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1D-3D 연계 해석 기반, 소형 디젤엔진의 수치적 연구
주강민(Kangmin Ju),박정수(Jungsoo Park) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6
내연기관 자동차의 환경오염 문제를 해결하기 위해 친환경의 발전으로 최근 자동차 시장에서 EV(Electric vehicle)가 급 부상하고 있다. EV는 무공해, 무소음 등 다양한 장점이 있지만, 인프라의 부족, 장거리 운행 시 연비의 감소, 그리고 영하의 기온에서 기존의 주행거리보다 주행거리가 감소하는 문제점이 발생하기 때문에 친환경 자동차 시장을 충족하기 위한 개선 사항이 필요하다. Hybrid 자동차의 REEV(Range extender electric vehicle) 실현은 운행 시, 발전용을 위한 엔진이 보조되어 소비되는 배터리 성능을 충전하는 방식으로 배터리 용량을 최소화하면서 EV의 부족한 주행거리를 연장할 수 있는 방법으로 주목받고 있다. 따라서 엔진의 성능에 의해 전기를 발생시키는 발전용 엔진은 효율 및 주행거리 확장에 핵심 요소임을 확인할 수 있으며 앞으로 내연기관이 공존할 수 있고 나아가야할 방향을 제시한다. 본 연구는 높은 압축비에 의해 고성능을 발휘할 수 있는 디젤엔진의 연소 특성을 분석하여 성능 및 배출가스의 배출량을 검토하고 EURO-VI의 NOx(Nitrogen oxides) 배기규제를 충족할 수 있는 EGR(Exhaust gas recirculation)의 적용과 Turbocharger의 공기 과급을 통한 고성능화를 달성할 수 있는 REEV의 소형 디젤엔진의 구현 가능성의 제시를 목표로 한다. 따라서 소형 디젤엔진의 설계 접근 방식을 검증하기 위해 시뮬레이션 단계에서 해당 엔진을 모델링하여 테스트를 진행할 수 있는 1D-3D 연계 해석, MIL(Model in the loop)을 적용한다. 소형 디젤엔진 Powertrain의 연소 특성을 분석하기 위해 물리적 하드웨어 구성요소 없이 모의 실험을 통해 개발한 모델에 대한 동적 검증을 하는 작업으로 분석에 필요한 시간을 단축할 수 있는 1D 시뮬레이션을 적용했으며 엔진의 downsizing 시에 발생되는 디젤엔진의 경향성을 파악한다. 또한 여러가지 변수 변화에 대한 소형 디젤엔진의 분석을 목적으로 실험계획법을 설정했으며 다양한 운전범위에서 최적화된 소형 디젤엔진 정보를 얻을 수 있었다. 1D 시뮬레이션의 접근 방식은 엔진 시스템의 전반적인 평가를 하기위한 연구에 적합하지만, 소형 디젤엔진의 형상 구성요소에 따른 연소의 형성 과정 및 EGR이 혼합되는 유동의 역학에 관한 모델을 분석하기에는 정확도가 부족하다. 따라서 소형 디젤엔진의 형성을 적용하여 실린더 내의 EGR의 참여와 연소가 형성되는 영역의 세부적인 정보를 제공할 수 있는 3D CFD 연소해석 수행을 실시하며 이외 엔진의 전반적인 유동의 흐름은 1D로 해석을 진행하여 MIL 기반 1D-3D 연계해석 시뮬레이션 방식을 수행했다. 연구 과정은 4-cylinder CDC(Conventional diesel combustion)와 소형 2-cylinder 디젤엔진의 성능 및 배출가스 경향성 비교를 통해 엔진의 소형화로 공기량이 감소하는 결과를 확인했으며, EGR이 소량으로 적용되는 고부하 점에서 많은 양의 NOx가 배출되는 문제점을 파악했다. EGR은 단위 질량당 실린더 혼합물의 열용량을 증가시키는 역할을 하기 때문에 많은 양의 NOx 감소를 목표로 EGR을 단계적으로 증가시키는 case study를 수행했다. EGR의 적용을 통해 질소 산화물이 EURO-VI 배기규제를 충족하는 감소량을 확인했지만 40% 이상의 대량의 EGR 적용은 산소농도가 부족하여 소형 디젤엔진의 연소가 급격히 억제되어 불안정한 엔진의 성능을 발생시키는 결과를 초래했다. Turbocharger는 배출가스의 에너지를 이용하여 터빈을 회전시켜 압축된 공기를 실린더로 유입하는 역할을 하기 때문에 Turbocharger가 장착된 소형 디젤엔진은 압축된 공기 유량을 증가시켜 불안정한 엔진 성능의 문제점을 보완해줄 수 있다. 따라서 EGR의 적용과 압축된 흡기 공기의 유량을 구현할 수 있는 공기 과급 압력을 동시에 단계적 적용했으며 동시에 엔진의 다운사이징으로 인한 적절한 분사량을 도출하기 위해 세가지 변수를 통한 실험계획법을 실시했다. 실험계획법의 실시로 소형 디젤엔진의 연소 경향성 및 NOx 배출의 상관관계를 확인했으며 각 운전영역의 최적화된 변수의 값들을 도출했다. 하지만 1D 시뮬레이션은 엔진의 형상에 따른 연소를 볼 수 없는 단점이 있기 때문에 실린더 내의 피스톤 형상과 injector의 분사와 EGR의 참여에 의한 연소의 세부적인 현상을 확인하기 위해 1D에서 수행된 운전 영역별 최적점의 결과를 바탕으로 결과 data를 3D CFD에 다시 적용시키는 1D-3D coupling 시뮬레이션을 수행했다. 1D-3D coupled 시뮬레이션 수행은 분사과정을 상세하게 그리고 정확도가 향상된 연소 과정을 확인할 수 있었다. 따라서 충분한 성능 및 배기규제를 충족하는 NOx 결과를 확인한 본 연구 수행을 통해 소형 디젤 엔진의 구현 가능성을 확인했다.
