The Effect of Turbulent Flow on the Combustion Cyclic Variation in a Spark Ignition Engine using Large-Eddy Simulation

Abstract

Abstract The Effect of Turbulent Flow on the Combustion Cyclic Variation in a Spark Ignition Engine using Large-Eddy Simulation

Insuk Ko

Department of Mechanical and Aerospace Engineering The Graduate School Seoul National University

At the present, the problem of worldwide air pollution has emerged as an important issue and many countries are trying to solve the problem. Emission regulations have been tightened around the world in an effort to reduce emissions from internal combustion engine (ICE) vehicles. From 2014, Tier 3 emissions standards in the United States (U.S.) and EURO6 regulations in the European Union (EU) are adopted. Currently, CO2 is also being strongly enforced annually. To meet the tightened CO2 regulations, the development of high efficiency engines is actively being carried out by each vehicle manufacturer. In the development of high efficiency engines, the key point is the increase in thermal efficiency. Many technologies have been developed to increase thermal efficiency and are being applied to mass-production engines. However, there is currently a cycle-to-cycle variation (CCV) of combustion as the biggest obstacle to engine development. Therefore, research on the CCV is also being actively carried out. Because the causes that affect the cycle deviation are various and complex, it is difficult to conduct detailed research on the source of the CCV through experimental studies. Therefore, the 3D simulation is actively carried out as an alternative. In the present study, the CCV phenomenon of combustion was reproduced using large-eddy simulation (LES) approach and the investigation on the source of CCV are conducted. Currently, the engine simulation using LES is immature. Therefore, it is necessary to consider each sub-model for accurate simulation. First, three Sub-grid scale (SGS) turbulence models were evaluated with particle image velocimetry (PIV) data from the single-cylinder transparent combustion chamber (TCC-III) engine. The dynamic structure model (DSM) was adopted for this study, based on the analysis of the flow field and the predicted SGS turbulent velocity compared to the PIV data. Secondly, the G-equation was employed as a combustion model. The model can be used in the corrugated flamelets regime and the thin reaction flamelets regime. The turbulent burning velocity of the model is quite complicated to simulate the turbulent flame included in the two regimes. Therefore, in this study, the combustion regime of the target engine operating condition was found by using Reynolds averaged navier-stokes equation (RANS) approach and was identified to the corrugated flamelets regime. Thus, the G-equation was modified for the corrugated flamelets regime. Thirdly, an ignition model reflecting the characteristics of LES was developed. The lagrangian particles were employed to realize the ignition channel and the secondary electric circuit model was implemented to predict the spark energy, restrikes phenomena and the end of ignition time. The one of the key features of the ignition model developed in this study is that a simplified empirical function is implemented to realize the thermal diffusion during arc phase. After ignition phase, the channel grows by chemical reaction and the flame propagation progresses. The turbulent flame brush thickness term is introduced to predict the transition state between the laminar flame propagation and the turbulent flame propagation. Finally, when the channel is grown sufficiently, flame is propagated in the 3D field by the G-equation Finally, 30 LES cycles were performed to identify the cause of the CCV and validated against the experimental data. The sources of the CCV are mainly from the small scale turbulent flow and the large scale turbulent flow. The small scale turbulent flow effect was investigated and the fact that the small scale turbulent flow is related to the tumble motion is identified. In terms of the large scale turbulent flow, the effect of the local vortex on the flame propagation was found through the detailed analysis of the flow field. In particular, the vortex produced by wall flow on the secondary tumble plane is an important factor. A new piston shape was designed to strengthen the vortex formation by wall flow. The result of new piston case shows the reduced combustion CCV than the base case. This research provides the guide how to investigate the sources of the combustion CCV and how to reduce the combustion CCV for the future engine development

Keywords: SI engine, LES, CFD (Computational Fluid Dynamics), CCV (Cycle-to-cycle variation), Ignition model, SGS model

