연료 분사: 분무의 어려움

Junmei Shi, 시뮬레이션 팀 리더, Pablo Lopez Aguado, 박사 과정 학생, 룩셈부르크 바샤라지 소재 Delphi Automotive Systems

내연기관의 공해물질 배출 저감과 연비를 증대시키려면, 액체 연료가 연료 분사 노즐에서 잘게 쪼개져, 미립화된 액적으로 실린더 안으로 들어가는 과정을 잘 이해해야 합니다. Delphi 엔지니어는 엔진 성능을 최적화하는 올바른 분무 형상을 통해 액적을 만들어내는 연료 분사 노즐을 설계하는데 ANSYS 전상 유체 역학(CFD) 소프트웨어를 사용하였습니다.

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fuel injector

"Delphi Automotive Systems 엔지니어는 ANSYS Fluent CFD의 LES (Large Eddy Simulation) 모델을 사용하여 노즐 내부 유동과 분열과정의 특성을 파악했습니다."

 Delphi fuel injector

Delphi fuel injector

 

연료 혼합가스의 생성–점화–연소 과정의 제어기술과 최적화는 친환경 내연 기관 설계 기술의 발전에 필수적입니다. 엔지니어는 각 엔진의 특정한 분무 요구사항을 세부적인 노즐 설계로 전환해야 합니다. 노즐 개발에서 가장 어려운 문제 중 하나는 1차 분열과정에 대한 근본적인 물리현상에 대한 이해의 부족과 노즐 형상이 이 과정에 미치는 영향을 잘 알지 못하는 점입니다. 물리적인 실험을 통해서는 매우 작은 분사 노즐 내부에서 일어나는 난류와 와류 구조를 유효하게 측정할 수 있는 방법이 없기 때문에 액적으로 분열되는 과정을 알아내는 데 한계가 있습니다. Delphi Automotive Systems 엔지니어는 ANSYS Fluent CFDLES (Large Eddy Simulation) 모델을 사용하여 노즐 내부 유동과 분열과정의 특성을 파악했습니다. 시뮬레이션을 통한 노즐 내부 유동장과 분무 형상은 실험 결과와 비교하여 매우 근접하게 예측되었고, 유체역학에 대한 근본적인 이해의 발전으로 연료 분사 노즐 설계의 최적화에 도움이 되었습니다.

전통적인 연료 분사기 노즐 설계 방법

액체 연료를 분무 액적으로 미립화 시키는 연료 분사 노즐의 성능과 엔진 실린더의 연료-공기 혼합은 연비 및 공해물질 배출에 중요한 영향을 미칩니다. 분무 형성 과정 중 1차 분열과 2차 분열 현상은 동시에 발생합니다. 1차 분열과정은 분사된 액주의 변형과 큰 인대(ligament) 모양으로 분화된 액주 형성을 의미합니다. 인대 모양으로 분화된 액주는 2차 분열 과정에서 액적으로 더 작게 분열됩니다. 1차 분열 과정에는 노즐 내부의 난류와 공동화 및 그들의 상호 작용과 함께 노즐 외부의 공기 역학적 상호 작용에 따라 매우 복잡한 다상 및 다중 스케일 유체 역학 현상이 포함됩니다. 연료 분사 엔지니어링 커뮤니티는 이 문제를 50년 넘게 연구해 왔지만, 효과적인 실험 및 수치 진단 툴이 부족하여 어려움을 겪었습니다. 노즐 내부의 공동화 특성을 파악하기 위해 위상대조 X선 이미징(PCX)과 X선 방사선 사진을 포함한 광학 측정 기법이 개발되었지만, 지금까지 분사 노즐 내부의 난류장을 측정하는 효과적인 방법은 없었습니다.

uel injection nozzle flow path diagram

노즐 흐름 경로

 