소형 디젤엔진의 성능 및 NOx 를 예측하기 위한 1D simulation 수치해석적 연구
주강민(Kangmin Ju),박정수(Jungsoo Park) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.6
본 연구는 소형화, 고효율화, 그리고 청정화를 달성하기 위한 소형 디젤엔진의 구현을 통해 성능 및 NOx의 예측을 목표로 한다. 디젤엔진은 내연기관 중 가장 높은 열효율의 발생이 가능하며 내연기관의 충분한 기술력은 기존의 디젤엔진의 소형화 적용에 용이하다. 또한 디젤엔진은 다양한 산업군에서 전기 생산의 발전용으로 사용되었으며, 이는 비출력이 좋은 소형 디젤엔진의 구현은 주행거리가 부족한 전기 자동차의 주행거리 연장을 위한 발전용으로 적용이 가능하다. 따라서 본 연구는 기존 디젤엔진을 소형화하는 작업에 있어 운전 영역 별 최적의 point를 도출하기 위해 디젤엔진에 영향을 주는 변수를 선정하여 parametric study를 통한 경향성을 파악함에 있다. EURO-VI 배기가스 규제를 대응하기 위해 연소 시, 저온연소의 구현으로 디젤엔진의 질소산화물을 저감할 수 있는 EGR rate의 선정과 엔진 소형화에 따른 출력을 증가시키기 위한 공기 과급이 가능한 터보차져의 boost pressure, 그리고 디젤엔진의 부분 예혼합 압축착화(Premixed Charge Compression Ignition, PCCI) 신 연소를 구현하기 위한 injection timing의 진각(advanced)을 변수로 선정했다. 소형 디젤엔진의 변수 변화에 따른 성능 및 배기가스의 경향성을 예측하기 위해 연구 진행에 있어 reference 디젤엔진의 실험의 data를 기반으로 엔진 및 파워트레인의 열역학적 수치 분석에 적합한 Gamma Tech.의 GT-SUITE 1D 시뮬레이션 tool을 사용했다. Ref. diesel engine의 modeling 이후 Ref. engine을 down scaling하여 downsized diesel engine model을 구성했으며 두 모델 간의 비교를 통해 downsized diesel engine의 개선점을 확인했다. 특히 엔진이 소형화 됨에 따라 공기 의 과급과 배기가스를 저감하기 위한 EGR의 적용이 필요함을 변수 경향성 결과를 통해 확인했으며 실험계획법(design of Experiment, DoE)에 따라 운전 영역 별 최적의 EGR rate와 boost pressure 최적의 과급 압력 값을 도출했다. 운전 영역별 최적의 변수 선정 값을 기준으로 downsized diesel engine의 PCCI 예혼합 압축착화 연소 기술의 가능성을 입증하기 위해 기존의 injection timing으로부터 최대 -25deg aTDC까지 진각하는 advanced injection timing을 적용하여 분사시기의 진각에 따른 downsized diesel engine의 출력, 연료소비율(Brake Specific Fuel Consumption, BSFC)그리고 NOx 배출의 경향성을 확인했다. 결과로 일정 부분 분사시기의 진각은 변수의 최적화된 downsized diesel engine의 결과보다 높은 power, 낮은 BSFC, 그리고 EURO-VI 배기규제를 초과하지 않는 NOx 배출량을 달성할 수 있음을 확인했으며 본 연구를 통해 downsized diesel engine의 구현에 있어 변수에 따른 경향성 및 최적점을 도출할 수 있었다. [그림 본문 참조]