Student Number: 2013-20641

국 문 초 록 현재 전 세계 대기오염 문제가 중요한 이슈로 떠오르고 많은 나라들이 이 문제를 해결하기 위해 노력하고 있다. 내연기관 차량의 배기 가스 배출량을 줄이기 위해 전 세계적으로 배출가스 규제가 강화되었다. 2014년부터 미국은 Tier 3 배기배출물 규정을 유럽연합은 EURO 6 규정을 채택하고 있다. 현재 연비 규제인 CO2도 매년 강력하게 강화되고 있다. 강화된 CO2 규정을 충족시키기 위해, 고효율 엔진의 개발은 각 차량 제조사에 의해 활발하게 이루어지고 있다. 고효율 엔진 개발에서 핵심은 열효율 증가이다. 열효율을 높이기 위해 많은 기술이 개발되어 양산 엔진에 적용되고 있다. 그러나 현재 엔진 개발에 가장 큰 장애물로 연소 사이클 간 편차가 있다. 따라서 사이클 편차에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 사이클 편차에 영향을 미치는 원인은 다양하고 복잡하기 때문에, 실험 연구를 통해 사이클 편차의 근본 원인에 대한 상세한 연구를 실시하기 어렵다. 따라서 대안으로 3D 시뮬레이션을 활용한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는, 연소의 사이클 편차 현상을 Large-Eddy Simulation (LES) 유동 해석 방법을 이용하여 재현하고 사이클 편차의 원인에 대한 연구를 진행한다. 현재 LES를 이용한 엔진 시뮬레이션은 아직까지 미숙한 단계이다. 따라서 정확한 시뮬레이션을 위해 각 물리적 현상을 구현할 수 있는 모델을 구현해야 한다. 먼저, 3개의 sub-grid scale (SGS) 난류 모델을 단기통 광학 엔진의 (TCC-III) particle image velocimetry (PIV) 측정 결과로 평가하였다. PIV 데이터와 비교한 유동장 및 예측된 SGS 난류속도에 대한 분석을 바탕으로 본 연구에서는 dynamic structure model (DSM)이 채택되었다. 둘째로, G-equation 모델을 연소 모델로 선택하였다. G-equation 모델은 Pitsch[1]에 의해 LES 적용 가능 하도록 개발되었다. 이 모델은 corrugated flamelets regime과 thin reaction flamelets regime에서 사용될 수 있다. 연소 속도 모델은 두 연소 환경에 포함된 난류 연소를 모사하기 위해 상당히 복잡하다. 따라서 본 연구에서는 RANS 를 이용하여 대상 엔진 작동 조건의 연소 환경을 찾아 내었고, 연소 환경은 corrugated flamelets regime에 속한 것을 확인 하였다. 따라서 기존의 G-equation 연소 모델을 corrugated flamelets regime에 맞도록 변경 하였다. 셋째로, LES의 특성을 반영한 점화 모델이 개발되었다. Lagrangian 개념을 이용하여 점화 채널을 구현하고, 2차 전기 회로 모델을 이용하여 점화 에너지, 리스트라이크, 점화 시간 종료 등을 예측하였다. 본 연구에서 개발된 점화 모델의 주요 특징 중 하나는 아크 페이즈 중 열 팽창 현상을 구현을 위해 간단한 경험 함수를 이용한다는 것이다. 아크 페이즈 후, 점화 해널은 화학 반응에 성장하고 화염 전파가 진행된다. 난류 화염 두께는 층류 화염 전파와 난류 화염 전파 사이의 천이 상태를 예측하기 위해 도입되었다. 마지막으로 점화 채널이 충분히 커지면 G-equation 의해 3D 계산 영역에서 화염 전파가 구현된다. 마지막으로 30개의 LES 사이클을 수행하여 연소의 사이클 편차 원인을 분석하고 실험 데이터를 이용하여 시뮬레이션의 정확도를 검증하였다. 연소의 사이클 편차의 원인은 주로 작은 규모의 난류 유동과 큰 규모의 난류 유동에서 나온다. 난류 모델로 구현된 작은 규모의 난류 유동과 큰 규모의 난류 유동에 속한 텀블 값을 같이 분석 하였다. 작은 규모의 난류 유동은 텀블 값과 관계가 있다는 사실을 파악 하였다. 큰 규모 난류 유동 측면에서는 국부적인 유동의 소용돌이가 화염 전파에 미치는 영향을 유동장을 상세히 분석하여 확인되었다. 특히 2차 텀블면에서 벽면 유동에 의해 생성되는 소용돌이가 연소의 사이클 편차에 미치는 중요한 요인임을 밝혀 내었다. 벽면 유동에 의한 소용돌이 형성을 강화하기 위해 새로운 피스톤 현상을 설계 하였다. 새로운 피스톤 형상의 결과는 베이스 피스톤보다 연소의 CCV가 줄어들었다. 본 연구는 향후 엔진 개발을 위해 연소 CCV의 원인을 조사하는 방법과 연소 CCV를 줄이는 방법에 대한 방법론을 제시한다.

주요어: 전기점화 엔진, LES, 전산유체역학, 사이클 편차, 점화모델, 난류모델 학 번: 2013-20641