Spark–Ignition Engine Speed Profile Optimization for Maximizing the Net Indicated Efficiency and Quantitative Analysis of the Optimal Speed Profile

Abstract

이산화탄소 배출 감축을 위해 강화되는 차량의 연비규제나 온실가스 규제를 만족하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다. 미래에도 탄화수소기반 연료가 수송부분에서 많이 사용될 것으로 예측되는 상황에서, 규제를 만족하기 위해서는 내연기관 기반의 파워트레인 효율을 상승시키키는 것이 필수적이다. 여러가지 내연기관 기반 파워트레인 중에서 직렬형 하이브리드 파워트레인은 연비 측면에서 큰 장점을 가지고 있다. 이 연구에서는 직렬형 하이브리드 파워트레인 구조에서 단일 사이클내 속도 형상 조절을 통한 열역학적 효율 상승 가능성에 대해 시뮬레이션을 이용하여 논의하고자 하였다. 수치적인 방법을 통해 최적화를 수행하였기 때문에, 계산시간 측면에서 장점이 있는 준차원 스파크 점화 엔진 모델을 이용하였다. 속도형상변화 효과를 반영하기 위하여 난류 화염 모델을 이용하여 연소율을 계산하였으며, 실린더 내부 유동 기반 열전달 모델을 이용하였다. 이 때 필요한 실린더 내부 유동특성은 준차원 난류 모델을 이용하여 계산하였다. 이를 통해 속도형상변화 효과를 반영한 스파크 점화 엔진 모델을 개발하였으며, 개발한 모델을 이용하여 최적화 문제를 풀었다. 경로 최적화 문제를 이산화를 통해 파라미터 최적화 문제로 바꾸어 효율을 최대로 하는 속도 형상을 얻을 수 있었다. 사이클 해석을 수행하기 위해 3 가지 성능 지표를 이용하였다. 연소상을 비교하기 위해 유효팽창비를 정의하였다. 연소율을 가중치로 두어 연소 구간 동안 평균 부피를 구하였으며, 배기 벨브가 열리는 시점의 실린더 부피를 이용하여 무차원화 시켜 유효 팽창비를 계산하였다. 유효 팽창비가 클수록 연소가 상사점 근방에서 일어난 것을 의미하며, 연료의 화학적 에너지 전환효율이 높은 것을 의미한다. 열전달을 비교하기 위해서 흡기 벨브가 닫히는 시점부터 배기 벨브가 열리는 시점까지의 열전달량을 저위 발열량으로 무차원화 하여 비교하였다. 가스 교환 과정의 열전달은 엔진에서 얻을 수 있는 일에 영향을 주지 못하기 때문에 포함하지 않았다. 마지막으로 가스 교환 과정에서 얻을 수 있는 일은 펌핑 효율을 정의하여 비교하였다. 최적화된 속도 형상을 통해 스파크 점화 엔진의 효율을 기존 엔진에 비해 같은 평균 속도 조건에서 5% p, 최고 효율 조건에 비해 1% p 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 사이클을 정량적으로 분석한 결과, 기존 엔진에 비해 주로 연소상 개선을 통해 효율을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 최적화된 속도 형상으로 운전할 때, 기존 엔진 운전 조건에서 노킹이 일어나지 않는 수준의 연소상으로 개선되었다. 속도 형상 최적화를 최근 효율을 높이기 위한 기술이 적용된 스파크 점화 엔진에 적용하였을 때, 추가적인 효율 향상을 얻을 수 있는지 살펴보았다. 기존 엔진에 비해 압축비를 높이거나, 공연비가 증가할 때, 그리고 엔진의 부하를 확장할 수 있는 가압된 조건에서 속도 형상 최적화를 수행하였다. 기존 엔진에서는 압축비를 증가시켜도 노킹으로 인해 효율이 오히려 감소하지만, 사이클내 속도 형상을 조절하면 효과적으로 노킹을 완화할 수 있어 효율이 증가하게 되었다. 이 연구에서 사용한 모델 조건에서는 압축비를 10.5에서 13.5까지 효율을 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 공연비를 증가시킨 엔진 운전조건에서는 층류 화염 속도가 감소하여 기존 엔진 운전에서 충분한 효율 상승을 얻지 못하였다. 이를 속도 형상 조절을 통해 증가된 난류강도를 이용하여, 당량비가 0.7인 조건에서 약 1.5% p의 추가적인 효율 상승을 얻을 수 있었다. 가압된 운전 조건에서는 높아진 압력으로 인한 노킹을 완화하기 위해 점화시기를 미루어 효율이 감소하게 된다. 이는 속도 형상을 조절하여도 나타났지만, 1.6 atm 까지 가압한 조건의 효율이 기존 엔진 운전의 1.0 atm 조건의 효율 수준을 보임을 확인하였다. 따라서 가압된 조건에서도 기존 엔진의 가압되지 않은 조건의 효율 수준으로 운전할 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다. 스파크 점화 엔진의 효율을 최대로 하는 속도 형상을 제시하였으며, 효율이 상승하는 원인 및 각 성능지표에 어느 구간의 속도 형상이 주로 영향을 주는지 분석하였다. 이를 바탕으로 모든 구간의 속도 형상을 조절할 수 없을 때, 원하는 성능 지표를 개선하기 위해서 어느 구간의 속도 형상을 변화시켜야 하는지 예측하는데 이용할 수 있을 것으로 생각된다.

