예연소실식 디젤엔진의 분구 형상 변화에 따른 연소 특성 연구
최종휘*ㆍ이승필*ㆍ박성욱†
Study on Combustion Characteristics of Pre-combustion Chamber Type Diesel Engine with Different Throat Shape
Jonghui Choi, Seungpil Lee and Sungwook Park
Key Words: Pre-combustion Chamber(예연소실), Throat Shape(분구 형상), Hollow cone(중공 원뿔), Off-road Engine (비도로용 엔진)
Abstract
Pre-combustion chamber type indirect diesel engines have different combustion characteristics compared with those of common rail direct injection engine. The CONVERGE, specific engine CFD program, was used to simulate hollow cone spray model and combustion. The air-fuel mixture flow propagating from pre-combustion chamber to cylinder was concen- trated at top half and center of the pre-combustion chamber throat. Stronger mixture flow was formed at smaller and longer throat cases. As a result, thermal efficiency and fuel consumption were improved for modified throat shape and the soot emission was also reduced.
기호설명
Lb 분무 분열 길이
Ω 최대 성장률
Λ 최대 성장률 파장
kfr 화학 반응 계수 NOx 질소산화물
시간당 soot생성량
시간당 soot 산화량
1. 서 론
디젤 엔진은 높은 열효율과 고출력 등의 우수한 점이 많아 다양한 분야에서 동력원으로 사용된다. 그러나 동 시에 고온 확산 연소로 인한 질소산화물과 입자상 물질 이 환경과 인체에 유해한 영향을 미치므로 규제 대상이 되어왔다(1).
이러한 환경 규제가 점차 강화되면서 승용 엔진뿐만 아니라 비도로용(off-road) 디젤 엔진의 질소산화물 및 입자상 물질 저감을 위한 연구의 필요성이 대두되었다.
예연소실식 디젤 엔진은 복잡한 실린더 헤드 구조로 인하여 직분사 엔진에 비해 냉각 손실이 크고 시동성이 좋지 않다는 단점이 존재하나, 분사압력이 낮아 기계식 인젝터를 채택할 수 있어 가격이 저렴하며 내구성이 뛰 어나다는 장점이 있어(2) 농기계와 같은 비도로용 엔진 에 사용되기 적합하다.
Tim Sebastian Strauss, Georg Wolfgang Schweimer 등 은 예연소실 내의 예열 플러그가 연료-공기 혼합기 유 dmsoot f,
---dt dmsool ox, ---dt
(Recieved: 18 Mar 2017, Recieved in revised form: 18 Apr 2017, Accepted: 28 Apr 2017)
*한양대학교 융합기계공학과
†책임저자, 회원, 한양대학교 기계공학부 E-mail : [email protected]
TEL : (02)2220-0430 FAX : (0)2220-4588
동과 화염 전파에 미치는 영향을 연구하였다(3). Gyeung Ho Choi, Jae Cheon Lee 등은 예연소실 형상 및 압축비 변화가 난류 강도, 연소 과정, 질소산화물과 입자상 물 질에 미치는 영향에 대해 수치해석적 방법을 통해 연구 하였다(4).
본 연구에서는 예연소실의 연소 가스가 주연소실로 빠져나가는 교축 과정에서 큰 영향을 미치는 분구 형상 을 변화시켜 그에 따른 연소 특성을 분석하고, 배기 배 출물 배출량 변화에 미치는 영향에 대해서 연구를 진행 하였다.
2. 수치해석 방법
2.1 수치해석 모델 설정
수치해석에 사용된 모델들은 Table 1과 같으며 엔진 전용 열유동 해석 프로그램인 CONVERGE를 사용하여 연구를 진행하였다.
2.2 액적 분열 모델
Kelvin-Helmholtz 분열 모델과 Rayleigh-Taylor 분열 모델을 함께 사용하는 KH-RT 모델을 선정하였다. 분무 가 분열 길이(Break-up length)에 도달하기 전에는 표면 의 KH 불안정성에 의해 미립화가 진행된다. KH-RT 모 델에서 사용하는 분열 길이는 아래와 같다.
