A Study on Phenomenological Quasi-Dimensional Combustion Modeling of Spark-Ignited Engine

Abstract

최근 몇 십 년간 가솔린 엔진의 효율이 크게 향상되었음에도 불구하고, 지속적으로 강화되고 있는 연비 규제를 만족하기 위하여 엔진 효율 향상은 여전히 큰 과제로 남아있다. 추가적인 엔진 효율 향상을 위한 신기술들이 추가적으로 접목되고 있으며, 결과적으로 엔진 시스템은 점점 더 복잡해지고 있는 상황이다. 이에 새로운 엔진 개발을 위해 필수적인 설계 및 운전 전략 최적화에 있어서 1차원 시뮬레이션의 활용이 필요하다. 그러나 1차원 시뮬레이션 툴에 내장되어 있는 연소모델은 엔진 성능 예측에 가장 중요한 부분을 차지하고 있음에도 불구하고 다양한 운전 조건 및 신기술 접목에 따른 연소 특성 변화를 정확하게 모사하지 못하는 문제점이 존재한다. 따라서 1차원 시뮬레이션 툴을 적극적으로 활용하기 위해서는 보다 정확한 연소모델이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 3차원 시뮬레이션 결과에 준하는 결과를 예측할 수 있는 0차원 난류 강도 예측 모델 및 이에 기반한 형상학적 유사차원 연소모델을 개발하고자 하였다. 본 연구에서는 난류 강도의 변화 추이를 예측하기 위한 모델링을 기존 에너지 캐스케이드 모델 (energy cascade model) 에 기반을 두고 진행하였다. 다양한 엔진 운전 조건 및 설계에 따른 난류강도 특성을 3차원 시뮬레이션에 준하는 정확도로 예측하기 위하여 적분 길이 척도 (integral length scale) 및 흡기 과정 중 유동 에너지 손실율, 난류 에너지 생성율에 관련된 새로운 관계식을 도출하였으며, 텀블 강도를 결정짓는 엔진 설계의 영향을 고려할 수 있는 보정계수를 도입하였다. 형상학적 유사차원 연소모델은 유사차원 난류 모델을 기반으로 개발되었다. 유사차원 난류 모델은 0차원 난류 모델에서 확장된 모델이며, 연소 기간 중에 기연 영역과 미연 영역에서의 난류강도 변화 추이를 예측할 수 있다. 화염 전파 과정의 경우, 연소 과정이 초기 화염소 생성 구간, 층류에서 난류화염으로의 천이 구간, 그리고 완전 발달 난류 화염 전파구간의 3 단계로 구성되는 것으로 가정하였다. 화염 속도의 천이 구간을 모사하기 위해서 기존 연구에서 발표된 관계식을 수정하여 사용하였다. 또한, 열손실량을 보다 정확하게 예측하기 위하여 Woschni 관계식을 보완하였다. 본 연구에서 개발된 난류 강도 예측 모델 및 이를 기반으로 하는 연소 모델을 1차원 시뮬레이션 툴인 GT-Power 에 적용하여, 3차원 시뮬레이션 결과와의 비교를 통하여 모델의 정확도를 평가하였다. 다양한 조건에서의 난류 강도 변화 추이를 높은 정확도로 예측하고 있는 것을 확인할 수 있었으며, 텀블 강도가 다른 엔진에 대하여 1 개의 보정계수를 변화시킴으로써 난류 강도 변화 추이가 예측 가능한 것을 볼 수 있었다. 연소 모델의 경우, 연소율과 연소 압력, 기연 영역 및 미연 영역에서의 난류 강도 변화 추이 예측이 가능한 것으로 나타났다. 6000 rpm에서 점화시기가 매우 지각된 조건을 제외하였을 때, 연소상과 연소 기간을 각각 0.5 CA, 2 CA 이내로 예측이 가능하였다. 단기통 엔진 실험 결과와의 비교를 통한 연소 모델의 검증을 추가적으로 진행하였다. 초기 화염소의 크기와 잔류가스량 사이의 관계식을 도출함으로써 보정계수의 변경 없이 다양한 운전 조건에서의 연소 압력을 예측할 수 있음을 확인하였으며, 예측 정확도를 정량화하기 위하여 연소상을 비교한 결과, 24가지 조건 중 20가지 조건에서 1 CA 이내로 연소상 예측이 가능한 것으로 나타났다. 마지막으로, 본 연구에서 개발된 모델을 활용하여 에너지 흐름 및 가변밸브기술 적용에 따른 엔진 성능의 변화에 대한 평가를 진행하였다. 다양한 점화시기에 따른 에너지 흐름을 비교함으로써 엔진 헤드와 피스톤, 라이너로의 열전달량의 변화추이를 볼 수 있었다. 가변밸브기술을 적용하였을 때의 성능 예측 시뮬레이션 결과를 진행한 결과, 부분 부하 조건에서 가변밸브기술을 적용하여 별도의 쓰로틀 (throttle) 없이 신기량을 제어하는 경우, 쓰로틀을 사용하는 조건 대비 펌핑 손실 (pumping loss) 이 27.8% 가량 저감되는 것으로 예측되었다. 도시평균유효압력 (IMEP) 의 증가는 펌핑평균유효압력 (PMEP) 의 저감량보다 큰 것으로 나타났으며, 이는 유효압축비가 줄어든 것과 잔류가스량의 저감으로 인한 연소 속도의 증대가 원인인 것으로 판단된다. 본 연구에서 개발된 0차원 난류강도 모델 및 현상학적 유사차원 연소 모델은 매우 적은 수의 보정계수만을 사용하고 있으며, 다양한 운전 조건에서 별도의 튜닝을 필요하지 않은 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 개발된 모델은 추후 새로운 엔진 개발 초기 단계에서 엔진 설계 변화 및 시스템 구성 등의 변화에 따른 엔진 성능 변화 예측에 활용될 수 있을 것이다.

