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CFD 해석 기법을 이용한 디젤 엔진 베출물 특성 연구
박원아(Wonah Park),민경덕(Kyoungdoug Min) 대한기계학회 2009 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2009 No.5
Because of increasing environmental concerns and strict government regulations on exhaust emissions standards, current researches on diesel engines are focused on exhaust emissions. In this study, the effects of temperature, pressure and EGR (Exhaust Gas Recirculation) on diesel emissions were investigated using 3-D CFD simulation. The 1/6 sector computational mesh was used for calculation efficiency. As the initial temperature was increased, NOx emissions were produced more and soot emissions were oxidized more. High initial pressure indicates lean AF ratio, so the combustion temperature lower. The generation of NOx emissions and the oxidation of soot emissions were decreased. EGR was efficient way to decrease NOx emissions, and heavy EGR could decrease soot emissions also.
실린더 압력 기반 실시간 가상 NOx 센서 개발 - Part 1
박원아(Wonah Park),이준용(Junyong Lee),김주한(·Joohan Kim),김규진(Gyujin Kim),민경덕(Kyoungdoug Min),유준(Jun Yu),조성환(Sunghwan Cho) 한국자동차공학회 2012 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2012 No.11
디젤 엔진에 대한 배기 규제가 강화됨에 따라 새로운 연소 기법을 이용하여 엔진 자체의 배출물을 줄이거나 후처리 장치 등을 이용하여 최종 배출물을 줄이는 등의 노력이 이루어지고 있다. 특히, 질소 산화물(NOx) 감소를 위한 실린더 내 연소제어와 후처리 장치의 효율을 최적화하기 위해서는 실시간으로 배출되는 NOx 에 대한 정보가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 실린더 압력과 ECU에서 활용 가능한 정보들을 이용하여 실시간으로 발생 하는 NO 를 예측할 수 있는 모델을 개발하였다. 모델은 확장 Zeldovich 메커니즘에 기반한 0-D 모델로 엔진 운전 상태에서 실시간 계산이 가능하도록 단순화 되었다. 모델 단순화를 위해 총 NO 생성량은 평균 NO 생성률과 NO 생성기간의 곱으로 표현될 수 있다고 가정하였다. CFD 계산 결과를 이용하여 검증한 결과, 본 연구에서 개발된 NO 예측 모델의 가상 NOx 센서로서의 활용 가능성을 확인하였다. 또한 본 예측 모델은 높은 예측 정확도를 가지고 있으므로, 실 엔진에의 적용뿐만 아니라 GT-SUITE나 AMESIM 등의 1-D 계산에도 적용하여 NO 예측성능을 높일 수 있을 것으로 기대한다.
분무 분열 모델의 평가 및 디젤 엔진 연소 해석에의 적용
박원아(Wonah Park),한용택(Yongtaik Han),이효원(Hyowon Lee),민경덕(Kyoungdoug Min) 한국자동차공학회 2010 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2010 No.5
연소실 내에서 배출물을 줄이기 위해서는 디젤엔진 배출물 생성에 주된 영향을 미치는 연료의 분무, 액적의 분열을 거쳐 연소에 이르는 일련의 과정을 이해하는 것이 중요하다. 3차원 CFD 코드를 이용하면 엔진 내부의 분무 및 연소 과정에 대한 예측이 가능하며, 보다 정확한 예측을 위해서는 정확한 분무 모델의 확립이 필수적이다. 본 연구에서는 Reitz-Diwakar 및 Kelvin-Helmholtz Rayleigy-Taylor(KH-RT)의 두 가지 액적 분열 모델을 정적 연소기 상태에서의 실험 결과와 비교 검증하였다. 또한 검증된 분무 모델을 엔진 연소 해석에 적용하여, 분무 모델의 차이가 엔진 성능 및 배출물 예측에 어떠한 영향을 미치는지 살펴보았다.