(1)
분열 길이 이후에는 KH 메커니즘과 RT 메커니즘이 함께 고려된다. 각 모델의 분열은 다음과 같은 식을 통 해 계산된다.
Kelvin-Helmholtz break-up
(2)
(3)
Rayleigh-Taylor break-up
(4)
(5) 여기서 Ω는 최대 성장률(Maximum growth rate)이며 Λ 는 최대 성장률의 파장(Maximum growth rate wave- length)이다(5).
본 연구에 사용된 엔진은 기계식 핀틀 인젝터를 사용 하여 노즐을 막고 있던 니들이 들리면서 니들과 노즐 사이로 연료가 분사되는 형태이다. 이를 모사하기 위해 분무 형상을 hollow cone type으로 설정하였으며 초기 액적 지름은 노즐과 핀틀 사이의 간극으로 설정하였다.
2.1.2 연소 및 배기 배출물 모델
연소 모델은 상세 화학 반응 모델(SAGE detailed chemistry reaction model)을 사용하였다. SAGE 모델에 서 각각의 화학 반응 계수는 아레니우스식으로 주어진 다(6).
(6) 질소산화물 예측 모델은 Extended Zeldovich 메커니
0 g bl l
b d
ρ C ρ L =
KH 0
c BΛ
r =
τKH 3.726B1rp ΛKHΩKH ---
=
RT
RT Ωτ
τ = C
RT c KRT
r =πC
(E/RT)
b r
fr AT re r u
k = −
Table 1 Numerical model selection Specifications Resources
Combustion SAGE
Droplet breakup KH-RT
Turbulence κ−ε
NOx Extended Zeldovich
Soot Modified two step Fig. 1 Engine geometry and pre-combustion chamber throat shape
즘을 사용하였으며 다음과 같은 화학 반응식에 의하여 열적 질소산화물 생성량이 계산된다(7).
(7) (8) (9) Soot 생성 예측 모델은 modified two step model을 사 용하였으며 형성 과정과 산화 과정으로 구분되어 계산 된다.
(10)
2.2 엔진 형상 및 격자 생성
CONVERGE에서 사용하는 cut-cell mesh 알고리즘을 이용하여 격자를 생성하였으며, 본 연구는 예연소실의 분구 형상에 따른 연소 특성을 알아보기 위함이므로 기 존 양산 Base case에서 예연소실-주연소실 연결부의 각 도와 분구 형상을 변경하였다. 생성된 엔진 형상 및 변
경된 분구 형상은 Fig. 1과 같다. Case 1 ~ Case 3의 경 우 분구 높이를 고정한 채 너비만을 이용해 면적을 변 화시켰으며, Case 4 ~ Case 6의 경우 너비, 높이를 일정 한 비율로 유지하며 면적을 변화시켰다. 분구 형상에 관 한 상세한 수치를 아래 Table 3에 나타내었다.
3. 연구 결과
3.1 연소 압력 및 평균 유효 압력
엔진 해석 조건은 Table 2와 같으며 분구 형상에 따 른 연소 특성 변화를 분석하기에 앞서 시뮬레이션 모델 을 검증하기 위해 Base case의 예연소실이 부착된 엔진 의 실험 결과와 해석 결과의 연소 압력을 Fig. 2에서 상 호 비교하였다.
실험 결과와 해석 결과의 연소 압력은 대체로 일치하 며, 실험 결과의 열발생률은 압력 선도를 이용해 구한 값으로 냉각에 의한 열손실 등이 포함되어 있어 화학 반응을 통해 계산된 해석 결과의 발생률 보다 작은 값 을 가지나 착화시기를 비롯한 전체적인 경향성은 거의 일치함을 확인할 수 있다.
Fig. 3은 분구 형상에 따른 연소 압력 및 열 발생률 곡 선을, Fig. 4는 도시 평균 유효 압력 (IMEP) 및 도시 연 료 소비율을 각각 나타낸다. 연소로 인하여 열이 발생하 기 시작하는 시기는 형상 달라도 일정해 분구 형상은 착화 지연 시간에 영향이 없음을 확인할 수 있다. IMEP 는 Base case의 경우 0.807 MPa, 가장 높게 나타난 Case 3의 경우 0.847 MPa로 기존 대비 5% 증가한 결과를 보 였다.
