디젤 엔진의 0D Soot 모델 개발 Part. 2: Soot 모델링

이영복(Youngbok Lee),이용주(Yongjoo Lee),문선영(Sunyoung Moon),민경덕(Kyoungdoug Min),이승하(Seungha Lee),노영준(Youngjun Roh) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6

환경 오염 문제에 대한 관심으로 각국은 차량에서 배출되는 유해물질들에 대한 규제를 더욱 강화하고 있다. NOx와 함께 디젤 엔진의 주요 배기 배출 물질 중 하나인 soot은 연료 스프레이에서의 비균질한 혼합기 형성으로 인해 생성된다. 현재 대부분의 디젤 차량들은 엔진에서 배출되는 soot을 여과하기 위해 DPF (Diesel Particulate Filter)를 장착하고 있다. 하지만 배기 온도를 상승시켜 DPF를 재생하는 과정에서 열에너지의 배기손실로 인한 연비 악화가 따르며, 이를 막기 위해 엔진 배출 soot을 저감 시켜 DPF 재생 횟수를 최소화할 필요가 있다. 따라서, 본 연구에서는 engine-out soot을 실시간으로 예측하기 위한 0-D soot 모델을 개발하였다. 본 연구에서 개발한 semi-empirical soot 모델은 디젤엔진의 연소 과정 중 soot의 생성과 산화를 모두 고려하며, 특히 soot의 생성과 큰 연관이 있다고 알려진 lift-off length에서의 당량비를 스프레이 모델을 통해 계산하여 soot 생성모델의 주요 인자로 활용하였다. 이 외에 soot 생성의 근원이 되는 연료의 분사량과 soot 생성 기간을 대표하는 연소구간을 soot 생성 모델에 활용하였다. Soot 산화 모델에는 Nagle 과 Strickland-Constable이 제시한 산화율을 주요 인자로 활용하였다. 개발된 soot 모델은 냉각수온도/흡기온도 등의 환경 조건 변화가 포함된 정상상태 실험에서 결정계수 0.9 이상의 예측 결과를 보여주었으며 WLTC (Worldwide harmonized Light-duty vehicles Test Cycles) 과도상태 실험에서 soot 배출 누적량을 10% 이내로 예측하였다. 본 연구에서 개발한 soot 모델을 활용하여 엔진 배출 soot 최소화를 위한 실시간 제어 전략에 활용할 수 있으며 강화되고 있는 RDE (Real Driving Emission) 규제에 대응하기 위한 엔진 개발 및 실도로 시험에 소요되는 시간과 노력을 절약할 수 있다.

3L급 디젤엔진의 배압이용 DPF 매연포집량 예측에 대한 연구

김홍석(Hong Suk Kim),이진욱(Jin Wook Lee) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.5

디젤 매연여과장치내 포집된 입자상물질의 재생 시기를 제어하기 위해서는 매연 포집량을 정확히 예측하는 것이 중요하다. 필터내 축적된 매연 포집량은 필터 전 후의 압력차와 배기유량에 의해 예측될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 먼저, 디젤산화촉매와 디젤매연여과장치 전 후의 각각 압력차의 비로써 정의한 매연지수의 산출을 위해 효과적인 신호처리방법을 제시하였다. 이를 3L급 승용 디젤엔진에서 정상운전조건과 과도운전조건에서 비교한 결과, 매연지수와 매연 포집량에 있어서 일정 상관관계가 있음을 알 수 있었다. It is important to determine the exact soot mass in a DPF system in order to control the timing of PM regeneration. The soot mass accumulated in a filter can be estimated from the pressure drop in the filter and the exhaust gas flow rates. In this study, the soot index is defined as the pressure drop in the DPF divided by the pressure drop in a DOC. An effective signal processing method for determining the soot index is proposed; the results yielded by this method indicate good correlation between the soot index and the amount of soot loaded into the filter for both steady-state and transient-state operating conditions in a 3L diesel engine for passenger vehicles.

