대형 LPG 엔진의 성능 예측을 위한 1차원 수치 해석 모델 개발

Abstract

전 세계적인 환경 문제에 대응하기 위하여 수송 수단의 연비를 향상시키고 배기 오염 물질을 감소시키기 위한 내연기관 차량의 개선 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 중대형 상용 차량이나 선박 등의 경우, 디젤 엔진을 주로 사용하며 운행 시 배출되는 입자상 물질이나 질소산화물과 같은 유해 물질로 인한 환경 문제가 대두되고 있다. 이러한 문제에 대한 대응책으로 기존의 디젤 엔진 시스템을 CNG나 LPG 등과 같은 대체 연료를 사용하는 시스템으로 개조하는 연구가 진행되고 있다. 엔진을 개발하는데 있어서 효율적인 방식으로는 최신 컴퓨터 및 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하는 방법이 주목을 받고 있으며, 엔진 시뮬레이션 모델링을 활용하면 개발 기간이 빠르며 시간과 비용이 절감되는 장점이 있다. 본 연구에서는 AMESim 1-D 시뮬레이션 툴을 활용하여 대형 LPG 엔진을 개발하기 이전에 시뮬레이션 해석을 통하여 엔진의 전반적인 성능을 파악하기 위한 사전 작업을 진행하였다. AMESim을 통하여 터보차저 시스템이 적용된 V12 LPG 엔진 모델을 설계하였으며, 해석을 위하여 엔진 구성품의 형상에 대한 파라미터를 각 구성품에 적용하였다. 또한 모델의 타당성을 확인하기 위하여 단기통 자연 흡기 방식의 엔진 모델을 먼저 구성한 이후 실린더 개수를 늘려 자연 흡기 V12 엔진 모델의 성능을 확인하였다. 각 모델의 타당성을 확인한 후, 최종적으로 터보차저 시스템을 적용하여 목표하는 개발 대상 LPG 엔진 모델을 구성하였다. 본 연구에서는 개발 대상 LPG 엔진의 성능을 예측하기 위하여 공기-연료 당량비인 λ에 따른 성능을 비교 평가하였다. 평가 항목으로는 BMEP, 토크, 연소 압력, 흡입 부스트 압력, 열교환기 냉각 방열량을 선정하였다. BMEP, 토크 및 연소 압력은 최적의 점화 시기인 MBT를 찾기 위하여 각 점화 시기 및 λ에 따른 성능을 비교 평가 하였으며, 각 λ에 따라 흡입 부스트 압력 및 열교환기 냉각 방열량 성능을 예측하였다.