연소실 내 EGR 성층화가 디젤 연소 및 배출물에 미치는 영향
박원아(Wonah Park),최승목(Seungmok Choi),이상열(Sangyul Lee),민경덕(Kyoungdoug Min) 한국자동차공학회 2010 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2010 No.11
배기가스재순환 (EGR) 기술은 엔진 내 산소 농도와 국부적인 화염 온도를 낮춤으로써 디젤 엔진의 연소 특성에 큰 영향을 주며, 특히 NOx의 저감에 필수적이다. 현재까지 소개된 저온연소 (LTC), 예혼합 연소(HCCI) 등의 신연소 기술에서는 주로 기존보다 높은 EGR을 사용함으로써 화염 온도 및 국부적인 공연비 제어를 통해 NOx 및 soot의 동시 저감 효과를 거두고 있다. 하지만 연소 안정성 저해 및 CO, HC의 증가와 연료 소모율 증가 등 많은 문제점을 가지고 있다. 성층화 EGR 기법은 전체 EGR량을 높이는 대신 EGR 분포를 성층화 시켜 국부적으로 높은 EGR 영역을 만드는 방법으로, 이를 이용하면 LTC, HCCI 연소의 문제를 해결하면서 NOx 및 soot의 동시 저감 효과를 거둘 수 있을 것으로 기대된다. 따라서 본 연구에서는 지금까지 디젤 엔진에서 거의 적용되지 않았던, 성층화 EGR 기법을 이용하여 연소 및 배출물에 미치는 영향에 대해 실험 및 해석을 수행하였으며, 이에 의한 연소 제어 및 배출물 저감 가능성에 대해 확인해 보았다. 먼저 3D CFD (Computational Fluid Dynamics)해석을 통해 이상적인 EGR 성층화 구조에서 성층화 EGR에 의한 배출물 저감 가능성을 확인하였다. 또한, 성층화 EGR 효과를 극대화하기 위하여 2단 피스톤 형상을 고안하고 흡기 포트 형상이 연소실 내 EGR 분포에 미치는 영향에 대해 연구해보았다.
연소실 내 EGR 성층화가 디젤 연소 및 배출물에 미치는 영향
최승목(Seungmok Choi),박원아(Wonah Park),민경덕(Kyoungdoug Min) 한국자동차공학회 2010 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2010 No.11
배기가스재순환 (EGR) 기술은 엔진 내 산소 농도와 국부적인 화염 온도를 낮춤으로써 디젤 엔진의 연소 특성에 큰 영향을 주며, 특히 NOx의 저감에 필수적이다. 현재까지 소개된 저온연소 (LTC), 예혼합 연소(HCCI) 등의 신연소 기술에서는 주로 기존보다 높은 EGR을 사용함으로써 화염 온도 및 국부적인 공연비 제어를 통해 NOx 및 PM의 동시 저감 효과를 거두고 있다. 하지만 연소 안정성이 저해 및 CO, HC의 증가와 연료 소모율 증가 등 많은 문제점을 가지고 있다. 본 연구에서는 Part 1 논문에서 도출된 성층화 EGR 개념에 대해 연소실 내 EGR 농도의 성층화가 연소 및 배출물에 미치는 영향에 대해 실험 및 해석을 수행하였으며, 이에 의한 연소 제어 및 배출물 저감 가능성에 대해 확인해 보았다. 단기통 엔진에서 성층화 EGR을 구현하기 위해 흡기 및 EGR 유량의 정밀 제어가 가능한 흡기 공급 장치와 양쪽 흡기 포트로 서로 다른 농도의 EGR 공급이 가능한 흡기 러너를 제작하였다. 흡기 러너를 통한 다양한 EGR 공급 방법에 대해 연소 및 배출물 변화를 측정하였으며, 성층화 EGR에서 SCV 사용가능성 및 성층화 EGR과 SCV가 함께 사용 시 연소 및 배출물 변화를 측정하였다. 헬리컬 포트로 EGR 공급하며 적절한 SCV 사용 시 NOx 약 5 %, PM 약 25 %의 동시 저감을 확인하였으며, 각 EGR 공급 방법 및 SCV에 대한 결과는 CFD (Computational Fluid Dynamics) 연소 해석에서 동일 경향을 확인하였다.