N NO O
N2+ ⎯⎯ →⎯k1 + O NO O
N+ 2⎯⎯ →k⎯2 + H NO OH
N+ ⎯⎯ →k⎯3 +
dt dm dt dm dt
dmsoot = soot,f + soot,ox
Table 2 Engine specification and simulate condition
Items Value
Bore (mm) 84
Stroke (mm) 94
Con. rod length (mm) 144 Compression ratio 21.3 Engine speed (RPM) 2600 Injection mass (mg/cycle) 28.4
Table 3 Throat shape specification Case Width
(mm)
Height (mm)
Volume (%)
Base 14.6 5.7 100
1 15 6.2 85
2 13.2 6.2 100
3 11.4 6.2 115
4 16.6 5.6 85
5 15.7 5.2 100
6 14.7 4.8 115 Fig. 2 Validation of simulation result with experimental result
마찬가지로 연소 압력 및 최대 열 발생률 또한 Case 3이 Base case 보다 높은 것을 확인할 수 있다. 그러나 이를 제외한 타 형상에서의 평균 유효 압력 및 도시 연 료 소비율 차이는 뚜렷하지 않은 수준으로 나타났다.
Fig. 5는 각 형상에 따른 aTDC 10° 시점에서의 속도 분포를 분구 단면에 나타낸 것이다. 전체적으로 분구 형 상이 좁아질수록 속도는 증가하는 경향을 보였다. 모든 형상에 대하여 공통적으로, 분구의 중앙에서 속도가 가 장 빠르며 또한 분구의
상반부에 유동이 집중되어 있는 것을 확인할 수 있다.
Case 1 ~ Case 3의 경우를 비교해보면 분구의 높이를 고정하고 너비만을 변경시켰으므로 이에 대한 영향을 알 수 있다. 분구 내에서의 유동은 분구 중앙에 집중되 어 있으므로 분구의 너비를 증가시키는 것은 예연소실 에서 주연소실로 향하는 유동을 증가시키는데 긍정적인 영향을 주지 못한다. 오히려 너비를 감소시켜 유동 속도 를 증가시키는 방향이 출력 및 열효율 증가에 긍정적인 영향을 주는 것으로 나타났다.
Case 1과 Case 6은 두 형상의 너비는 같으나 너비/높 이 비율에 차이가 존재한다. 분구 내의 유동은 상반부에 집중되어 있는 까닭으로, 높이가 더 큰 Case 3이 유동이 더 강하며 Case 6의 경우 좁은 높이로 인하여 유동에 방 해를 받는 것으로 나타났다. 이러한 유동 차이는 엔진의 열효율뿐만 아니라 배기 배출물 배출 경향에도 영향을 미친다.
Fig. 6에서 Base case와 열효율이 가장 높은 것으로 나타난 Case 3의 연소실내 온도 분포를 나타내었다. 분 사된 연료는 예연소실부터 일부 연소되기 시작해 연소 로 인한 폭발력을 이용하여 주연소실로 나머지 연료와 혼합기를 밀어낸다. 주연소실로 전파된 연소는 aTDC 40° 까지 오랫동안 지속되며 이는 Fig. 3의 열 발생률 곡 선에서도 확인 할 수 있는 결과이다. Base case 엔진에 비하여 Case 3의 경우 전체적인 온도 분포가 상대적으 로 높은 경향을 보인다.
실린더 측면에 달려있는 예연소실 형상은 압축 행정 말기부터 시작해 착화가 일어나는 시점까지 강한 텀블 유동을 생성한다. 예연소실에서 주연소실로 향하는 강 한 유동은 공기와 연료의 혼합을 촉진하며, 주연소실로 Fig. 3 Combustion pressure and heat release rate with
various pre-combustion chamber throat
Fig. 4 Effects of various pre-combustion cha
Fig. 5 Velocity distribution on cross section view of the combustion chamber throat
의 전파 속도를 빠르게 한다. 이러한 유동은 Fig. 5에서 확인할 수 있듯이 Case 3의 경우에 가장 강화되므로, Base case에 비하여 Case 3의 경우가 전(全)연소실에서 연소가 활발히 일어나는 것으로 생각된다.
