디젤-가솔린 혼합연료의 분무 및 미립화 특성에 관한 연구

Abstract

본 논문은 디젤 단공 인젝터를 사용하여 디젤-가솔린 혼합연료에서 가솔린 체적비율 변화에 따른 분무 거동 및 미립화 특성을 실험적으로 규명한 연구이다. 디젤-가솔린 혼합연료를 사용하여 연료의 혼합 안정성과 상 분리 현상을 실험적으로 관찰하고, 혼합연료의 물성(밀도, 점도, 표면장력) 및 인화점 특성을 측정하였다. 분무 거동 특성은 분무각과 분무도달거리를 분석하였고, SMD(Sauter mean diameter)와 속도를 비교ㆍ분석하여 미시적 분무특성을 연구하였다. 본 연구에서 연료의 물성(밀도, 점도, 표면장력)은 회전식 점도계 및 비중계를 사용하여 측정하였으며, 인화점 측정기를 이용하여 가솔린 혼합비율에 따른 인화점 온도를 취득하였다. 실험연료는 4가지의 혼합연료 및 단일연료(디젤, 가솔린)를 사용하였으며, 분무특성을 비교하기 위하여 상온(15~20℃) 범위를 유지하여 실험하였다. 또한, 다양한 통전기간과 분사 압력 및 분위기 압력을 통해 분사량을 측정하였으며, 분사율 측정은 장관법을 이용한 분사율 장치를 사용하여, 관내 압력변화를 측정하기 위해 최대 20MPa까지 측정할 수 있는 압력센서와 DAQ 보드를 통해 압력 및 전류신호를 취득하여 Labview 프로그램을 이용하여 분석하였다. 디젤 엔진의 연소실 조건을 모사한 고온, 고압 체임버에서 분무 발달 과정을 측정하기 위하여 고속카메라를 이용한 분무 가시화 장치를 구성하고 광원으로 2개의 메탈 할레이드 램프 이용하여 분무 영상을 획득하였다. 디젤-가솔린 혼합연료의 미시적 분무 특성은 Ar-ion 레이저를 광원으로 하는 위상 도플러 입자 분석기(PDPA, phase Doppler particle analyzer) 시스템을 이용하여 분무 액적의 크기(SMD), 축 방향의 평균속도 등을 측정하여 가솔린 혼합비율에 따른 미립화 특성의 영향을 분석하였다. 본 연구의 분석 결과 디젤-가솔린 혼합연료에서 가솔린 혼합비율에 따른 혼합 안정성은 상 분리 없이 안정적인 특성을 보였다. 또한, 가솔린 혼합비율이 증가할수록 밀도와 표면장력은 선형적으로 감소하고, 점도는 지수 함수적으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 순수디젤 연료에 가솔린을 첨가한 경우 가솔린 함량이 증가할수록 점성계수의 영향보다 낮은 밀도로 인하여 분사지연기간이 짧게 나타났으며 최대 분사율의 차이가 순수 디젤연료에 비해 낮게 나타났다. 실제 분사기간 또한 디젤연료에서 가장 긴 것으로 나타났다. 디젤-가솔린 혼합연료는 통전기간의 변화에 따라 분사량에는 큰 차이를 보였으며, 이로 인해 분무도달거리에도 가솔린 혼합비율에 따라 순수 디젤연료에 비해 낮게 나타났다. 디젤-가솔린 혼합연료의 미립화 특성은 가솔린 혼합비율에 따라 SMD가 작아지는 경향이 나타났으며, 분사압력(60MPa, 80MPa)이 증가함에 따라 SMD의 감소하는 경향을 나타냈다. 또한, 분사압력이 높아질수록 액적의 SMD가 감소됨을 알 수 있었다. 축 방향(40mm, 60mm)에 따라서 평균 입경의 차이가 크게 나타났으며. 작아진 액적의 크기는 분무 도달 시간이 길어지는데 영향을 미쳤다.