불꽃점화 엔진에서 노킹 방지를 위한 이소옥탄-에탄올 혼합 연료의 점화지연 특성에 관한 실험적 연구

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 기계항공공학부, 2013. 2. 송한호.다운사이징과 온실가스 배출저감은 21세기 자동차업계의 가장 큰 관심사들 가운데 하나이다. 이를 위해서 노킹과 같은 기술적 문제에 대한 해결이 필요하다. 이에 관련하여 일반적으로 노킹을 방지하는데 도움이 된다고 알려진 에탄올을 가솔린의 모사연료인 이소옥탄과 혼합하여 급속압축장치(RCM)을 이용하여 여러 가지 조건에서의 점화지연을 측정하였다. 또한 실험결과의 분석을 위해 화학 반응 모델을 이용하였다. 연구 결과 800–840K 의 온도 영역에서는 에탄올의 포함 여부가 점화지연을 길어지게 하는 주요 원인으로 밝혀졌다. 반면에 850–880K 의 온도 영역에서는 에탄올의 존재가 큰 변화를 나타내지 않았다. 또한 두 경우 모두 혼합 연료 중 에탄올의 함량이 50% 이상인 경우 비슷한 경향을 나타냈다. 실험 결과를 분석해 보면, 에탄올의 초기 화학 반응이 어떻게 진행되느냐에 따라 전체적인 혼합 연료의 점화 지연 경향이 결정된다는 것을 알 수 있다. 그러나 화학 반응 모델의 불완전성을 발견할 수 있었으며, 이에 대한 추가적인 개선을 통해 실험 결과를 더 잘 재현할 수 있을 것으로 기대된다.Downsizing and greenhouse gas reduction are the primary interests of automotive industry for the 21st century. These trends face with technically challenging problems, and knock or knocking is one of them. In relation to knock phenomenon study, ignition delays of isooctane-ethanol blend fuel under various conditions are measured by using a rapid compression machine and experimental results are analyzed by chemical kinetics. Results show that ignition delay tends to be considerably longer with the addition of ethanol into isooctane under 800–840 K region, but this characteristic of ethanol as a reaction-delaying agent diminishes as various blends show similar reactivity under 850–880 K region. In addition to that, there is no significant difference of test results when ethanol content in blended fuel is more than 50 %. Analyses on these cases show that different reaction pathway of ethanol under the test conditions is a key in understanding experimental results, nevertheless additional work to the kinetic models would fairly improve the accuracy of computational studies to a certain extent.Abstract Contents List of Tables List of Figures 1. Introduction 1.1 Downsizing and Greenhouse Gas Reduction 1.2 Engine Knock 1.3 Octane Number 1.4 Objectives 2. Modeling Descriptions 2.1 Two-zone Model of Spark-Ignition Engine 2.2 Ignition Delay 2.3 Chemical Kinetics Mechanism 3. Experimental Setup 3.1 Rapid Compression Machine 3.2 Pressure Data Processing 4. Results and Discussion 4.1 Experimental Results 4.2 Chemical Kinetics Modeling Analysis 4.3 Limitations and Future Works 5. Conclusions References Abstract (in Korean)Maste

