레귤레이터의 유체 체적변화와 압력 강하 상관관계 분석

Abstract

최근 미세먼지의 주요원인으로 분석되고 있는 도로 운전시 배출되는 디젤 차량의 PM, NOx 배출을 원천적으로 저감하기 위한 능동적 방안으로, 승용 디젤 대비 CO2 배출량과 석유 소비량 및 미세먼지 배출이 상대적으로 많은 대형 상용엔진(Heavy Duty Diesel Engine)에 대한 LNG-Diesel 복합연소 기술이 개발 및 적용되고 있다. LNG-Diesel 복합연소의 경우 기존 디젤엔진 대비 CO2를 5~10% 정도 저감할 수 있다. 대형 상용차량의 경우 주행거리 확보를 위해 CNG에 비해 연료저장능력이 상대적으로 높은 LNG연료탱크를 탑재하고 있으며, 기화된 천연가스의 안정적인 공급을 위해 LNG Regulator의 개발 및 탑재가 필요하다. 자동차 배출가스 환경규제(EURO-6)에 대응이 가능한 차량용 레귤레이터는 저온, 고압의 천연가스의 유량과 압력을 정밀제어 해야한다. 차량의 연료탱크에 보관되어 있는 LNG는 저온, 고압의 형태로 기화되어 차량의 부품에 작용한다. 고압의 가스에 의한 차량용 부품의 손실을 막기위해 고압의 가스를 일정한 저압의 가스로 변환하여 내부 부품에 적용할 수 있도록 레귤레이터를 사용한다. 일반적으로 시험적인 방법을 통해 레귤레이터의 성능검증을 진행하고 있으나, 개발단계의 제품의 경우 시제품의 제작과 내부 유동특성 파악에 대한 비용적, 시간적 문제가 발생한다. 이에 대한 대안으로 수치해석적인 접근법인 전산유체역학(CFD)이 사용되고 있다. 본 연구에서는 기본적인 직동식(스프링식) 레귤레이터에 동일한 유량을 공급 시 발생하는 압력강하 현상에 대해 분석하였다. 압력조절 기계의 경우 운전 특성과 환경 조건에 따라 유량과 압력 등이 달라지나, 레귤레이터는 특정 범주의 환경에서 일정한 압력을 토출하기 위해 피스톤 상/하부에 작용하는 힘과 스프링 장력 간의 상호 작용으로 피스톤의 위치를 이동시켜 압력을 유지하는 특성이 있다. 이로 인해 레귤레이터 내부의 유체 체적이 변하게 되므로 수치해석 기법을 통해 레귤레이터의 유동특성 및 내부 유체 체적변화와 압력강하의 상관관계에 대해 알아보았다. 피스톤과 피스톤 시트 사이의 간격 변화에 따라 유로 형상 및 유속이 변화하며, 내부 유체 체적이 줄어듦에 따라 압력강하가 커지는 경향을 확인하였으며 관련 상관관계식을 다음과 같이 도출하였다. Pressure Drop=8.136×10^219 e^(-0.09506×Fluid Volume)+0.05

It is an active method to fundamentally reduce the PM and NOx emissions of diesel vehicles emitted during real driving, which are recently analyzed as the main cause of fine dust. LNG-Diesel complex combustion technology has been developed and applied for relatively many large commercial engines (Heavy Duty Diesel Engine). In the case of LNG-Diesel combined combustion, CO2 can be reduced by 5-10% compared to conventional diesel engines. Large commercial vehicles are equipped with LNG fuel tanks, which have a relatively high fuel storage capacity compared to CNG, to secure mileage, and LNG regulators need to be developed and installed for stable supply of vaporized natural gas. Vehicle regulators capable of responding to the automotive emission environmental regulations (EURO-6) must precisely control the flow and pressure of low-temperature and high-pressure natural gas. LNG stored in the vehicle's fuel tank is vaporized in the form of low temperature and high pressure and acts on vehicle parts. In order to prevent the loss of vehicle parts by high-pressure gas, a regulator is used to convert the high-pressure gas into a certain low-pressure gas and apply it to the internal parts. In general, the performance of the regulator is verified through an experimental method, but in the case of a product in the development step, there are problems in terms of cost and time for manufacturing a prototype and understanding internal flow characteristics. As an alternative to this, computational fluid dynamics (CFD), a numerical analysis approach, is being used. In this study, the pressure drop phenomenon that occurs when the same flow rate is supplied to a basic direct acting (spring type) regulator was analyzed. In the case of a pressure control machine, the flow rate and pressure vary depending on the operating characteristics and environmental conditions, but the regulator is the interaction between the force acting on the upper and lower parts of the piston and the spring tension in order to discharge a constant pressure in a specific category It has the characteristic of maintaining pressure by moving the position. As a result of this, the fluid volume inside the regulator changes. Therefore, the flow characteristics of the regulator and the correlation between the fluid volume change inside the regulator and the pressure drop are examined through numerical analysis techniques. The flow path shape and flow rate change according to the change in the distance between the piston and the piston seat, and the tendency of the pressure drop to increase as the internal fluid volume decreases, and the related correlation equation was derived as follows. Pressure Drop=8.136×10^219 e^(-0.09506×Fluid Volume)+0.05