3.2 질소산화물 및 soot 배출량
Fig. 7은 배기 밸브가 열리는 시점인 aTDC 130°의 질소 산화물과 soot배출량을 g/kg-fuel 단위로 나타낸 것이다.
일반적으로 질소산화물은 연소 온도에 민감하며 온도 가 높을수록 생성이 촉진되는 것으로 알려져 있다(9). Base case의 경우 질소산화물이 3.58 g/kg-fuel 배출되었 으나 상대적으로 연소실 온도가 높게 나타난 Case 3의 경우 4.10 g/kg-fuel 배출되어 연소실 온도가 증가함에 따라 배출량이 증가하는 경향을 보였다.
Soot는 연소 과정 중 생성되었다가 실린더 내에서 다
시 산화되는 과정을 거친다. 따라서 한번 생성되면 배기 로 빠져나갈 때까지 사라지지 않는 질소산화물과 달리 Soot의 경우 생성되는 양 뿐만 아니라 산화되는 양 또한 중요하다.
Base case에서 soot 이 2.87 g/kg-fuel 배출된 것에 비 해 Case 1 ~ Case 3의 경우는 각각 2.47 g/kg-fuel, 2.63 g/kg-fuel, 1.71 g/kg-fuel로 감소하는 경향을 보였지만 Case 4 ~ Case 6은 각각 3.24 g/kg-fuel, 3.35 g/kg-fuel, 4.17 g/kg-fuel로 증가하는 경향을 보였다.
이는 앞서 3.1절에서 언급한 바와 같이 분구 형상에 따른 분구 내부 유동의 변화와 연관된다. 유동이 가장 강한 Case 3의 경우 주연소실로 soot이 전파되며 빠르 게 산화되어 배출량이 감소하는 결과를 보였다. Case 1
~ Case 3과 Case 4 ~ Case 6을 묶어서 비교하면, 분구 의 높이가 줄어든 Case 4 ~ Case 6의 경우에 예연소실 에서 주연소실로 빠져나가는 유동에 방해를 받아 soot 이 산화되는 속도가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
4. 결 론
본 연구는 예연소실 디젤엔진에서 예연소실 분구 형 상이 연소 패턴과 배기 배출물 배출량에 미치는 영향에 대해서 진행되었다. 그 결과를 요약하면 아래와 같다.
(1) 본 연구에서는 우선 Base case 형상에서의 실험 결과와 해석 결과를 검증하고, 이를 토대로 분구 형상을 변경하였다. 다양한 분구 현상에 대하여 수치해석을 진 행한 결과, 분구 형상은 엔진의 연소 압력 및 배기 배출 Fig. 6 Temperature distribution in the combustion chamber
Fig. 7 NOx and soot emission concentration
물에 복합적인 영향을 끼치며 분구 형상을 개선함으로 써 엔진의 연소 특성을 개선할 수 있다.
(2) 본 연구에서는 분구의 형상을 변경시키는 방법을 분구의 높이를 고정한 채 너비만을 변경시키는 방법과 너비/높이 비율을 유지하여 변경시키는 방법 두 가지 제 시하여 이에 대한 영향 분석을 진행하였다. 그 결과, 너 비/높이 비율을 고정한 경우 좁아진 분구 높이로 인하여 예연소실에서 주연소실로 향하는 유동이 원활히 생성되 지 못하여 Case 4 ~ Case 6의 경우는Base case에 비해 개선된 효과를 보여주지 못한다.
(3) 평균 유효 압력, 도시 연료 소비율 및 배기 배출 물 배출량 결과로 판단하였을 때 Case 2의 경우 출력은 거의 동일한 수준을 보여주면서 배기 배출물은 Base case와 비교하여 저감된 결과를 보였으며, Case 3의 경 우 열효율 및 연료 소비율은 개선되었으나 고온 연소로 인하여 질소산화물 배출량이 증가한 결과를 보였다.
후 기
본 연구는 환경부 Global-Top Project 친환경자동차기 술개발사업단의 지원에 의해 수행되었으며 이에 감사드 립니다(20160020700112).
참고문헌
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