Design of Combustion for Optimized Performance and Emissions in a Diesel Engine

Abstract

최근 내연기관 성능향상을 위한 연구는 연비, 배출량, 소음, 진동 등의 측면에 초점이 맞춰지고 있다. 연비는 지구온난화에 영향을 준 이산화탄소 배출 감소와 관련이 있다. 또한, 디젤 연소로 인한 질소산화물과 그을음 배출은 인간의 건강에 해로우며 생명까지도 위협한다. 배기 가스의 유해성은 많은 나라들의 정부들로 하여금 차량 배출 규제를 엄격하게 만들도록 동기를 부여하고 있다. 최근에는 실험실의 인증치와 도로의 실제 배출량 수준 간의 차이를 고려해 Real-driving emissions 규제가 시행됐다. 소음 공해는 또한 인간과 공중 보건 문제의 관점에서 중요한 주제이다. 엔진에서 발생하는 연소 소음은 엔진 변수 및 연소 특성에 의해 영향을 받는 실린더 압력 배출에 따라 달라진다. 적절한 분사 전략 또는 연소 형태는 원하는 연소 소음 수준을 만족하도록 최적화할 수 있다. 엔진 개발 과정 중에 연비, 배기 배출물 및 소음의 각 성능을 최적화하기 위한 많은 노력과 시간이 소모된다. 최적의 성능을 얻으려면 연소 및 엔진 작동 변수를 최적화하기 위해 많은 실험이 필요하다. 실험 없이 엔진 성능을 최적화하기 위해 전산유체역학 시뮬레이션을 수행하려면 높은 계산 비용이 필요하다. 따라서, 계산 비용이 낮은 0-D 연소 최적화 방법론을 개발하는 것이 중요하다. 이전 연구들에 의한 0-D 연소 최적화 방법은 분사 전략 또는 엔진 변수를 최적화했다. 결과로 도출되는 연소는 기존 연소 형상의 범위 내에 있으며 연소 형상의 다양성 측면에서 실험적으로 변수를 최적화하는 방법과 다를 바 없다. 본 연구에서는 원하는 성능을 입력으로, 최적 연소 및 연소 변수를 출력으로 도출되는 연소 디자인 방법론을 개발하였다. 첫 번째 단계로 엔진 실험을 수행하여 베이스 조건, EGR 스윙, 흡기 온도 및 냉각수 온도 스윙 조건에서의 연비 및 배기 배출의 기본 성능을 평가하였다. 이 결과는 연소 디자인에 활용되는 0-D soot 모델 수립과 최적화 과정에서 초기 조건으로 사용되었다. Soot 생성 모델은 lift-off length에서 당량비를 계산하는 단순화된 스프레이 모델을 기반으로 했다. Lift-off length에서의 당량비는 그을음 형성 모델의 주요 요인 중 하나로 사용되었다. 연소 디자인 과정에서 IMEP는 연비를 대변하는 인자로 사용되었다. 연소 소음 평가에는 연소 소음 지수가 사용되었다. NOx 배출량 예측에는 이전 연구로부터 개발된 0-D NOx 모델이 적용되었다. 연소 디자인 방법론에서, 실린더 내 압력 계산에 필요한 변수는 흡기 압력, 람다 및 질량 연소율이었다. 질량 연소율은 기존에 널리 사용되는 위베 함수와 연소상에 대한 새로운 접근법으로 다항식 함수를 사용하여 결정되었다. 실린더 내 공기의 질량과 EGR율은 초기 조건으로 결정된 흡기 압력, 온도, 람다 및 화학 반응 방정식으로 계산되었다. 연소 중의 기체 조성비는 polytropic 지수 및 여러 열역학적 변수의 계산을 위해 계산되었다. 실린더 내 압력은 polytropic 과정과 열 발생률으로 계산되었다. 최적화 과정에서 연소 디자인 방법에 사용된 최적화 알고리즘은 제한된 비선형 다변량 함수(Interior-point 기법)와 입자 군집 최적화의 최소값이었다. 경계 조건과 제약 조건은 최적화 과정의 효율적인 iteration을 위해 결정되었다. 최적화를 위한 목적 함수의 기본 형태는 입력으로 사용된 원하는 성능을 가지는 특정한 연소를 찾을 수 있게 했다. 목표 성능을 최대화하는 다양한 디자인 목적에 따라 목표 함수는 변형되어 사용되었다. 연소 디자인의 결과는 다양한 운전 영역에서 MFB와 목적 함수에 따라 연구되었다. WLTP 운전 영역에서 정상 상태 연소들을 디자인하여 연소 디자인 방법론을 WLTP에 적용하였다. 적용 결과, WLTP 중 연료 소모량은 4.7% 감소되었다. NOx와 soot 배출은 각각 44.7%와 60.7%의 감소율을 보였다. 본 연구에서는 원하는 성능의 연소를 도출하는 0-D 연소 시뮬레이션 및 최적화 방법을 제공하였다. 이 연구는 원하는 성능 혹은 최적화된 성능을 가지는 연소상을 열역학적인 조건들과 함께 제시할 수 있어 이를 바탕으로 기존의 연구 방법과 다른 목표 연소를 구현하기 위한 엔진과 연소 전략 개발 방향을 제시할 수 있다.