연구진은 분열 프로세스를 이해하기 위한 시뮬레이션도 연구했습니다. 분무액적 형성과정 중 액체-기체의 계면을 해석하기 위해 CFD와 레벨 셋(level set) 계면 추적 기법이 사용되었습니다. 하지만 이 기법에는 공동 유동(cavitating flow)을 처리하는 난류 모델 없이 나비에-스토크스 방정식(Navier–Stokes equations)이 수치적으로 분석되는 직접 수치 시뮬레이션(DNS)이필요했습니다. 지금의 컴퓨팅 능력으로도 DNS를 구현하기에 부족합니다. 레벨 셋(level set) 기법의 대안은 유체 체적(VOF) 기법으로, 이 방법은 계면 자체 대신 각셀의 체적분율(volume fraction)을 추적합니다. VOF는 노즐 내부의 흐름 분석에는 효과적이지만 액주의 분열과 액적 형성의 예측은 부정확합니다.

측정 및 시뮬레이션 기법의 이러한 한계 때문에 연료 분사기 설계는 여전히 대부분 '제작 후 테스트' 방법을 사용한 후에 형상의 파라미터를 최적화하는 방식에 의존합니다. 이러한 과정은 비효율적일 뿐만 아니라, 여러 형상 간의 상호 작용 및 측정 시스템의 부정확성에 민감합니다.

nozzle simulation vs. measurement

니들 밸브 개도가 크거나 작은 경우에도 둥근 분사구 노즐의 해석치과 측정된 노즐 분무 간에 강한 상관성이 존재한다는 사실은 내부 노즐 흐름 시뮬레이션의 신뢰도를 뒷받침합니다 .

 

LES를 통해 노즐 내부의 CFD 시뮬레이션 흐름 구현

Delphi는 웨인 주립 대학교(Wayne State University) 및 아르곤 국립 연구소( Argonne National Laboratory)와 협력하여 분사 과정에서 노즐 분무 가까이의 액체-기체 계면 구조의 특성을 상세하게 파악했습니다. 이와함께 Delphi는 ANSYS Fluent LES 난류 모델링 기법과 VOF 및 커플링된 VOF-레벨 셋 기법을 함께 사용하여 1차 분열과정에서 노즐 내의 다중 스케일 와류의 거동과 노즐 부근 분무의 액체-기체 계면을 동시에 분석했습니다. LES에서 대형 와류는 직접 분석되는 반면, 소형와류는 모델링됩니다. 대형와류만 분석할 경우 LES와 비교해서 LES에서 더 거친 메시와 더 큰 타임 스텝을 사용할 수 있습니다. Delphi는 이러한 방식으로 경사가 둥근 구멍 노즐과 경사가 각진 구멍 노즐, 그리고 구멍이 끝쪽에서 크게 작아져서 노즐의 유압 효율 및 분무 관성율을 높이는 고성능(HP) 미립화 구멍 노즐을 시뮬레이션했습니다.

노즐 내부의 흐름에 대한 LES 시뮬레이션은 엔지니어가 그림과 같이 서로 다른 노즐 형상이 어떻게 대조되는 결과를 낳는지를 이해하는 데 도움을 주었습니다.

노즐 설계에서 시뮬레이션의 보편화

각각의 경우에서 예측된 그리고 측정된 분무 패턴 간에 높은 연관성이 발견되어, 노즐 내부의 흐름 패턴에 대한 정확성에 높은 신뢰도를 부여합니다. 유체 흐름이 노즐 구멍에 유입되면 와류 발산이 발생하고, 나아가 이로 인해 1차 분무 분열에서 액체 표면 변형 및 인대 모양 액주 형성이 시작된다는 사실이 확인되었습니다. 이러한 발견은 기저부-주머니(seat-sac), 구멍 입구가 둥근 정도 및 가늘어지는 정도, 분무 생성 부분의 니들 모양 및 니들 리프트와 같은 노즐 설계 파라미터가 분무 형성에 미치는 영향을 설명하며, 고압 연료 분사의 1차 분열 메커니즘에 대한 새로운 이해를 제공합니다.

