DME-LPG 혼합연료의 분무특성에 관한 연구

Abstract

본 논문은 커먼레일 분사 시스템을 이용하여 다양한 분사압력과 분위기압력의 조건에서 LPG 혼합비율에 따른 DME-LPG 혼합연료를 DME 연료와 비교하여 실험하였을 때 혼합연료의 분무특성을 실험적으로 규명하며, 거시적으로는 분무도달거리, 분무각, 분무면적을 측정하고, 미시적으로 액적의 SMD와 입자속도를 측정하였다. 본 연구의 실험은 LPG 혼합비율에 따른 DME-LPG 혼합연료의 거시적 특성을 분석하기 위해 분사량을 측정하였으며, Bosch법을 이용하여 분사율을 측정하였고, 최대 50MPa까지 가압이 가능한 고압체임버에 다양한 분사압력과 분위기압력 조건하에서 고속카메라를 이용한 가시화 실험으로부터 분무도달거리, 분무각, 분무면적 등의 거시적 특성을 분석하였다. 한편, Ar-ion 레이저를 광원으로 하는 위상 도플러 입자 분석기 (PDPA, Phase Doppler particle analyzer)를 사용하여 분무 액적 크기 (SMD, Sauter Mean Diameter), 분무 입자 속도 등을 측정하여 혼합연료의 미시적 특성을 분석하였다. 본 실험의 결과, 분사압력이 증가할수록 연료의 분사량이 증가하는 경향을 나타냈으며, LPG 연료의 혼합율이 증가할수록 분사량이 감소하는 경향을 보였다. 이는 DME 연료에 비해 LPG 연료의 낮은 밀도로 인해 LPG 연료의 혼합률이 증가할수록 분사량이 적어지는 경향을 보였다. 1.0ms의 통전기간을 주었을 때 실제 분사기간은 약 1.6~1.7ms의 분사기간을 보였으며, 분사 지연 시간은 약 0.25~0.28ms의 지연시간을 보이고 분사 압력이 증가할수록 분사 지연 시간이 짧아지는 경향을 나타냈다. DME 연료에 비해 DME-LPG 혼합연료의 분사율 곡선이 낮을 경향을 나타냈으며, 분사압력이 높을수록 그 차이가 증가하였다. 가시화 실험으로 분무 도달 거리를 관찰한 결과, 분사압력의 증가로 인한 운동량 증가와 분위기압력의 감소로 인한 주위 기체의 저항 감소로 인한 영향으로 분사압력이 증가할수록, 분위기압력이 감소할수록 연료의 분무 도달 거리가 증가하는 경향을 나타내었다. 밀도가 큰 DME 연료에 비해 DME-LPG 혼합연료의 분무 도달 거리가 짧은 경향을 보였다. 주위 기체 밀도로 인한 저항으로 분무각은 분사압력과는 무관하게 분위기압력이 증가할수록 넓은 분무각을 갖는 결과를 나타냈다. 분사압력이 증가할수록 분무면적이 분위기압력이 감소할수록 분무 면적이 증가하는 경향을 보이며, DME 연료의 분무 면적이 가장 크게 나타났다. PDPA를 이용한 미시적인 실험 결과, SOI 이후에 시간이 경과할수록 SMD가 작아지는 경향을 나타내었으며, 분사압력이 증가할수록 액적의 SMD는 감소하는 것으로 나타났다. SMD의 크기는 DME 연료가 가장 낮은 경향을 보였으며, 분무 입자 속도는 분사압력이 증가할수록 빨라지는 경향을 나타내었고, DL30의 분무 입자 속도가 가장 느리게 나타났다.