Recently, the researches for improving the performance of the internal combustion engines have been focused on the respect of thermal efficiency, emissions, noise and vibration. The thermal efficiency is related with decreasing carbon dioxide (CO2) emission that has affected global warming. Also, nitrogen oxides (NOx) and soot emissions from diesel combustion are harmful for human. The harmfulness of exhaust gases has motivated governments of many countries to make vehicle emission regulations stringent. Recently, real-driving emissions (RDE) regulation was enforced, considering the discrepancy between the certified values in laboratory and the actual emission levels on the road. Noise pollution is also important in the perspective of human and public health problem. The combustion noise from the engine depends on the cylinder pressure excitation, which is affected by the engine parameters and combustion characteristics. Proper injection strategies or combustion shape can be optimized to meet the desired combustion noise level. The engine development process takes a lot of effort and time to optimize each performance of thermal efficiency, emissions and noise. To achieve desired optimal performance, many trials and errors and experiments are required to optimize combustion and engine operating parameters. As an optimization tool, computational fluid dynamics (CFD) simulation needs substantial calculation cost. Thus, it is important to develop 0-D combustion optimization methodology that has low calculation cost. Previously studied 0-D combustion optimization methods have been optimized the injection strategy or engine parameters. The resulting combustion comes out of a narrow range and it is similar to the methodology of optimizing variables experimentally in terms of diversity of combustion. In this study, the combustion design methodology was developed that used the desired performance as input and derived combustion and combustion parameters as outputs in a diesel engine. The thermal efficiency, noise and emissions were needed to be calculated by 0-D combustion simulation for the combustion optimization. As a one of emission models, the 0-D soot model was developed through cooperative research with Youngbok Lee. The engine test that evaluated the soot emission by EGR rate, intake and coolant temperature was conducted to develop the 0-D soot model and acquire initial conditions for combustion design. The soot formation model was based on the simplified spray model to calculate the equivalence ratio at lift-off length. The equivalence ratio at the lift-off length was used as a one of the main factor for the soot formation model. In the combustion design process, IMEP represented the thermal efficiency. For the combustion noise evaluation, the combustion noise index was used. The 0-D NOx model from previous research was applied to estimate NOx emission. In the combustion design methodology, the initial parameters for constructing in-cylinder pressure were intake pressure, lambda and the mass faction burned. The MFB was determined by using Wiebe function and polynomial function as new approach to combustion phase. The mass of in-cylinder air and EGR rate were calculated from intake pressure, temperature, lambda, that were determined as initial conditions, and the chemical reaction equation. Compression and expansion strokes were assumed as polytropic process. The gas compositions during the combustion were calculated for calculation of polytropic index and other thermodynamic parameters. The in-cylinder pressure was calculated by the heat release rate and polytropic process with the estimated polytropic index. In the optimization process, the optimization algorithms used in the combustion design method were a minimum of constrained nonlinear multivariable function (interior-point) and particle swarm optimization. MATLAB was used as the optimization tool. The boundary conditions and constraints were determined for efficient iteration in optimization process. The base form of objective function for optimization allowed to find specific combustion of desired performance that was used as input. The objective functions for various design concepts were used in maximizing target performance. The results of combustion design were investigated by objective function and MFB function type at various operation point. The combustion design method was applied to WLTP by designing the steady points in WLTP operation region. The fuel consumption during WLTP decreased by 4.6% compared to experimental result The NOx and soot emissions could be reduced by 44.7% and 60.7%. In this study, the 0-D combustion simulation and optimization method that derived the combustion of desired performance were provided. This research can contribute to provide combustion shape with desired or optimized performance in combination with thermodynamic conditions, suggesting the development process different from existing research methods of engine and combustion strategies for target combustion.