연료 분사를 연구하는 이들은 50년 넘게 노즐 내부의 난류와 그 난류가 분무 시뮬레이션에 미치는 영향을 이해하는 데 어려움을 겪어왔습니다. LES 시뮬레이션을 통하여 1차 분열과정의 기본적인 물리 현상과 노즐 형상이 분무 구조에 미치는 영향에 대한 엔지니어의 이해가 크게 향상되었습니다. Delphi 엔지니어는 새로운 엔진 모델에서 연료 분사 노즐의 설계 프로세스에 시뮬레이션을 적용하기 위해 노력하고 있습니다. 시뮬레이션은 엔지니어가 노즐 안에 있는 형상 파라미터의 복잡한 상호 작용을 더 잘 이해할 수 있게 해주며, 따라서 최적화 프로세스를 파라메트릭(parametric) 방식에서 지식에 기반한 방식으로 변화시킬 수 있습니다. 테스트에 필요한 샘플의 수가 줄어들고 노즐 개발에 필요한 시간이 감소하므로, 연비가좋고 배기 가스 배출이 적은 더 높은 성능의 엔진을 개발할 수 있습니다.

simulation vs. measurement for high-performance nozzle

고성능 노즐에 대하여 해석한 노즐 분무 결과가 측정된 결과와 상당히 일치합니다 .

 

rounded injection nozzle geometry

  • 노즐 부근의 분무는 큰 스케일의 일정한 표면 구조와 더 작은 스케일의 불규칙적인 구조 간의 과도적인 변동을 나타냅니다.
  • 더 약한 와류 발산(vortex shedding) 및 공동화
  • 끈 모양 구조가 분사구 배출구로 이어지는 경로에서 간헐적으로 유지됩니다.

simulation rounded nozzle

sharp-edge injection nozzle geometry

  • 분사된 연료는 노즐 배출구에 더 가까워지면서 분열되기 시작하고, 분무 형상은 더 작은 스케일 구조와 함께 더 안정화됩니다.
  • 분사구 입구의 위쪽 가장자리에서 와류 발산이 수반되는 소규모 와류와, 끈 모양 공동화가 수반되는 반대 방향으로 회전하는 끈 모양 와류 쌍(pair)
  • 발산 와류 및 공동화의 강도가 분사구 안의 끈 모양 구조를 무너뜨릴 정도로 강합니다.

simulation sharp-edge nozzle

high-performance atomization nozzle geometry

  • 적절하고 안정적인 분무 패턴 및 작은 스케일의 불규칙한 표면 구조
  • 발산 와류가 끈 모양 와류와 상호 작용하지만, 공동화가 관찰되지 않습니다.
  • 발산 와류가 파동 운동량을 생성하고, 이는 분사구 배출구를 지나 제트 변형 및 파상의 액체-기체 계면 구조를 생성합니다.
  • 발산 와류는 파동 표면 와류를 생성하며, 이는 액체와 주변 기체 간의 액체-기체 계면 상호 작용에 의해 강화되어 액적 형성을 유발합니다.

simulation high-performance nozzle

노즐 내부의 흐름에 대한 LES 시뮬레이션의 비교는 엔지니어가 서로 다른 노즐 형상이 어떻게 대조적인 결과를 낳는지를 이해하는데 도움을 주었습니다.

"Delphi Automotive Systems 엔지니어는 ANSYS CFD를 사용하여 노즐 내부 유체의 거동과 분열 과정의 특성을 파악했습니다."

참고

1. Shi, J.; Aguado Lopez, P.; Dober, G.; Guerrassi, N.; Bauer, B.; Lai, M.-C. Using LES and X-ray Imaging to Understand the Influence of Injection Hole Geometry on Diesel Spray Formation, Valencia: THIESEL 2016 Conference on Thermo- and Fluid Dynamic Processes in Direct Injection Engines, 2016.

2 Shi, J.; Aguado Lopez, P.; Guerrassi,N.; Dober, G. Understanding High-pressure Injection Primary Breakup by Using Large Eddy Simulation and X-ray Spray Imaging, MTZ Worldwide, 2017, Issue 5, p. 50–57, doi 10.1007/s38313-017-0039-4.

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