Numerical Modeling of Spray Combustion Processes and Pollutant Formation in the DME Fueled Diesel Engines

Abstract

최근 차세대 연료로 주목받는 바이오디젤, 알코올, 천연 가스, 수소, 함산소 연료 또는 그 혼합물 등과 같은 대체 연료를 적용한 청정 연소 시스 템을 개발하려는 많은 연구 활동이 지속적으로 이루어지고 있다. 디젤 엔진 의 연소 과정에서 soot과 질소산화물(NOx) 배출을 줄이고, 공해물질 배출특 성을 획기적으로 개선하기 위해서는 방향족 성분과 함산소 성분을 적절히 구성하여 최적의 휘발성 및 점화특성, 그리고 연소 특성을 가지는 연료를 조성할 필요가 있다. 이러한 함산소 연료 중에 가장 간단한 에테르계 연료 인 디메틸에테르는 soot의 배출을 현저히 저감시킬 수 있는 특성으로 차세 대 청정디젤연료로 주목 받고 있다. 그러나 디메틸에테르는 액체의 증발특 성, 점화, 상대적으로 높은 증기압, 세탄수, 산소원자의 함유 특성, 상대적 으로 낮은 열발생율과 밀도 등의 특성에 의해 일반적인 탄화수소계 디젤 연 료와 분무 연소 특성은 크게 차이를 보일 것으로 예상된다. 일반적으로, 엔 진에서 DME 연소과정에는 액체 연료 분무 미립화, 연료 액적의 증발, 연료 증기와 공기의 혼합, 연료 증기의 자발화, 난류 유동과 화학반응의 상호 작 용 등 매우 복잡한 물리적 과정을 수반하고 있다. 본 연구에서는 고압의 조건에서 분무의 침투길이 등의 특성, 증발과정, 연료 분무의 자발화 등을 수치적으로 해석하는 것을 주 목표로 하고 있다. 분무 연소가 포함된 물리적 과정을 실제 현상과 동등하게 해석하기 위해 분 무 파열 모델, 확률적 액적 추적 모델, 액적 충돌 모델, 고압 증발 모델 그 리고 상세 화학 반응을 포함한 flamelet 모델 등을 적용하였다. 고압 증발 모델은 고온 고압의 환경에서 증발하는 액적을 실제와 유사하게 계산하기 위하여 과도 액적 가열 현상, 액적 내부의 유동, 강제 열전달, Stefan 유동, 실재 가스의 효과, 그리고 주위 기체의 액적 내부로의 용해 등을 고려하였 다. 또한 복잡한 화학 반응과 난류 유동의 결합을 다루기 위해서 Representative Interactive 화염편 (RIF) 모델을 사용하였다. 스칼라 소산 율의 공간적 불균일성을 해결하기 위해서는 여러 개의 RIF로 해결하였다. RIF가 적용된 난류 연소 모델에, 분무 증발에 의해서 혼합분율 변동 및 PDF 모델에 영향을 미치는 것도 고려하였다. 본 연구에서는 저온/고온 자발화, 연료 분해와 연료 산화를 포함하는 상세 화학 반응식을 이용하였다. 이와 같이 개선된 분무 연소 모델을 디젤엔진 유사조건 및 직분식 디젤 엔진에서 일어나는 분무 동특성, 증발, 자발화 및 연소 과정을 수치적으로 수행하는 데 적용하였다. 본 연구에서, 디메틸에테르 연료와 탄화수소계 연료와의 연소 특성의 차이를 고찰하고, 디메틸에테르의 분무 연소특성을 이해하기 위하여, 연구 의 전반적인 분석은 디메틸에테르와 헵탄 연료의 비교를 통해 체계적으로 이루어졌다. 헵탄과 디메틸에테르에 대해서 수치해석 결과를 바탕으로, 고 압 상태에서의 상평형 특성, 증발 잠열, 단일 액적의 증발 특성 등에 대해 상세한 고찰이 이루어졌고, 균일 혼합물 조건 및 분무 제트 조건에서의 자 발화 및 연소 특성, 화염의 구조, 난류 유동 및 화학 반응의 상호 작용, 공 해물질 생성 특성 등에 대해서도 자세히 살펴보았다.; Recently, there have been many ongoning research activities to develop the next generation clean combustion system by utilizing the alternative fuels such as bio-diesel, alcohols, natural gas, hydrogen, and oxygenated fuel or their mixtures. In combustion process of diesel engine, it is quite desirable to utilize the liquid fuel which has optimum volatility, ignition, and combustion characteristics by composing aromatic and oxygenated components properly to decrease soot and NOx emission as well as to improve pollutant emission characteristics epochally. Among these oxygenated fuels, the simplest ether fuel, Dimethyl ether (DME) is often regarded as the next generation fuel because of its superior soot emission characteristics. However, DME has the distictly different spray combustion characteristics from the conventional hydrocarbon liquid diesel fuels in terms of evaporation, ignition, relative high vapor pressure, cetane number, oxygenate ingredient and relatively low heat release rate and liquid density etc. In general, the DME spray combustion in the internal combustion engines involve the complex physical processes such as the atomization of the liquid fuel, and the evaporation of the fuel droplets, the mixing of fuel and air, auto-ignition of fuel vapor, and turbulence-chemistry interaction. The present study is mainly aiming at numerically simulating the spray dynamics, vaporization, and auto-ignition of fuel sprays in high-pressure environment. To realistically represent the physical processes involved in the spray combustion, the present study employs the KH-RT breakup model, the stochastic droplet tracking model, collision model, high-pressure evaporation model, and transient flamelet model with detailed chemistry. The present high-pressure evaporation model can account for transient liquid heating, circulation effect inside the droplet, forced convection, Stefan flow effect, real gas effect, and ambient gas solubility in the liquid droplets in high-pressure conditions. The coupling between complex chemistry and turbulence are treated by employing the Representative Interactive Flamelet (RIF) Model. The spatial inhomogeneity of the scalar dissipation rate is treated by the multiple RIF procedure. Moreover, the spray vaporization effects on the mixture fraction fluctuations and the pdf model are included the present RIF-based turbulent combustion model. The chemistries used in this study are based on the detailed chemical mechanisms which includes low and high temperature auto-ignition, fuel decomposition, and fuel oxidation. This improved spray combustion model has been applied to simulate the spray dynamics, vaporization, auto-ignition, and combustion process in the high-pressure diesel-like conditions and the direct injection diesel engines. In the present study, in order to understand the overall spray combustion characteristics of DME fuel as well as to identify the distinctive differences of DME combustion processes against the conventional hydrocarbon liquid fuels, the sequence of the comparative analysis have been systematically made for DME and n-heptane liquid fuels. Based on numerical results, the detailed discussions are made in terms of the phase equilibrium characteristics, the enthalpy of vaporization, the evaporation characteristics of single droplet at high-pressure, combustion processes, ignition characteristics of homogeneous mixtures and spray jets, flame structure, turbulence-chemistry interaction, and pollutant formation encountered in the n-heptane and DME spray combustion processes.