(The) flamelet combustion model for stratified EGR distribution in a diesel engine

Abstract

moreover, the FSE model can describe the non-uniform EGR distribution which cannot be described by the conventional flamelet model. The FSE model was validated under variable engine operating conditions including in-cylinder EGR stratification conditions and the model showed good agreement with the experimental results. The potential of in-cylinder EGR stratification for emission reduction was also studied by using the FSE model. The objective of the EGR stratification was to reduce the NOx and soot simultaneously in a Diesel engine by separating the external EGR gas and fresh air in the combustion chamber. Therefore, in this study, the combustion systems such as intake ports, chamfers, and a piston were optimized to achieve the favourable EGR distribution and to enhance the effect of in-cylinder EGR stratification. To investigate the potential of the in-cylinder EGR stratification flow and combustion simulations were carried out using the FSE model and the optimized geometries. The effect of the in-cylinder EGR stratification on NOx and soot emission reduction was verified under the various injection timings, engine speeds, and loads. Although the levels of emission reduction were different, both NOx and soot were simultaneously reduced under the stratified EGR condition. From these results, the potential of in-cylinder EGR stratification for the simultaneous NOx and soot reduction was confirmed.

Numerous researches have been devoted to reducing NOx and soot simultaneously in Diesel engines. New combustion concepts to minimize NOx and soot are low temperature combustion and in-cylinder EGR stratification. Among variable research tools, 3-D CFD has been an essential tool in the engine researches as it can describe combustion processes which are not directly accessible from experiments, on a physical basis. To study the potential emission reduction from the new combustion concepts by adopting the CFD analysis, it is important to make an accurate prediction of the emission formation. Therefore, a combustion model which can consider the local equivalence ratio caused by the non-uniform EGR distribution and the chemical mechanism for a fuel and formation of emissions in a Diesel engine is needed. A flamelet model is a good tool for better NOx and soot prediction as it can use chemical mechanisms but it cannot consider the non-uniform EGR distribution such as in-cylinder EGR stratification. Therefore, in this study, a new combustion model -Flamelet for Stratified EGR (FSE) model- was developed to consider the non-uniform in-cylinder gas distribution based on the chemical kinetics. Then, the FSE model was used to investigate the potential of in-cylinder EGR distributions for simultaneous reduction of NOx and soot. The concept of the FSE model is utilizing multiple flamelet models based on the multi-zone concept. To describe this non-uniform gas distribution, the combustion chamber is divided into several zones by oxygen concentration at SOI. Then, the flamelet equations are solved at the boundary of each zone. Final species mass fraction of each cell is calculated by linear interpolation between two results from the boundaries. Consequently, the FSE model has the advantages of the flamelet model for emission prediction

환경에 대한 관심이 높아지고 배기 규제 관련 법규가 강화됨에 따라 디젤 엔진의 배기 배출물, 특히, 질소산화물과 입자상 물질을 동시에 저감하기 위해 다양한 연구들이 진행되고 있다. 엔진에서 발생하는 배출물을 줄이기 위한 신연소 기법으로는 저온 연소, 연소실 내 배기재순환가스 성층화 등이 있다. 다양한 연구 방법 중에서도3차원 전산유체해석을 활용한 연구방법은 실험에서 직접적으로 관측이 어려운 연소 과정에 대한 모사가 가능하기 때문에, 신연소 기법 연구에 있어 중요한 부분을 차지하고 있다. 3차원 전산유체해석을 이용하여 디젤 엔진 신연소 기법의 배출물 저감 가능성에 대한 연구를 하기 위해서는 배출물의 생성을 정확하게 예측하는 것이 필요하다. 디젤 엔진에서 배출물 생성을 정확하게 예측하기 위해서는 배출물 생성에 영향을 미치는 연소실 내부의 국부적인 당량비 분포, 연료 및 배출물의 생성에 관련된 화학반응에 대한 고려가 가능한 연소모델을 사용해야 한다. 화염편(flamelet) 모델은 화학반응을 연동하여 연소를 계산할 수 있는 연소 모델로 디젤 엔진의 연소 및 배출물 생성을 계산하는 데 널리 사용되고 있는 모델이다. 그러나 화염편 모델은 배기재순환가스 성층화와 같은 연소실 내부의 불균일한 기체의 분포를 고려할 수 없는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 화학 반응과 연동이 가능하며, 연소실 내의 불균일한 기체의 분포까지 고려할 수 있는 새로운 연소모델, Flamelet for Stratified EGR (FSE) model, 을 개발하였다. 또한, 개발된 FSE 모델을 활용하여 연소실내 배기 재순환가스 성층화기법의 질소산화물과 입자상 물질 동시 저감 가능성에 대해 연구하였다. FSE 모델의 컨셉은 multi-zone 컨셉을 바탕으로 여러 개의 화염편 방정식을 사용하는 것이다. 연소실 내의 불균일한 배기재순환가스 분포를 모사하기 위하여, 연소실은 연료 분사 시작 시점의 산소 농도에 따라서 여러 개의 영역으로 나뉘어 지게 된다. 화염편 방정식은 각 영역의 경계에서 각각 계산되며, 화학종의 질량 분율은 인접한 두 경계에서 계산된 화염편 방정식의 결과를 선형적으로 보간하여 구할 수 있다. 따라서 FSE 모델은 기존 화염편 모델이 가지고 있는 장점들을 그대로 가지고 있을 뿐만 아니라, 기존 화염편 모델의 한계였던 연소실 내의 불균일한 배기재순환가스 분포까지도 모사가 가능하다. 본 연구에서는 화염편 모델을 이용한 해석 결과 및 실험 결과의 비교를 통하여 FSE 모델을 검증하였다. 또한 본 연구에서는 개발된 FSE 모델을 이용하여 연소실 내 배기 재순환가스 성층화 기법의 배출물 저감 가능성에 대해 연구하였다. 연소실 내 배기재순환가스 성층화 기법은 연소실 내의 불균일한 배기 재순환 가스 분포를 이용하여 디젤엔진에서 질소산화물과 입자상 물질을 동시에 저감하는 새로운 연소 기법이다. 두 배출물을 동시에 저감할 수 있는 적절한 배기재순환가스 분포를 얻기 위하여, 흡기 포트, 피스톤, 챔퍼 등의 형상을 최적화 하였다. 최적화된 연소시스템을 사용한 해석 결과, 배기재순환 가스 성층화 기법을 사용한 경우, 1500 rpm, bemp 4 bar, EGR 25 % 조건에서22.0 % 의 질소산화물과 17.8 % 의 입자상 물질이 동시에 저감되는 것을 확인하였다. 또한 다양한 엔진 속도, 부하, 분사시기 등의 조건에 대해 연소실 내 배기재순환 가스 성층화 기법의 배출물 저감 가능성을 확인하였다.