수치해석을 통한 수소 직분사 엔진의 분무각도에 따른 실린더 내 혼합도 및 연소 특성 예측

국문 초록 (Abstract)

탄화수소계 연료는 현재 동력 및 발전 시스템에서 지배적인 위치를 점하고 있다. 이에 따라 탄화수소계 연료사용에 의한 유해 배출가스를 저감하기 위한 연구는 과거부터 많이 진행됐다. 하지만 탄화수소계 연료는 탄소를 포함하고 있기에 탄소 배출을 줄이기에 한계점은 분명하다. 더불어 전 세계적으로 탄소 중립을 선언하고 있으며 이에 따라 배출가스 규제도 강화되고 있다. 내연기관은 강화되는 배출가스 규제를 만족하고, 탄소 중립을 위해 탈탄소화가 진행되어야 한다. 본 연구에서는 직접 분사식 수소 엔진의 분무각도에 따른 실린더 내 혼합기 형성 및 연소 특성을 수치 해석적으로 분석하였다. 분무각도 30도에서 60도로 증가할 때 분무각도 증가에 따른 혼합기 형성에 대한 특정한 경향성은 없었다. 분무각도 45도에서 타 케이스 대비 높은 난류운동에너지 값을 보였으나 균질하지 못한 혼합기 형성으로 실화가 발생하였다. 이를 통해 초 희박 조건에서는 난류 강도뿐 아니라 분무각도에 따른 분무 거동에 대한 최적화가 필요할 것으로 판단되었다. 초기 화염 발달은 분무각도 60도가 가장 빨랐으며, 연소 온도와 압력도 분무각도 30도 대비 높은 경향을 보였다. 이는 실린더 헤드의 스파크 플러그 주변에서 높은 국소 당량비를 가지는 영역을 형성한 것이 원인으로 판단된다. 더불어 높은 연소 온도로 인해 분무각도 60도에서 NOx 배출량도 타 분무 각도 대비 많았다. 결과적으로 수소엔진의 초 희박 운전에서 실린더 내 혼합기 형성 특성에 따라 실화, 높은 연소 온도 등의 문제를 해결하기 위해서는 분무 패턴의 최적화가 필요할 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Hydrocarbon-based fuels currently dominate the global energy system. Achieving carbon neutrality ultimately requires not only reducing the dependency on internal combustion engines, but also fundamentally decarbonizing fuels. It is essential to discontinue the use of hydrocarbon fuels and achieve decarbonization through the application of carbon-free fuels such as hydrogen. In this study, a 2.0-L research engine was designed, and numerical methods were applied. The performance, exhaust gas emissions, and combustion characteristics of the research engine were analyzed through 1D simulations. Based on the results of the 1D analysis, CFD simulations were conducted. Mixture formation and combustion characteristics were analyzed by varying the injection angle in the ultra-lean operating region with a λ 2.5. A spray angle of 45 degrees resulted in the highest turbulent kinetic energy in the cylinder. However, misfire occurred. A spray angle of 60 degrees showed the fastest flame development during the initial flame propagation and exhibited a trend of higher combustion temperature and pressure compared to a spray angle of 30 degrees. Optimization of the spray pattern is deemed necessary to address issues such as flash fires and high combustion temperatures in ultra-lean operation of hydrogen engines, depending on the characteristics of mixture formation inside the cylinder.

목차 (Table of Contents)

• 요약
• Abstract
• 1. 서론
• 2. 본론
• 3. 결론
• References