CI Engine

경유(디젤)를 주 연료로 하여 압축 착화 방식을 이용하여 동력을 얻으며 낮은 엔진 회전 수에서 높은 토크를 얻으므로 주로 대형기관, 버스, 트럭 등에 이용되었으나 최근에는 분사기술의 발달로 승용차까지 널리 사용되고 있다.

CI 엔진은 확산 연소를 기초로 하여 연료/산화제의 혼합과 화학반응이 상호 복합적으로 일어난다. 기존의 CI 엔진은 해석할 때 사용되는 모델은 무조건적인 평균을 통해 화학 반응률을 모사하기 때문에 낮은 정확도를 보였다. 우리 연구실에서는 조건 평균법에 기초한 CMC(Conditional Moment Closure)모델을 사용하여 다양한 CI 엔진을 해석하고 있다. CMC 모델은 보다 정확한 결과값을 보여주고 있다.

OpenFOAM과 KIVA를 이용한 ERC CI 엔진 해석 결과

하지만 CMC 모델은 전산해석 부담이 크기 때문에 현재 연구실에서는 아래와 같이 Simplified CMC 모델을 개발 중이다.

Simplified CMC의 개념

SI Engine

휘발유(가솔린)를 주 연료로 하여 점화 착화 방식으로 동력을 얻으며 주로 높음 회전 수를 요구하는 기관에 사용된다. 승용차, 오토바이 등에 사용 되는 것이 일반적이다.

SI 엔진은 예혼합 화염에 기초하여 해석한다. 예혼합 화염은 난류와의 상호작용을 통해 burned 영역에서 unburned 영역으로 전파되어 나가는 특성을 가진다. 이때 화염이 전파되는 속도, 난류 화염 전파속도, 로 정의하여 엔진의 효율을 결정짓는 중요한 요소이다. 따라서 SI 엔진을 해석할 때 정확한 예측이 요구된다.

우리 연구실에서는 DNS를 활용하여 예혼합 화염의 기초 연구를 통해 예측 식을 유도하였다. 이 식을 OpenFOAM 코드에 반영하여 SI 엔진을 해석하려고 한다.

KIVA를 이용한 수소-압축 천연가스 SI 엔진 해석 결과

CMC(Conditional Moment Closure) Model

CMC 모델은 Turbulent Nonpremixed flame을 해석하는 모델이다. 기존의 무조건적인 평균을 통한 해석은 난류 변동의 비선형성으로 인하여 평균값과 실제 값의 편차가 커지게 되므로 해석의 정확성을 보장할 수 없다. 그러나 CMC 모델은 임의의 위치에서 연료와 공기의 혼합분율을 조건 매개변수로 설정하여 온도와 화학 종의 질량 분율을 화염 구조로 나타낸다. 이 화염구조와 Beta 함수를 따르는 확률밀도함수를 적분하여 얻은 조건 평균값은 실제 값과의 편차가 적은 보다 정확한 값을 얻을 수 있다.

CMC Model의 원리