수소연료를 활용한 내연기관

 

1. Simcenter Amesim으로 로드맵 정의

  - 수소차, 수소 연료 내연기관에 대한 로드맵을 정의하기 위해 Amesim으로 적용하는 방법

 수소는 CO2배출을 방지하고 지구 온난화를 줄이는 데 유망한 차량 연료 후보입니다. 수소의 생산 및 공급을 둘러싼 많은 의문과 논쟁이 있습니다. 실제로 수소 구동 차량의 글로벌 웰투휠(Well-to-Wheel) 이점에 극적인 영향을 미칠 수 있습니다. 그러나 연료 전지 및 내연 기관에서 수소를 사용하면 다가올 규정을 충족하는 데 도움이 될 수 있으며 CO2 배출을 크게 줄여야 합니다.

 차량에 적용된 연료 전지는 자동차를 포함한 많은 운송 부문에서 실제 적용을 통해 광범위하게 연구되고 입증되었습니다. 이러한 연료 전지 파워트레인의 엔지니어링에는 Simcenter Amesim과 같은 시스템 시뮬레이션 도구가 제공하는 일부 CAE 기능이 필요합니다.

 또 다른 옵션은 디젤이나 가솔린에 사용했던 것처럼 내연 기관에서 수소를 연소시키는 것입니다. 물론 수소의 특성과 ICE에서의 사용과 관련된 H2 특유의 과제가 있습니다. 그러나 H2 엔진은 차량의 CO2 배출을 줄이는 데 효율적인 기술 솔루션이 될 수 있습니다. 무게, 비용, 범위 및 충전 시간 측면에서 전기 자동차에 비해 여러 가지 장점을 제공합니다. 또한 연료 전지 파워트레인보다 비용이 낮고 다재다능합니다 (H2 품질, 주변 조건 및 가용성에 민감하지 않음[듀얼 연료]).

 다시 한번, 이러한 기술의 가상 평가에는 일부 모델링 및 시뮬레이션 기능이 필요합니다. 이 기사에서는 Simcenter Amesim이 수소 연료 차량의 개발 및 평가를 어떻게 지원할 수 있는지 설명합니다.

2. H2 연료 내연 기관

 ICE에서 수소를 적용하면 몇 가지 명확한 이점이 있지만 몇 가지 기술적 과제로 완화됩니다.

  • 비정상적인 연소(노킹, 조기 점화, 역화)를 방지하세요.

  o NOx 후처리 시스템 정의

  o 에어 충전 시스템 적용

  o 저장 시스템 정의

  o 전담 안전 개념 구현

  o 내구성을 보장하다

1) 수소 저장 및 배송

 주입 시스템 및 인젝터를 통한 수소 저장 및 전달은 구체적입니다. H2는 실제로 고압 탱크(300-700bar)에 가스로 저장되고 인젝터는 일부 H2 특정 요구 사항을 준수해야 합니다(예: 인젝터 노즐 역류 방지). 이 시스템은 시스템 시뮬레이션을 사용하여 모델링할 수 있으며 Simcenter Amesim에서 가스 및 액체 주입에 대해 입증된 기능은 H2 애플리케이션별 구성 요소 및 시스템 개발에 도움이 될 수 있습니다.

2) 수소연소

 수소의 연소 과정은 가솔린/디젤과 상당히 다릅니다. 이는 주로 H2의 특성과 속성 때문입니다. 밀도와 발열량이 낮고 확산성이 높으며 가연성 한계가 넓습니다. 높은 층류 화염 속도와 같은 일부 측면은 높은 효율(및 특정 전력)에 유리하지만 다른 특성은 비정상적인 연소(노킹 민감도) 및 오염 물질(NOx, 그을음) 생성과 관련된 몇 가지 과제로 이어집니다.

 Simcenter Amesim은 크랭크 각도 기반 접근 방식에서 더 간단한 평균값 엔진 및 맵 기반 접근 방식에 이르기까지 엔진 시뮬레이션을 위한 대규모 모델을 제공합니다. H2 애플리케이션은 IFP Energies Nouvelles에서 개발한 현상학적 스파크 점화 연소 모델 CFM1D (1) 를 기반으로 구축된 이 제안의 이점을 누릴 수도 있습니다.