Many studies are being conducted to satisfy the vehicle fuel economy and greenhouse gas standards, which are strengthened to reduce carbon dioxide emissions. Hydrocarbon–based fuels are expected to be used in the transport sector in the future. It is essential to increase the internal combustion engine–based powertrain efficiency to meet the standards. Among the various internal combustion engine–based powertrains, the series hybrid electric vehicle has an advantage in fuel economy. In this study, the possibility of increasing the thermodynamic efficiency by modulating the speed profile in a single cycle in a series hybrid electric vehicle powertrain structure is discussed using simulation. Since the optimization was performed numerically, a quasi–dimensional spark–ignition engine model was used that has advantages in computation time. The burning rate was calculated using the turbulent flame model, and the flow–based heat transfer model in the cylinder was used to reflect the effect of the speed change. The in–cylinder flow characteristics were calculated using the quasi–dimensional turbulence model. The optimization problem was solved using the developed model. The discretization of the trajectory optimization problem into a parameter optimization problem can be used to obtain an optimal speed profile that maximizes efficiency. Three performance parameters were used for quantitatively analyzing the cycle. The effective expansion ratio was defined to compare the combustion phases. The burning rate weighted average volume was calculated during the combustion duration. The effective expansion ratio was defined as the ratio between the cylinder volume at the exhaust valve opening and average cylinder volume during the combustion process. The larger the effective expansion ratio means that the combustion occurs near the top dead center, and the higher the chemical energy fuel converted to the pressure–volume work potential. In order to compare heat transfer, the amount of heat transfer from the intake valve opening to the exhaust valve closing was compared. Heat transfer in the gas exchange process is not included because it does not affect pressure–volume work that can be obtained from the engine. Finally, pressure–volume work that can be obtained from the gas exchange process was and compared. The optimal speed profile shows that the efficiency of the spark–ignition engine can be improved by 5% p compared to the same average speed operation and 1% p compared to the best efficiency of conventional operating. As a result of the quantitative analysis of the cycle, the efficiency can be increased by improving the combustion phase compared with the conventional operation. When operating at an optimal speed profile, combustion phasing is improved to a level of combustion phasing at the knock–free operating condition. The effect of speed profile modulation on the recent technologies adopted spark–ignition engine was examined. Speed profile optimization was performed when the compression ratio was increased, the air–fuel ratio was increased, and under boosting conditions to increase the engine load. In the conventional operation, the efficiency is decreased by knocking even if the compression ratio is increased, but the efficiency is increased by effectively reducing the knocking by modulating the intracycle speed profile. The model used in this study confirmed that the compression ratio could increase the efficiency from 10.5 to 13.5 without efficiency deterioration. In the engine operating conditions with increased air–fuel ratio, the laminar flame speed was reduced, resulting in insufficient efficiency improvement in conventional engine operation. By enhancing the turbulence intensity through the speed profile modulation, an additional efficiency increase of about 1.5% p can be obtained at the equivalent ratio of 0.7. In boosting operating conditions, the decreased ignition delayed increases knocking due to elevated pressure, thereby reducing efficiency. It was also shown in optimal speed profile operation, but the efficiency of the boosting condition at 1.6 atm shows the efficiency of conventional operation at 1.0 atm. The optimal speed profile that maximizes the efficiency of the spark–ignition engine is obtained. How the speed profile of each interval affects performance parameters was analyzed. Based on this, when it is impossible to modulate the speed profile of all the intervals, the result can be used to predict which speed profile should be changed to improve the desired performance parameter.