The efficiency improvement of the SI engine is still an important task even though tremendous enhancement has been realized over past decades. To address the requirement to meet the stringent regulation on fuel economy, newly developed engines are being equipped with technologies such as variable valve actuation (VVA) system. As a result, the engine is becoming more complex system. Thus, for the hardware optimization, and optimal calibration of the engine, the aid of 1D simulation is necessary. The combustion model implemented in 1D simulation tools, however, lacks the accuracy when it is to be applied to variety of engine operating conditions, and designs. Therefore, in this study, zero-dimensional (0D) turbulence model and phenomenological quasi-dimensional (QD) combustion model were developed to improve the accuracy of the combustion model close to three-dimensional computational fluid dynamics (3D CFD). The 0D turbulence model was developed based on the energy cascade model with several revisions so that the model can predict the mean flow velocity and turbulence intensity close to those of 3D CFD. Correlations for integral length scale, loss in kinetic energy during intake process, and the production rate of turbulent kinetic energy were derived. An adjustable constant was added to incorporate the effect of engine design affecting tumble strength. The phenomenological QD combustion model was developed based on the QD turbulence model. The QD turbulence model is an extended version of the 0D turbulence model which can estimate the turbulence intensity of burned and unburned zone during combustion. It was assumed that the combustion processes can be divided into three steps: initial flame kernel development, transition from laminar to turbulent flame propagation, and fully-developed turbulent flame propagation. The transition phase and fully-developed turbulent flame propagation phase were described using a correlation derived in former study with several modifications. The heat transfer model was also modified from Woschnis correlation to improve the accuracy of the estimation of the heat loss. The developed models implemented in 1D simulation tool, GT-Power, were verified over various engine operating conditions by comparing the turbulence intensity, and combustion characteristics with those of 3D CFD. The mean flow velocity and the turbulence intensity predicted by the 0D turbulence model closely resembled those of 3D CFD. It was also confirmed that the model can predict the turbulence intensity of the engine designed for stronger tumble strength by tuning only one adjustable constant. The phenomenological QD combustion model was successful in reproducing the burn rate, in-cylinder pressure, turbulence intensity of burned and unburned zone, and heat transfer rate obtained from 3D CFD. Except for the cases with late spark timing at 6000 rpm, the combustion phase (MFB 50), and burn duration (MFB 10-80) were predicted with the error less than 0.5 CA, and 2 CA, respectively under part load, and full load with the engine speed varied from 1500 rpm to 6000 rpm. The phenomenological QD combustion model was also verified with the experimental data obtained from single cylinder engine. By introducing the correlation of initial flame kernel size with the amount of residual gas fraction (RGF), the model was able to predict the in-cylinder pressure sufficiently accurate without changing the adjustable constant over wide operating range. The combustion phase (MFB 50) was predicted with the error less than 1 CA for 20 simulation cases out of 24 cases. Finally, the developed model was utilized to observe the energy flow in the engine, and the effect of VVA function on engine performance. By comparing the energy balance of various spark timing, it was possible to gain insight to the tendency in changes of heat loss to the piston, head, and liner. With the cycle simulation using short-duration valve profile, reduction in pumping loss was observed as pump mean effective pressure (PMEP) decreased by 27.8% at the given condition. The simulation result also showed that the gain in indicated mean effective pressure (IMEP) is larger than the reduction in PMEP. It was found that the reduction of effective compression ratio, and the faster combustion due to reduction in RGF were responsible for such result. The 0D turbulence model, and the phenomenological QD combustion model developed in this study contain very small number of the adjustable constants including a constant to incorporate the effect of engine design related to tumble strength, and do not require changes to the values of the constants over wide range of engine operating conditions. Thus, it is expected that the developed models would contribute to the assessment of various engine designs, and system configurations at the initial phase of the engine development with better accuracy.