 압력과 온도에 많은 영향을 받으므로 이를 확인하기 위하여 Fig. 3에 실린더 온도와 압력을 나타내었다. 가습량이 10% 증가 할 때, 실린더 온도는 약 10K정도 감소하며 실린더 압

Fig. 2 Comparison of macroscopic spray characteristics (Symbols and lines indicate experimental and numerical results, respectively)

Fig. 3 Comparison of cylinder temperature and cylinder pressure (Symbols and lines indicate cylinder tem- perature and cylinder pressure values, respectively)

Fig. 4 Comparison of the water vapor droplets distribu- tions and H2O mass fraction distributions (at BTDC 06deg)

력은 약 0.01 MPa정도 감소하는 것으로 나타났다. 이는 Fig. 4와 같이 가습량이 증가할수록 많은 양의 습기가 증발하여 높은 H2O의 분포를 보이고, 습기의 증발로 인 하여 물의 증발 잠열과 높은 비열로 인하여 실린더 내 온도가 감소하였다. 이로 인해 실린더 내 압력 역시 감 소하였으나, 그 차이는 매우 미비하여 분무 도달 거리의 차이도 없을 것으로 예상되었다.

앞선 실린더 온도와 압력에서 설명한 바와 같이 분무 도달 거리에 가장 많은 영향을 미치는 실린더 내 온도 와 압력의 차이가 가습량에 따라 미비하여 Fig. 5의 분 무 도달 거리 그래프와 같이 분무 도달 거리의 차이는 없었다.

3.3 SMD 특성 비교

Figure 6은 가습량에 따라 연료의 평균 직경을 비교한 결과이다. 압축 과정 중에 상승한 실린더 내 온도와 압 력에 의하여 작은 크기의 액적은 이미 증발하여 대기압 상온 상태에서 분사하였을 때 보다 다소 높은 SMD값 을 갖는 것을 확인할 수 있었으며, 가습량이 증가할수록

연료의 직경이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 선행연 구⁽¹¹⁾에서 보고한 바와 같이 가습량이 증가할수록 실린 더 내 습기의 액적이 많이 분포하고, 이들과 분사된 연 료의 충돌(Collision)로 인하여 연료의 미립화성능이 증 진된 것으로 판단된다. 또한, Fig. 7의 당량비 분포도에 서 확인할 수 있듯이 가습량이 증가할수록 높은 당량비 분포를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 가습량 이 증가할수록 연료의 미립화 성능이 증진되어 연소 성 능이 향상될 것으로 예상된다.

4. 결 론

본 연구는 흡기포트에 유입되는 가습량에 따른 연료 의 분무 거동을 확인하기 위한 연구이며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1. 가습량이 증가할수록 실린더 내 공급된 물 액적의 증발에 의한 잠열과 높은 비열로 인하여 온도와 압력이 감소하였지만, 그 차이는 매우 미비하였다.

2. 가습량에 따른 실린더 내 온도와 압력의 차이가 미 비하여 이러한 결과에 직접적인 영향을 받는 분무 도달 거리 또한 그 차이가 미비하였다.

3. 가습량이 증가할수록 실린더 내 잔류하는 물 액적 Fig. 5 Effect of water vapor mass on the spray tip pene-

tration

Fig. 6 Comparison of overall SMD characteristics

Fig. 7 Comparison of the equivalence ratio distributions (at BTDC 01deg)

이 많아지고, 분사되는 연료와 충돌로 인하여 연료의 미 립화성능이 증진되는 것을 확인할 수 있었다.

4. 가습량이 증가할수록 증진된 미립화 성능으로 인 하여 실린더 내 높은 당량비 분포를 보였으며, 연소성능 이 증진될 것으로 예상된다.

후 기

이 논문은 2017년 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구 재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임 (NRF-2017R1D1A3B03032337).

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