디젤엔진 대체연료의 미립화 및 배출물 저감 특성에 관한 연구

Abstract

본 논문에서는 디젤 및 대체연료들의 분무와 미립화 및 연소와 배출물 특성을 실험과 해석적으로 연구하였으며, 디젤의 대체연료로는 강화되는 환경규제를 만족시키기 위한 함산소 연료인 바이오 디젤과 dimethyl ether (DME) 연료의 분무특성을 디젤연료와 비교하였다. 특히, DME 연료를 압축 착화 엔진에 적용하여 대체연료로서의 적용 가능성과 디젤 연료와의 연소 성능과 배출물 특성에 관하여 실험 및 이론적으로 비교 분석한 연구이다. 대체연료와 디젤연료의 분무 및 미립화 특성을 비교 분석하기 위하여 다양한 분사 및 분위기 조건하에서 실험 및 해석적 연구를 진행하였다. 또한, 가시화 장치를 통하여 얻어진 이미지로부터 거시적 특성인 분무도달거리, 분무각, 분무면적, 광도 분포등을 분석하였다. 측정 위치에 따른 평균 분무 입경 (SMD), 시간에 따른 평균 분무 입경 같은 미립화 특성은 액적 측정 장치 (PDPA)를 통하여 측정하여 비교하였다. 연소실 형상에 따른 디젤과 DME 연료의 분무 특성을 분사 위치, 분위기 압력 등 다양한 조건에서 실험하였으며 증발 특성은 해석적 연구를 통하여 수행하였다. 가시화 장치를 통하여 연소실 형상 내에서의 분무 특성을 비교하였으며 다양한 연소실 형상의 3차원 격자를 생성하여 디젤과 DME연료의 증발특성을 해석하였다. 분무 및 미립화 특성뿐만 아니라, 디젤과 DME 연료의 연소 성능 및 배출물 특성을 연구하기 위하여 실험 및 해석적 연구를 수행하였다. 해석결과의 검증을 위한 실험은 커먼레일 분사장치를 통하여 연료를 분사하는 단기통 디젤 엔진을 사용하였다. 또한, 해석적 연구를 위하여 복합 액적 분열 모델을 사용하여 분무 특성을 해석하고 자착화 모델과 연소모델을 적용하여 해석하였다. 이외에도 KIVA코드와 Chemkin solver를 결합시켜 연료의 산화과정을 해석하였다. 배출물 특성을 분석하기 위하여 다양한 질소산화물과 수트 형성 모델들을 적용하여 예측하였다. 이러한 연소 및 배출물 형성 메커니즘을 이용하여 다양한 엔진 운전조건들이 디젤과 DME 연료에 미치는 영향을 규명하고자 하였다. 디젤과 대체연료의 분무 및 미립화 특성과 연소 및 배출물 특성을 연구한 결과, 대체연료의 실험적 분무 특성과 해석결과는 대체로 일치하는 경향을 보여주었다. 또한, 바이오 디젤의 거시적 특성들은 디젤과 유사한 분무 특성을 보여주었으며 DME의 축 및 반경방향의 평균입경의 크기는 디젤과 바이오 디젤에 비하여 작은 값을 보여주었다. 따라서, DME 연료의 미립화 성능은 동일한 분사조건에서 우수한 것으로 나타났다. 이는 DME 연료가 디젤과 바이오 디젤에 비하여 매우 낮은 점도와 표면장력 그리고 높은 휘발특성을 가지기 때문인 것으로 판단된다. 분위기 압력하에서의 분무 특성은 분위기 압력이 증가하면 분무 도달 거리와 분무면적이 감소하였다. 게다가, 분무 중심에서는 높은 광도 특성을 나타내었다. 이는 분사된 액적들이 중심 부근에 밀집되어 있기 때문으로 판단된다. 연소실 형상에 따른 분무 특성에서 해석결과의 분무 도달 거리는 실험결과와 대체로 일치하는 결과를 보여주었으며, DME 연료는 디젤에 비하여 동일 분사 조건에서 빠른 증발 특성을 보이는 것으로 나타났다. 디젤연료의 연소 및 배출물 특성에서는 연소 압력과 열발생율의 실험결과와 예측된 결과와 유사한 패턴을 보여주었다. 분사시기가 지연될수록 질소산화물은 감소하는 것으로 나타났으며 분사량이 증가할수록 질소산화물과 soot의 양은 증가하는 것으로 나타났다. DME 연료의 연소 및 배출물 특성에서도 역시 상세화학반응식을 통한 예측된 연소특성은 실험결과와 유사한 경향을 보이는 것을 나타났다. 또한, 실험결과에서는 분사시기가 지연 될수록 질소산화물과 이산화탄소의 배출물은 증가하였으며 이러한 경향은 해석결과에서도 나타났다. 디젤과 DME 연료의 최적 운전조건을 도출하기 위하여 유전알고리즘을 통하여 비교 분석하였다. 분사시기, 당량비, 분사압력, 분무각등을 변수로 설정하여 연료소비율과 배출물을 기준으로한 함수로 평가하였다. 해석결과로부터 디젤과 DME 연료 모두 향상된 결과를 도출하였다. 디젤의 경우에는 분사압력과 당량비의 증가 그리고 DME 연료의 경우에는 당량비의 증가율이 클수록 좋은 연료 소비율과 낮은 배출물 특성을 가지는 것으로 나타났다. 이상의 연구의 결과로부터 디젤과 대체연료들의 분무-미립화 특성은 연료 공급 및 분사 장치를 설계하는 데에 기본적인 자료로 활용될 것으로 사료된다. 또한, 디젤 및 DME 연료의 연소 및 배출물 특성은 대체연료를 압축 착화 기관에 적용할 경우에 연료 소비를 줄이면서 배기배출물을 저감시킬 수 있는 최적의 운전 조건 및 엔진 및 연소실 설계시에 중요한 자료로 활용될 것으로 기대된다.; In this work, experimental and numerical investigations on the spray-atomization and combustion-emission characteristics of diesel and alternative fuels such as biodiesel and dimethyl ether (DME) were performed under various operating conditions for the evaluation and comparison of atomization and combustion performance in a compression ignition diesel engine. The experimental and numerical analysis of the macroscopic and microscopic spray characteristics of diesel and alternative fuels such as biodiesel, DME fuels in the common-rail injection system were investigated under various injection and ambient conditions. The spray images were analyzed using a visualization system. In addition, a high pressure chamber that can withstand a pressure of 4 MPa was used for adjusting the ambient pressure. From the spray images, spray characteristics such as the spray tip penetration, cone angle, spray area, and contour plot at various light intensity levels were analyzed using image conversion processing. Also, the local SMD were measured at various axial/radial distances from the nozzle tip by a droplet measuring system to compare the atomization performances of the diesel and alternative fuel sprays. The spray characteristics of diesel and DME fuel according to the combustion chamber shape