 실제로 CFM1D는 더 높은 층류 화염 속도와 종 확산의 영향(화염 주름에 대한 공식을 업데이트하여 모델링)을 고려하는 적응형 모델링 접근 방식으로 수소 연소를 시뮬레이션할 수 있는 완벽한 역량을 갖추고 있습니다. 따라서 이 모델은 다양한 작동 조건과 속도, 부하, 당량비의 변화를 처리할 수 있습니다.

수소 연소에 대한 공연비의 영향

3)공기 경로의 적응

 수소 연료 ICE의 공기 경로 설계는 주로 분사 유형(직접 또는 포트 연료)과 엔진이 작동하는 풍부함(대부분 "희박")과 관련이 있습니다. 공기 충전 및 "부스트" 요구 사항은 다른 스파크 점화 응용 프로그램보다 상당히 높을 수 있습니다. 그러나 SI 및 CI 엔진 공기 경로 개발에 적용된 방법론과 도구는 여전히 적용 가능합니다. Simcenter Amesim은 전기 지원 터보차징 시스템을 평가하여 뛰어난 과도 응답과 결합된 높은 수준의 부스트를 보장할 수 있는 가능성을 제공합니다.

4) H2 ICE 배출 및 후처리

 수소 연소는 본질적으로 CO2 배출을 생성하지 않으며, 이는 핵심적인 이점입니다. 그러나 H2 연료 엔진은 오염 물질이 없는 것은 아닙니다. 실제로 특정 조건에서는 소량의 NOx가 형성될 수 있으며 희박 연소로 부분적으로 완화될 수 있습니다. 그러나 점점 더 엄격한 규제로 인해 잔류 NOx는 배기에서 전용 변환 시스템에서 처리해야 합니다. 선택적 촉매 환원은 수소 ICE에서 NOx를 제거하는 데 가장 적합한 접근 방식으로 보입니다. 공동으로 불리는 H2 SCR은 H2 희박 연소 엔진의 배기에서 발견되는 강한 산화 조건에서도 어느 정도 잠재력을 보여줍니다. NH3 SCR(Adblue 포함)은 단기적으로 더 실용적인 옵션입니다(디젤 또는 희박 가솔린 연소의 경우와 마찬가지로).

 H2 연소 중에도 화염과 벽 사이의 긴밀한 상호 작용으로 인해 일부 그을음이 형성될 수 있습니다. 따라서 라이너와 틈새에 쌓인 오일은 연소되어 입자상 물질을 생성할 수 있습니다.

 Simcenter Amesim에서 ATS(After Treatment System)를 시뮬레이션하기 위해 개발된 모델링 접근 방식과 방법론은 H2 애플리케이션에 대해 여전히 완전히 유효합니다. 물리적 접근 방식을 기반으로 모놀리스 및 필터 모델은 동급 최고의 시뮬레이션 시간을 제공합니다. 이를 통해 오프라인(모델 또는 소프트웨어 인 더 루프) 또는 실시간(하드웨어 인 더 루프)으로 제어 전략에 연결된 더 광범위한 파워트레인 모델에 통합할 수 있습니다.

 동역학 체계의 유연한 모델링 접근 방식은 일반적인 모노리스 모델을 H2 특정 반응 및 촉매에 쉽게 적용할 수 있도록 합니다. 이는 후처리 시스템 모델 설정 및 검증을 지원하는 선반 도구로 처리할 수 있습니다.

Simcenter Amesim 배기 교정 도구

3. 시스템 통합

1) 차량 레벨에서의 분석

 주어진 구성 요소 또는 하위 시스템에 대한 모델링 기능을 넘어 시스템 시뮬레이션은 차량 수준에서 분석을 제공하는 데 가장 적합한 접근 방식을 제공합니다. 예를 들어 Simcenter Amesim은 전반적인 그림을 지원하고 H2 소비량 및 차량 범위, 성능 또는 주행성을 포함한 차량 속성을 평가할 수 있도록 합니다.

