Spray Atomization, Combustion and Emission Characteristics in a Compression Ignition Enigne Fueled with Oxygenated Fuels

Abstract

본 논문은 전자 제어식 압축착화 엔진의 대체 에너지로 기대되는 함산소 연료인 바이오 디젤과 dimethyl ether(DME)연료의 분사 및 분무 미립화 특성을 규명하고, 이들 함산소 연료를 적용하였을 경우 압축 착화 엔진의 연소 성능 및 배출물 특성을 디젤 연료의 경우와 비교 분석하여 대체연료로서의 적용특성을 여러 가지 분무 미립화 인자에 대하여 실험 및 이론적으로 규명한 연구이다. 바이오 디젤의 분무 미립화 특성은 연료 분무 노즐의 형상비 (L/W)비와 물성치에 따라 형성되는 노즐 캐비테이션 현상을 분석하고, 바이오 디젤 연료의 분무 미립화에 미치는 영향을 평균 분무 입경 (SMD), 액적의 평균 속도 등의 미립화 특성인자에 대하여 연구하였다. 또한, 디젤과 바이오 디젤의 혼합비에 따른 분무 미립화 성능 및 연소 배출물 특성을 실험적으로 연구하였으며, 바이오 디젤의 미립화 특성 향상과 배출물 저감을 위하여 압축 착화 엔진에서 단일 분사 및 다단분사를 적용하여 미립화 및 연소 특성을 실험 평가 하였다. 아울러, 미립화 증진에 효과가 있다고 보고된 그룹 홀 다공 노즐을 제작하여, 바이오 디젤의 단일 및 다단분사 특성과 연료 온도가 바이오 디젤 연료의 분사 및 미립화에 미치는 영향을 분석 연구하였다. Dimethyl ether(DME)의 분무 미립화 특성은 다양한 분사 및 분위기 조건에서 실험하여, 그 결과를 디젤연료와 비교 연구하였다. 압축착화 엔진에서 DME 분무의 효율향상을 위한 선행 연구로서 다양한 연소실 형상에 따른 연료의 벽면 충돌시간과 분무 혼합기류의 면적을 엔진 운전조건과 동일한 조건에서 실험하였다. 또한, 연소실 내의 고온 고압의 분위기 조건이 DME 연료의 증발 및 미립화 특성에 미치는 영향을 분석하고, 실험 결과와의 비교를 위하여, 복합 액적 분열모델을 이용하여 분무 특성 예측을 위한 수치적 연구를 병행하였다. 이와 더불어, 다단 분사 조건에서 DME 연료의 분무 발달 및 미립화 효율 특성을 실험적으로 분석하였다. 함산소 연료의 분무 특성 연구를 위하여, 전자 제어식 고압 연료 분사장치를 구성하였고, 분사율 측정장치를 이용하여 함산소 연료의 분사율 특성을 측정 비교하였다. 연료 분무의 발달과정은 Nd; YAG 레이저와 고해상도 ICCD 카메라로 구성된 분무 가시화 장치로 취득 분석하였고, 분무 입경 및 액적 속도 분포의 특성을 입경 및 속도 분석 시스템 (PDPA)을 사용하여 분석 연구하였다. 또한, 연료 가열 장치를 이용하여 바이오 디젤 연료의 온도 변화가 미립화 특성에 미치는 영향을 실험적으로 연구하였다. 함산소 바이오 디젤 연료의 연소 성능 및 배출물 특성 연구를 위하여 전자 제어식 직접 분사 압축 착화 엔진을 구성하였고, 배기 배출물 분석기를 설치하여 HC, CO, NO_(X) 및 Soot 측정 및 분석하여 최적의 연료 분사 및 연소 조건을 연구하였다. 함산소 연료의 분사 및 미립화 특성을 연구한 결과, 바이오 디젤의 분무 미립화 특성은 높은 점성과 표면장력을 가진 물성치의 영향으로 디젤 연료와 비교하여 열악하였고, 분사 속도는 느린 것으로 나타났다. 연소 특성은 연료 내의 산소 함유로 인하여 엔진 실린더 내의 열 발생량이 높아짐으로 인해 NO_(X)의 발생이 증가하였다. 또한, NO_(X)는 다단 분사시기가 주 분사시기에 가까워질수록 증가하는 경향을 보였고, Soot는 거의 발생하지 않았다. 바이오 디젤의 분무 미립화 특성 개선을 위하여 그룹홀 노즐을 사용하여, 바이오 디젤의 단일 및 다단 분사 미립화 특성을 연구한 결과, 분무 거동은 디젤연료와 거의 유사한 특성을 보였으나, 분사 연료의 미립화는 향상되지 않았다. 또한, 바이오 디젤 연료의 온도가 증가할수록, 분무의 증발을 촉진시키는 것으로 나타나쓴ㄴ데 이는 높은 연료온도가 상대적으로 작은 액적들의 증발을 촉진시킨 결과로 판단된다. 반면에, 분사 노즐 오리피스 내의 캐비테이션 발생은 연료 분무의 미립화를 증진시키는 것으로 나타났다. Dimethyl ether(DME)의 분무 미립화 특성은 디젤연료와 비교하여 최고 연료 분사율이 낮았고, 분무도달거리가 짧았으며, 분무각이 넓고, 증발 특성이 우수하였으며, 미립화 특성이 뛰어난 것으로 나타났다. 또한, 높은 분위기 압력 및 온도조건에서의 DME의 분무 미립화 특성은 상대적으로 작은 연료 액적들의 증발을 촉진하여, 액적 크기의 증가를 유발하였다. 또한, DME 다단 분사의 경우에는 연료 분무 간의 간섭으로 인하여 연료 미립화 개선에는 큰 영향이 없는 것으로 나타났다. 본 연구의 결과는 압축 착화 엔진에서 함산소 연료의 공급 및 분사 시스템의 연구를 비롯하여, 대체 연료 엔진 설계, 혼합기 형성 과정 및 연소 특성 최적화에 필요한 기본 자료로 활용될 것으로 판단된다. 또한, 본 연구에 제시된 함산소 연료의 분사 및 미립화 특성은 향후 연소 과정의 모델링 및 배기 배출물 생성 과정 연구는 물론, 유해 배출물 저감 연구에도 필요한 중요한 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.