under ambient pressure were experimentally and numerically investigated. For the experimental study, the investigation on the spray behavior according to the various injection conditions was conducted by the visualization system. In order to investigate the numerical analysis, a three-dimension computational grid was created as the shape of combustion chamber and thermodynamic properties of DME fuel were inserted into KIVA code. Besides the spray characteristics of diesel and alternative fuels, investigations on the combustion and emission characteristics of diesel and DME fuels were carried out in the present study. In order to analyze the diesel combustion characteristics, several models were used in this study. They were spray and ignition-combustion models including the hybrid breakup model, the shell auto-ignition model, and the laminar and turbulent characteristic timescale combustion model. The prediction of exhaust emissions was conducted using nitrogen oxide NOx formation with an extended Zel?dovich mechanism and Hiroyasu soot formation with the Nagle?Strickland-Constable oxidation model respectively. In order to simulate DME combustion processes, a KIVA-3V code coupled with a chemistry solver was used to solve the detailed chemical kinetics model of DME oxidation. A reduced Gas Research Institute (GRI) NO mechanism was used for predicting NOx formation during DME combustion. Calculated results were compared to experimental combustion and emission results for the same operating conditions. Based on the results of the spray-atomization and combustion-emissions investigations, the experimental results for the atomization characteristics of different fuels show a good agreement with the predicted results. The macroscopic characteristics of biodiesel spray show a similar trend to that of diesel spray and DME fuel has smaller axial and radial penetration than the biodiesel and diesel fuels. In addition, the DME spray has superior breakup performance to that of the diesel and biodiesel sprays under similar injection conditions because DME fuel has a much lower viscosity and lower surface tension and is more volatile than the other two fuels. In the study on the effect of ambient pressure, the spray tip penetration and spray area decreased as the ambient pressure increased. The contour plot of the biodiesel and DME sprays showed a high light intensity level in the center regions of the sprays. In addition, the atomization performance of the biodiesel spray was inferior to that of the DME spray at the same injection and ambient conditions. In the spray behaviors in the different two chambers, the calculated results of spray tip penetration agreed with the experimental observations of DME and diesel fuel for the different chambers. From the results for combustion and emission characteristics of diesel and DME fuels, the calculated results of diesel fuel show similar patterns to the experimental results in the cylinder pressure and the rate of heat release. In the emissions characteristics, NOx emission decreased as injection timing was retarded and the NOx and soot amounts increased with the increase in the injected fuel mass. The calculated soot trends for various injection timings showed different patterns from the experimental trends as the injection timing were retarded. Also, combustion results of DME fuel showed that the calculated combustion pressure and heat release rates agreed well with experimental results. The levels of experimental NOx and CO2 emissions was reduced as the start of the injection timing retarded, and also these trends appeared in calculated emission characteristics