39-39 2021 [추계학술대회]
| 제목 | LES를 활용한 엔진 내 연소 율 사이클 편차 원인에 대한 분석 |
|---|---|
| 분야 | 모빌리티 동력 및 구동시스템 |
| 언어 | Korean |
| 저자 | 김정현( 서울대학교), 민경덕( 서울대학교) |
| Key Words | LES(큰 에디 모사), Burning rate (연소율) , CFD(전산 유체 역학), Cycle-to-Cycle Variation(사이클 편차), DISI (직접분사식전기점화) |
| 초록 |
차세대 하이브리드 엔진은 효율을 증가시키기 위해 연료 소비량이 적은 sweet spot에서 희박 연소를 활용한 저온 연소 기법을 적용하는 방법을 채택할 예정이다. 하이브리드 엔진은 배터리와 모터를 활용하여 적극적으로 sweet spot에서 엔진이 운전되도록 하기 때문에, sweet spot에서의 엔진 효율 증대는 엔진 발생 CO2를 줄이는데 큰 도움이 된다. 희박 연소를 활용한 저온 연소 기법은 엔진 운전 온도를 낮춰 엔진의 효율 향상을 야기하지만, 초기 점화 안정성이 떨어져 엔진의 사이클 편차를 증대시킨다는 한계가 있다. 이러한 한계점을 극복하고자, 엔진 스파크의 점화 강도를 늘리고, 엔진의 tumble 운동을 강화시켜 초기 점화 안정성을 확보하는 기법이 제시되었다. 점화 안정성이 확보된 차세대 하이브리드 엔진의 개발이 활발한 시점에서 본 연구의 목적은 LES를 활용하여 희박 연소를 활용한 가솔린 엔진에서의 사이클 편차 원인에 대하여 밝히는 것이다. LES에서는 Filter size 이상의 난류 eddies는 Navier-Stokes 방정식을 통해 직접 flow field로 모사하게 되고, filter size 이하의 난류 eddies는 모델링을 통해 모사하게 된다. 두 종류의 eddies들 모두 연소 율에 영향을 끼치게 되는데, Filter size 이상의 eddies들은 화염면의 면적을 증대시켜 연소 율을 늘리고, filter size 이하의 eddies들은 난류 화염 속도를 늘려 연소율을 빠르게 한다. 본 연구에서는 기존에 정의하던 Resolved 난류 운동 에너지의 한계점에 대해 지적하고 화염 면적과 직접적인 관련이 있는 새로운 정의를 제시했다. Filter size 이상의 난류 eddies들과 filter size 이하의 난류 eddies들이 연소율을 늘리는 과정에서 서로 다른 모델을 기반으로 하기 때문에 filter size에 따른 영향도가 다르다. 따라서 LES에서 연소 해석을 진행할 때 서로 다른 영향도에 의해 모델 상수를 항상 변경해야 하는 한계점이 있었다. Filter size 이상의 난류가 화염면의 면적을 늘리는 점근 한계가 층류 화염 두께에 있다는 가정을 활용하여 본 연구에서는 filter size 이하의 모델링 된 eddies들과 난류 화염 속도와의 관계를 재 정의했다. |
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