정적 연소 조건에서 Octane 단일 연료 액적의 매연 생성 거동에 관한 연구

임영찬(Young Chan Lim),서현규(Hyun Kyu Suh) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集B Vol.41 No.6

본 연구는 정적 연소 조건에서 Octane 단일 연료 액적의 매연 생성 거동에 관한 정보를 제공하기 위해 수행하였다. 이를 위해 동일한 분위기 압력(Pamb) 1.0 atm과 산소 농도(O2) 21%, 질소 농도(N2) 79% 조건에서 초기 액적 직경(d0) 변화에 따른 Octane 액적의 매연 생성 특성 실험 결과를 제시하였다. Octane 액적 연소 가시화는 초고속 카메라를 사용하여 촬영하였고, 분위기 조건은 제어 시스템에 의해 동일한 조건을 유지하였다. Octane 액적 연소 결과, 매연 생성량은 동일한 분위기 조건에서 초기 액적 직경 변화의 영향이 크게 나타나지 않았다. 또한, 매연 체적 분율 최댓값(fvmax)은 135°~315° 측정 방향에서 높은 결과를 보였다. 이는 액적 점화 이후 Igniter의 이동 과정에서 생성된 Soot-tail로 인해 매연 체적분율 결과가 증가된 것으로 나타났다. This study was performed to provide the information of the soot formation behavior of octane single fuel droplet under the identical combustion conditions. To achieve this, this experimental study provide the results of the soot formation characteristics of octane droplet in accordance with different initial droplet diameter(d0), at the same time, experiment was conducted under the same combustion conditions which are 1.0atm of ambient pressure(Pamb), 21% of oxygen concentration(O2) and 79% of nitrogen concentration(N2). Visualization of octane droplet combustion was performed by visualization system with high speed camera. The results of maximum soot volume fraction(fvmax) was almost the same under the equivalent ambient conditions regardless of initial droplet diameter. Furthermore, maximum soot volume fraction was showed the higher value in the measuring direction between 135° and 315° since the soot-tail is generated during two opposing igniters movement process.

레이저 및 열전대를 이용한 동축류 확산화염에서의 매연입자 측정에 관한 연구

한용택(Yong-Taek Han),이기형(Ki-Hyung Lee),이원남(Won-nam Lee) 대한기계학회 2004 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2004 No.4

The temperature and soot particle measurement technique in a laminar diffusion flame have been studied to investigate the characteristics of soot particle with temperature using a co-flow burner. The temperature distributions in the flame were measured by rapid insertion of a R-type thermocouple and the soot particles were detected were detected by LEM/LIS techniques. In these measurement, soot volume fraction, number density and soot diameters were analyzed experimentally. As a results, the spacial distributions of particle volume fraction, soot diameter, and number density are mapped throughout the flame using the Rayleigh theory for the scattering of light by absorbing particles. A laser extinction method was used to measure the soot volume fraction and Laser induced scattering method was used to measure the soot particle diameter and number density. Also, we measured temperature without the effect of soot particles attached to the thermocouple junction, which is close to the nozzle. In this result, we found that upstream zone has a unstable flowing in co-flow diffusion flame and the y-axis temperature of flame has a uniform temperature distribution in the most soot volume fraction zone.

난류/화학반응 상호작용 및 매연 생성과정 모사를 위한 모멘트 직접 적분법에 대한 고찰

이정원(Jeongwon Lee),김태훈(Tae-Hoon Kim),김용모(Yongmo Kim) 한국연소학회 2011 KOSCOSYMPOSIUM논문집 Vol.- No.43

This paper reviews the Direct-Quadrature Methods of Moments (DQMOM) to predict the formation processes of soot particles and presents the new formulation to deal with coupling the detailed chemistry and soot formation mechanism in turbulent reacting flows. The first part of this paper is discussed about the presently applicable both deterministic and stochastic soot models and their limitations to predict formation processes of soot particle matter. and the second part of this paper is the suggestion of new coupled formulation of detailed chemistry and soot formation mechanism in joint composition probability density function approach and its solution methods using DQMOM with Method of Moments with Interpolative Closure (MOMIC) to Population Balance Equation (PBE) on soot formation processes.

高溫 高壓 燃燒器內의 煤煙生成에 미치는 豫混合 亂流 프로판 火炎의 影響

裵明煥 慶尙大學校生産技術硏究所 1998 生産技術硏究所論文集 Vol.14 No.-

The soot yield has been studied by a premixed propane-oxygen-inert gas combustion in a specially designed disk-type constant-volume combustion chamber to investigate the effects of pressure, temperature and turbulence on soot formation. Premixtures are simultaneously ignited by eight spark plugs located on the circumference of chamber at 45 degree intervals in order to observe the soot formation under high pressures. The eight flames converged compress the end gases to a high pressure. The soot volume fraction in the chamber center during the final stage of combustion at the highest pressure is measured by the in situ laser extinction technique and simultaneously the corresponding burnt gas temperature by the two-color pyrometry method. The pressure and temperature during soot formation are changed by varying the initial charge pressure and the volume fraction of inert gas compositions, respectively. It is found that the soot yield increases with dropping temperature and rising pressure at constant equivalence ratio, and that the soot yield of turbulent combustion decreases in comparison with that of laminar combustion because the burnt gas temperature increases with the drop of heat loss.

