A Study on Developing 0-dimensional Turbulence Model Considering Tumble Motion in a Spark-ignited Engine

Abstract

최근 가솔린 엔진에서 이산화탄소 규제가 강화됨에 따라 엔진 효율 향상을 위한 다양한 기술들이 새로운 엔진 개발에 적용되고 있다. 이로 인해 엔진 시스템은 더욱 복잡해지고 있다. 이러한 기술들을 적용하면서 엔진 설계 및 조정의 최적화를 실험적 방법으로만 접근하기에는 시간과 비용이 많이 든다는 단점이 있으므로, 1차원 엔진 시뮬레이션의 활용이 증가하는 추세이다. 1차원 엔진 시뮬레이션에서는 연소 특성 및 열전달 예측을 정확하게 하는 것이 시뮬레이션 결과값의 신뢰성 확보에 중요하다. 따라서 연소 특성 및 열전달에 영향을 끼치는 요소인 난류 강도 및 평균 유동 속도를 예측하는 것이 중요하다. 최근에는 스파크 점화 엔진에서 텀블의 활용이 증가하는 추세이므로 텀블 유동을 고려한 0차원 난류 모델을 개발하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 텀블 유동을 고려한 0차원 난류 모델 개발을 하였다. 개발된 모델의 예측 정확도는 세 개의 엔진에 대해서 평균 유동 속도, 난류 강도, 텀블비를 3차원 시뮬레이션에서 나온 결과와 비교하여 검증하였다. 연소 특성에 주로 영향을 끼치는 압축 행정 말기부터 팽창 행정 초기 구간에서 모델의 예측 정확도는 높은 것으로 확인되었다. 또한, 평균 유동 속도, 난류 강도, 텀블 비의 전체적인 개형이 3차원 시뮬레이션의 결과와 유사한 것도 확인함으로써 본 모델의 예측 정확도가 높다는 것을 확인할 수 있었다.

Nowadays, as the regulation on carbon dioxide is getting stricter, increasing number of engine technologies are applied to increase engine fuel conversion efficiency. Consequently, engine is becoming more complex system. Since, optimization of design and calibration is very expensive and time-consuming if only the experimental approach is taken, the usage of 1-dimensional (1D) engine simulation has been increased continuously. In 1D simulation, the accurate prediction of combustion characteristic and heat transfer is needed for the reliability of the predicted results, so estimation of turbulence intensity and mean flow velocity which mainly determines the combustion characteristics and heat transfer is important. In these days, intensified tumble is widely used in spark-ignited (SI) engines, so developing 0-dimensional (0D) turbulence model considering tumble motion is necessary. In this research, 0D turbulence model which considers tumble motion was developed. This model was verified with mean flow velocity, turbulence intensity, and tumble ratio in three different engines, and the reference data was obtained from 3D CFD. It was confirmed that the predictability of the model is high near the end of compression stroke and beginning of the expansion stroke which mainly affects combustion characteristic. Also, it was verified that the overall profile of evolution of mean flow velocity, turbulence intensity, and tumble ratio is similar to the 3D CFD data.