2) 컨셉 단계 분석

 기본적으로 H 2 내연 기관은 "기존" 파워트레인의 핵심 구성 요소가 될 수 있습니다. 하이브리드 구성에서 전기 모터와 결합될 수도 있습니다. 물론 이 옵션은 차량의 무게와 복잡성, 비용을 증가시킵니다. 그러나 수소 연료 ICE는 제로 에미션 차량이 아니며 ICE가 금지된 도시에 진입하기 위해 전기 모터와 결합될 수 있습니다. 이러한 종류의 고수준 분석은 Simcenter Amesim의 하이브리드 최적화 도구 내에서 효율적으로 수행할 수 있습니다. 분석을 시작하기 위해 포괄적인 데이터 세트를 얻을 필요가 없습니다. 간단한 기능적 특성만으로도 개념 연구를 실행하고 전기화된 H 2 파워트레인의 연료 소비/범위 측면에서 잠재력을 확인하기에 충분합니다. 일반적으로 H2 ICE와 FCV 간의 비교는 이러한 도구에서 수행될 수 있으며, Proof-Of-Concept 연구에 필요한 모든 다양성을 제공합니다. 

Simcenter Amesim Hybrid Optimization Tool의 수소 연료 차량 3가지 변형

3) 차량 개발 및 평가를 위한 종합 모델

 더 낮은 수준에서 조사를 계속하기 위해 Simcenter Amesim을 사용하면 사용 사례에 따라 적절한 모델링 복잡성과 함께 하위 시스템 물리적 모델을 결합하여 다양한 시나리오에서 속성 평가를 지원할 수 있는 제어 및 미션 프로필/드라이버 모델을 사용할 수 있습니다. 

4) "올바른" 모델링 수준 적용

 예를 들어, 실린더 내 프로세스와 수소 연소/오염 물질 형성에 대한 자세한 분석에 사용되는 고성능 엔진 모델은 낮은 순서 모델로 유익하게 축소될 수 있습니다. 대규모 시나리오(예: 자동차의 실제 주행 배출량, HD 트럭의 장거리 경로) 또는 복잡한 시스템 교차 결합 평가의 빠른 분석에 더 잘 적용될 수 있습니다.

 내연 기관의 시뮬레이션을 위해 개념의 실제적인 예를 제공합니다. 실제로 엔진에 대한 모델 규모를 사용할 수 있습니다. 모든 차량 하위 시스템에 사용할 수 있습니다. 다시 한 번, 더 간단한 모델링 접근 방식으로의 이러한 축소는 일부 구성 요소 기능 및 동작 속성을 보존하면서 더 나은 계산 성능을 제공합니다.

엔진 모델 축소 워크플로

 연소 제어 전략이 열 방출과 NOx 배출에 미치는 영향에 대한 세부 사항을 연구할 때 크랭크 각도 기반 접근 방식이 전적으로 필요합니다. 실린더 내 압력과 그에 따른 순간 토크 생성을 시뮬레이션하는 것도 파워트레인 수준에서 주행성 또는 NVH 연구에 대한 강력한 요구 사항입니다.

 반면, 공기 충전 시스템과 그 제어에 초점을 맞출 때 평균값 엔진 모델은 공기 경로 시스템의 물리적 모델과 실린더 내 프로세스 효율성을 설명하는 대리 접근 방식을 연결하기 때문에 확실히 충분합니다. 기본적으로 MVEM은 터보 래그와 매니폴드 비우기/채우기를 포착할 수 있으며 CPU 성능과 정확도 간에 좋은 균형을 제공하며 차량 수준의 분석에 잘 적응됩니다.

 각 하위 시스템에 적합한 모델링을 사용하면 충실도와 CPU 성능 간의 최상의 균형을 제공하는 "올바른" 차량 모델을 정의할 수 있습니다.

5) Supervisor and control models

 마지막으로, 시스템 통합은 하위 시스템 상호 작용과 제어와의 연결의 중요성을 강조합니다. 플랜트 모델과 "제어"를 결합하는 일부 기능은 필수입니다. 차량 제어 모델(전용 제어 라이브러리, ECMS)을 설정하는 기본 Simcenter Amesim 기능 외에도 소프트웨어는 Simulink와의 가져오기/내보내기 및 공동 시뮬레이션을 제공합니다. 또한 HiL 환경에서 차량 물리적 모델을 적용하고 ECU/VCU 검증 및 사전 교정을 지원할 수 있는 모델 내보내기 기능도 제공됩니다. 이기종 시뮬레이션을 향한 산업 추세에 따라 Siemens 플랫폼은 기능적 모형 단위를 처리하는 모든 기능을 제공하여 시스템 시뮬레이션에 대한 실제 요구 사항을 충족합니다.