Simulation 모델을 통한 CPF Soot 포집량 예측에 관한 연구

우민수(Minsoo Woo),임용섭(Yongsup Lim),김기영(Kiyoung Kim) 한국자동차공학회 2008 한국자동차공학회 춘 추계 학술대회 논문집 Vol.- No.-

The detection method of soot mass consists of differential pressure model and soot simulation model. Differential pressure model has the demerit on the accuracy to detect soot mass in case of NO₂ regeneration, filter deviation and parking effect. The method to detect soot mass in simulation model can be analyzed with two major parameters, lambda and exhaust gas volume flow. To make up for weak ponits in differential pressure model, this paper presents the simulation model development process and verification by using two parameters for soot mass detection.

디젤 엔진의 0D Soot 모델 개발 Part. 1: Spray 모델링

이용주(Yongjoo Lee),이영복(Youngbok Lee),문선영,민경덕(Kyoungdoug Min),이승하(Seungha Lee),노영준(Youngjun Roh) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6

실제 도로에서의 배기가스 배출량을 측정하여 제한하는 RDE(Real Driving Emission) 규제를 적용하기 시작하면서 내연기관의 배기 배출물을 줄이기 위한 노력이 지속되고 있다. NOx와 함께 내연기관의 주요 배기 배출 물질 중 하나인 soot은 비균질한 혼합기 형성으로 인해 생성되며 연료의 직분사 시스템을 사용하는 내연기관 차량들은 DPF(diesel particulate filter)나 GPF(gasoline particulate filter)를 활용하여 저감하고 있지만 별도의 측정 장치 없이 배출량을 예측할 수 있는 모델은 고장 진단과 후처리 장치의 제어 등에 효과적으로 활용될 수 있다. Soot은 연소 과정 중 공기-연료 혼합물의 불균일성과 지역적인 연료 농후 영역 주된 발생 원인이며 soot inception, coagulation 등의 복잡한 화학 반응을 통해 발생한다. 이런 soot 발생 과정을 시뮬레이션 하기 위해 현상학적인 모델들을 활용하면 정밀한 화학 반응 메커니즘들을 고려할 수 있지만 계산 비용이 높다. 경험적인 모델의 경우 계산 비용이 낮은 장점이 있지만 연소 과정의 화학 반응을 반영하는데 한계가 있어 정확도가 부족한 측면이 있다. 본 연구에서는 semi-empirical soot 모델을 개발하기 위해 0-D 스프레이 모델을 개발했다. 연료 분사 시점에서의 인자들을 토대로 lift-off length를 계산하고 이를 ECN(engine combustion network)의 리그 실험 결과를 토대로 검증한 결과 lift-off length의 실험값과 0.9548의 결정계수를 보였다. 본 모델에서 계산된 lift-off length에서의 당량비는 0D soot 모델에 활용되어 soot 생성의 주요한 인자로 사용할 수 있다.

매연입자의 열영동 부착 특성에 관한 수치적 연구

최재혁(Jae-Hyuk Choi),한원희(Won-Hui Han),정석호(Suk Ho Chung) 한국마린엔지니어링학회 2008 한국마린엔지니어링학회 학술대회 논문집 Vol.2008 No.-

The characteristics of soot deposition on the cold wall in laminar diffusion flames have been numerically analyzed in a two-dimension with the FDS(Fire Dynamics Simulator). In particular, the effects of surrounding air temperature and wall temperature have been discussed. The fuel far the flame is ethylene (C₂H₄). Surrounding air temperatures are 300 K, 600 K, 900 K, 1200 K. Wall temperatures are 300 K, 800 K, 1100 K. The soot deposition length defined as the relative approach distance to the wall per a given axial distance is newly introduced as a parameter to evaluate the soot deposition tendency on the wall. The result shows that soot deposition length is increased with increasing the surrounding air temperatures and with decreasing the wall temperatures. The numerical results led to the conclusion that it is essential to consider the thermophoretic effect for understanding the soot deposition on the cold wall properly.

탄화수소연료의 열분해 Soot발생특성 분석에 관한 연구

김학덕,김창연,송주헌 한국수소및신에너지학회 2016 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.27 No.6

Soot and harmful exhaust gas produced by liquid hydrocarbon fuel caused various environmentalproblems. In this study, soot characteristics produced by thermal decomposition of acetylene and diesel wereanalyzed, which are formed at different temperatures. These fuels were observed to produce particulate matters,and collected soot samples were observed by using TEM & SEM. These were found to be significantly differentin structure and crystallinity.