Numerical Study of Flow Characteristics on Combustion and Knock Phenomena in SI Engines

Abstract

최근, 지구 온난화 및 대기 오염 문제가 범세계적인 문제로 떠오르면서 배출 가스에 대한 규제가 점점 강화되고 있다. 이산화탄소의 배출량은 화석 연료의 사용량과 관계가 있기 때문에 점차 강화되는 배출 가스 규제를 만족시키기 위해서는 엔진 열 효율을 개선하는 것이 중요하다. 가솔린 엔진의 경우 압축비를 올리는 것이 곧 열 효율의 향상으로 직결된다. 그러나 압축비의 과도한 상승은 연소 기간 중 미연 가스의 온도와 압력을 상승시켜 혼합기의 자발화를 유발시킬 수 있다. 이는 노킹 현상이라고 불리우며, 엔진에 심각한 손상을 야기할 수 있기 때문에 이를 저감하는 것이 필요하다. 노킹 현상을 저감하고 더 나아가 엔진 열 효율을 개선하기 위해선 화염 전파 속도를 높이는 것이 중요하다. 이와 관련되어 흡기 포트의 설계를 변경하거나 텀블 조작 장치를 도입하는 등의 방법으로 엔진 실린더 내부로 들어가는 유동의 텀블 비를 바꾸어 엔진 실린더 내부의 난류 강도와 화염 전파 속도의 상관 관계에 대한 연구들이 진행되어왔다. 그러나 실린더 내부의 유동은 흡기 포트뿐 아니라 다른 형상으로부터 또한 영향을 받을 수 있는 복잡한 현상이다. 본 연구에서는 3차원 전산유체역학을 이용하여 다양한 엔진 형상에 따른 실린더 내부 유동 특성의 변화와 이것이 연소와 노킹 현상에 미치는 영향을 확인하였다. 유동 특성을 변경하기 위하여 3개의 흡기 포트 형상과 3개의 피스톤 형상을 설계하였다. 엔진 형상 별로 유동 해석을 진행하여 텀블 비의 변화 및 텀블 와류 중심의 이동 경향을 분석하였고 이러한 유동 특성 변화와 난류 에너지 변화 사이의 관계를 확인하였다. 이후 연소 및 노킹 해석을 진행하였고, 유동이 이들 결과에 어떠한 영향을 미치는지 확인하였다. 그 결과, 단순히 텀블 비를 높이는 것이 실린더 내의 난류 에너지를 강하게 만들 수 없고, 오히려 실린더 내부의 텀블 유동이 효과적으로 소산되는 것이 중요함을 보였다. 압축 행정 동안의 텀블 비의 변화량과 실린더 내 점화 지점 주위의 난류 에너지는 선형적인 비례 관계가 있고, 비례하는 정도는 피스톤의 형상에 따라 다르게 나타났다. 그리고, 점화 지점 주위의 난류 에너지와 연소 기간 사이에도 선형적인 관계가 있는 것으로 나타났다. 그러나 난류 에너지가 크다고 해도 화염 전파 방향과 반대되는 유동에 의해 연소 속도가 느려질 수 있음을 확인하였다. 동일한 점화 시기를 가질 때 미연 가스 영역에서 자발화가 발생하는 경우, 높은 난류 에너지로 인해 연소 속도가 빨라졌을 때 오히려 강한 노킹이 엔진 내부에서 발생할 수 있다.

Recently, global warming issue and air pollution problems have become significant and the emission regulation for the exhaust gas of light-duty vehicles is being reinforced gradually. Because the amount of CO2 emission turns on the chemical energy input to an engine, the improvement of the thermal efficiency is a key factor to cope with the future the CO2 emission regulation. In the spark-ignited engine, the compression ratio has a direct relationship with the engine thermal efficiency due to the intrinsic characteristics of ideal Otto cycle. However, if the engine compression ratio is high, the autoignition may occur in the unburned gas region. To prevent knocking behavior which can lead to the enhancement in engine thermal efficiency by increasing the compression ratio, fast combustion is required. Many studies have investigated the relationship between the tumble ratio and the flame propagation speed via changing the intake port design or installing the tumble inducer. However, the in-cylinder flow motion is complicated because the flow motion can be affected by not only the intake port design but also other design features of the engine. In this study, the effects of various engine shapes on flow characteristics in the cylinder were investigated. In addition, the effects of flow on the combustion and knock phenomenon were studied by 3D CFD simulation. Three intake port designs and three piston shapes were examined for changing the in-cylinder flow motion during the simulation. The tumble ratio and the movement of the tumble vortex center were investigated according to the variation of design, and the relationship between flow characteristics and the turbulent kinetic energy was explored in detail. Lastly, the effects of low on the combustion and knock phenomenon were examined. As a result, enhancing the tumble ratio did not promise enhancing the turbulent kinetic energy near the spark position. Instead, it was revealed that dissipating the bulk tumbling motion effectively was important for enhancing the in-cylinder turbulent kinetic energy. In addition, there was a linear correlation between the change of the tumble ratio and the turbulent kinetic energy. Despite the higher turbulent kinetic energy was achieved inside the cylinder, the burning rate was decreased by the counterflow for the flame propagation. Knocking behavior was not always avoided by increasing the flame speed by enhancing the in-cylinder turbulence.