NTC 영역을 포함한 엔진 운전에서 냉염 배제법에 의한 노킹 예측모델 개발에 관한 모델링 및 실험적 연구

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 기계항공공학부, 2017. 2. 송한호.Livengood-Wu 점화지연 적분 모델은 불꽃점화 엔진의 노킹 시점을 예측함에 있어서 매우 간결하면서도 상당히 높은 예측 정확성을 갖는 방법으로 지난 수십 년간 널리 사용되어왔다. 이 모델의 기저에는 임의의 열역학적 상태에 대하여 연료의 화학적 반응성은 그 때에 얻어지는 점화지연의 역수로써 대표할 수 있다는 생각이 내재되어 있다. 그러나 최근 들어 특정한 반응 경향을 나타내는 연료의 경우 Livengood-Wu 모델의 예측 정확성이 크게 떨어진다는 사실이 알려지고 있다. 이는 대부분 온도 범위에 따라 서로 다른 화학적 반응 경로를 갖는 연료가 2단점화 양상 및 그에 의한 negative temperature coefficient (NTC) 특성이 있는 경우임이 밝혀지고 있는데, 이 모델의 예측 정확성을 떨어뜨리는 주요한 원인 중 하나로서 냉염이 발생하는 1차점화 구간에서 냉염에 의한 발열 및 이에 따른 온도상승이 지목되었다. 따라서 이와 같은 냉염의 온도상승 효과를 가능한 한 억제한 상황에서 구해진 새로운 점화지연의 개념을 정립하고 이를 냉염 배제법이라 명명하였다. 본 학위논문에서는, 최근의 다운사이징 과급운전 경향을 반영한 불꽃점화 엔진 시뮬레이션을 활용하여 엔진 미연소 혼합기의 자발화에 의한 노킹 발생에 대해 분석하였다. 이 때 연료로 이소옥탄을 사용하였으며, 여기에서 이소옥탄은 가솔린 모사 연료의 주요한 구성성분 중 하나이며 동시에 엔진 운전조건과 깊이 관련된 열역학적 상태에서 NTC 특성이 잘 나타나는 연료이다. 그리고 냉염효과가 그대로 반영된 점화지연 값들을 사용한 경우와 냉염배제법에 의한 새로운 점화지연 값을 사용한 Livengood-Wu 적분 결과를 비교 제시하였다. 그 결과 냉염의 온도상승 효과를 배제한 경우에 노킹 시점 예측성능이 크게 개선되는 것을 확인하였으며 냉염 배제법의 타당성을 화학반응론적 분석기법을 사용하여 검증하였다. 그와 더불어, 냉염효과가 배제된 새로운 점화지연의 관계식을 구하는 방법론을 제시하고 계산적 방법과 실험적 검증을 동시에 진행하였다. 이 때 실험은 엔진 미연소 혼합기의 상태변화를 모사할 수 있는 급속압축장치 (rapid compression machine)를 사용하였다. 여기에서 구한 새로운 관계식을 기존에 널리 알려진 다른 관계식과 비교해 본 결과, 기존의 실험 조건이 현대적인 엔진의 다운사이징 및 과급운전 경향을 효과적으로 재현하기 어렵다는 점이 확인되었다. 따라서, 최신 엔진 운전조건을 반영할 뿐 아니라 연료의 화학적 반응성 특성도 함께 고려한 새로운 점화지연의 관계식을 사용하는 것이 보다 향상된 노킹 예측 성능을 나타낼 수 있다는 점에 주목할 필요가 있다.Livengood-Wu integration model is acknowledged as a relatively simple but fairly accurate autoignition prediction method which has been widely recognized as a methodology predicting knock occurrence of a spark-ignition (SI) engine over years. Fundamental idea of the model is that the chemical reactivity of fuel under a certain thermodynamic state can be represented by a reciprocal of the acquired ignition delay. However, recent studies show that the predictability of the model seems to deteriorate if the tested fuel exhibits negative temperature coefficient (NTC) behavior, which is primarily caused by two-stage ignition characteristics of certain types of fuel with peculiar reaction chemistry. It is convincing that the cool flame exothermicity during the first ignition stage is a major cause that limits the prediction capability of the integration model, therefore a new ignition delay concept based on cool flame elimination is introduced in order to minimize the thermal effect of the cool flame. In this dissertation study, knock occurrence of iso-octane fuel in a boosted SI engine simulation is investigated considering the downsizing trend of contemporary SI engines. Iso-octane is selected for its role as a major component of surrogate gasoline, i.e. primary reference fuel (PRF) as well as its NTC behavior relevant to the engine situation, in accordance with its autoignition characteristics by comparing the Livengood-Wu integration results while providing both the cool-flame affected and eliminated ignition delay data. Results show that the predictability of the model is fairly improved by minimizing thermal contribution of the cool flame phenomenon and its validity is also investigated by chemical kinetic analysis. Along with that, cool-flame eliminated ignition delay correlation is newly suggested and tested with both computational and experimental approach, the latter designed and conducted by rapid compression machine (RCM) test to reproduce the thermodynamic history of the engine unburned gas effectively. From experimental results, it is also found that traditional ignition delay correlation is inadequate to utilize for knock prediction in modern downsized and boosted SI engines, whose operating condition is now apart from traditional anti-knock grading methods, thus it is suggested that ignition delay correlation be evaluated considering relevant operating region of modern SI engines and fuel reactivity characteristics as well.Chapter 1. Introduction 1 1.1 Technical developments and challenges in future spark-ignition (SI) engine 1 1.2 Autoignition of fuel-air mixture and knock 4 1.3 Autoignition prediction method – Livengood-Wu integration model 6 1.4 Literature review 9 1.5 Objectives of this study 14 Chapter 2. Modeling 16 2.1 SI engine model 16 2.1.1 Modeling details 19 2.1.2 Autoignition of the unburned gas and knock 25 2.2 Ignition delay calculation from constant volume reactor model 28 Chapter 3. Computational results 32 3.1 SI engine simulation results 32 3.1.1 Unburned gas profiles and inconsistence of Livengood-Wu model 32 3.1.2 Engine operating conditions relevant to cool-flame appearance 39 3.2 Constant volume reactor model results 40 3.2.1 Two-stage ignition behavior in the NTC region 41 3.2.2 Single stage ignition behavior in the post-NTC region 45 3.3 Integration of reaction chemistry and its contribution to the overall reactivity 46 3.3.1 Comparison of original and integrated ignition delay 46 3.3.2 Time reduction by integrated reaction chemistry 48 3.3.3 Reaction pathway of iso-octane oxidation in different temperature range 51 3.4 Cool flame elimination method 53 3.4.1 Accuracy of Livengood-Wu integration for an exemplary non-NTC fuel 53 3.4.2 Cool flame elimination by modulating heat capacity of nitrogen 55 3.4.3 Improvements to Livengood-Wu integration by cool flame elimination 57 3.4.4 Validity of cool flame elimination method 58 3.4.5 Another method from the reaction mechanism perspective 62 Chapter 4. New ignition delay correlation 64 4.1 Cool flame elimination by heat capacity modulation 64 4.2 Chemical kinetic analysis of cool-flame eliminated ignition delay 68 4.2.1 Reaction pathway analysis 68 4.2.2 Reaction pathways of heat capacity modulated two-stage ignition 69 4.3 Cool flame elimination by empirical correlation 78 4.3.1 RCM modeling details 78 4.3.2 Thermodynamic history of reactant in RCM 80 4.3.3 Empirical correlation by Livengood-Wu integration 82 4.4 Comparison of kinetics-based and correlated ignition delays 87 4.4.1 Traditional ignition delay curves 87 4.4.2 Livengood-Wu integration by each ignition delay 90 Chapter 5. Experimental validation 94 5.1 Designing appropriate experiment for validation 94 5.2 RCM characteristics 95 5.2.1 Test procedure 95 5.2.2 Data processing 101 5.3 Experimental results and analysis 104 5.3.1 Target test conditions along with the purpose of this study 104 5.3.2 Results from repeated experiments and deriving correlation 107 5.3.3 Comparison with other experimental correlation 110 Chapter 6. Conclusions 114 6.1 Modeling results 114 6.2 Experimental results 116 6.3 Future works 116 References 118 Abstract (in Korean) 124Docto