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

국문 초록 (Abstract)

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.