분사 조건에 따른 바이오디젤 혼합유의 분사 특성

Abstract

본 연구는 디젤 연료를 대체하거나 디젤 연료와 혼합하여 기존 디젤 엔진에 사용할 수 있는 바이오디젤 연료를 커먼레일식 디젤 인젝터를 이용하여 여러 분사조건에서의 분사 특성을 실험적으로 연구한 것이다. 엔진 내의 연료 공기 혼합기 형성과 연소 및 배기특성에 영향을 미치는 분사압력, 분위기압력, 분사 기간, 혼합비를 변화시켜가며 바이오디젤 연료의 효율적인 사용을 위해 분사 특성을 규명하는데 주안을 두었다. 분사 조건에 따른 분사율은 연료로 가득 찬 관 내부로 연료를 분사할 때 발생하는 압력파를 통해 분사율을 계산하는 Bosch법을 사용하여 분석하였으며, 분무의 발달과정과 분무 도달 거리는 레이저 시트법을 이용한 가시화 실험을 통해서 분석하였다. 또한, 연료 분무의 미립화 특성은 분무 미립화 해석 장치(PDPA)를 이용하여 속도와 SMD(Sauter mean diameter)를 계측하고, 분사 조건에 따른 실험 결과를 비교하였다. 본 연구에서 커먼레일식 디젤 인젝터의 총 분사시간은 1.0ms로 고정하였으며 다단분사의 경우 Pilot 분사의 영향을 알아보기 위해 Pilot 분사를 각각 0.3ms, 0.5ms로 Main 분사를 0.7ms, 0.5ms로 설정하여 이를 단일분사와 비교하였다. Pilot 분사와 Main 분사 사이의 간격은 2.0ms로 일정하게 유지하였다. 또한, 분사압력은 60, 80, 100MPa, 분위기압력은 2, 4MPa, 혼합비는 체적 기준으로 0%에서 100%까지 20%씩 바이오디젤 연료의 비율을 증가시키며 실험하였다. 커먼레일식 고압 분사 시스템을 이용하여 분사 조건에 따른 바이오디젤 연료의 분사 특성을 분석한 결과 바이오디젤 연료의 혼합비와 관계없이 단일분사의 분사량이 가장 많았으며, Pilot 분사 기간이 증가할수록 전체 분사량은 감소하였다. 이는 Pilot 분사로 인해 감소된 분사압력이 분사 간격 동안 충분히 회복되지 못해 Main 분사에 영향을 미친 것으로 판단된다. 분사율 특성을 분석한 결과, 분사압력이 증가할수록 최대분사율과 분사지속시간이 증가하는 것으로 나타났다. Pilot 분사가 분사율 특성에 미치는 영향은 최대분사율보단 분사지속시간에 더 크게 나타났다. 바이오디젤 연료의 분사지연시간은 디젤 연료에 비해 0.01ms 정도 증가하였지만, 분사지속시간은 혼합비가 20% 증가할수록 0.01ms씩 감소하였다. 분무의 거시적 특성은 분사압력이 증가할수록 분무의 유동이 활발해지고, 분무 도달거리가 길어지는 것으로 나타났다. 반면에 분위기압력이 증가할수록 분무 발달이 둔화되고, 분무 도달 거리가 현저히 감소하는 경향을 나타내었다. 또한, Pilot 분사의 통전시간이 0.3ms인 경우 분사 기간이 짧기 때문에 분사량이 적을뿐만 아니라 인젝터 노즐 팁에서 니들이 충분히 열리지 않았기 때문에 분무 도달 거리가 상대적으로 짧아지는 것으로 나타났다. 분무 초기의 분무 발달 과정과 분무 도달 거리는 혼합비에 따라 큰 차이를 보이지 않고 동일한 경향을 보였다. 분무 입경은 분사 기간에 무관하게 바이오디젤 연료의 SMD가 디젤 연료에 비해 크게 나타났으며, 이는 상대적으로 높은 바이오디젤 연료의 표면장력이 연료 액적의 분열과 미립화에 영향을 주었기 때문이라고 판단된다. Pilot 분사 기간이 증가하면 SMD가 감소하는 것으로 나타났다. 축 방향 거리 증가에 따른 분무 속도의 실험결과는 단일분사의 분무 속도가 제일 느린 것으로 나타났으며, Pilot 분사 기간이 증가할수록 초기 속도가 빨랐으나, 30mm 이후 속도가 느려짐을 확인할 수 있었다. 이는 30mm 지점까지는 Pilot 분사의 영향을 받지만 이후로는 Main 분사의 영향이 커지기 때문이라고 판단된다. 액적 입경 크기에 따른 전체 입경의 수는 디젤 연료가 바이오디젤 연료에 비해 많았다. 이는 바이오디젤 연료의 높은 점도가 레이놀즈수를 감소시키고 인젝터 팁으로부터의 분사된 액주나 액막의 안정화를 가져와 미립화를 방해하여 액적의 수가 감소된다고 판단된다. 또한, 바이오디젤 연료의 높은 밀도로 인해 분사된 액체와 주위 공기 유동과의 마찰계수가 증가시켜 동일한 분사압력에서 분사 유량이 감소시키기 때문이다.; The objective of this study is to investigate the injection characteristics such as injection rate, macroscopic behavior and atomization characteristics injected from a common-rail system at various experimental conditions. The experiments carried out to obtain the effect of injection parameters and blending ratio of biodiesel fuel. For measurement of injection rate, the Bosch method was adopted which detected pressure variation when the fuel injected into the tube filled with fuel. The development behavior of spray was visualized with the spray visualization system composed of CCD camera. The fuel atomization characteristics were analyzed by phase Doppler particle analyzer(PDPA) system. To examine the injection characteristics of biodiesel blended fuels, experiments were conducted at the various injection pressures(60MPa, 8OMPa, 100MPa), ambient pressures(2MPa, 4MPa), blending ratios(from 0% to 100% in steps with 20% of volumetric ratio) and energizing duration(the total energizing duration of pilot and main injection were set constant as 1.Oms). The experimental results show that the total injection mass increases with the decrease of the pilot injection duration and the injection mass has the maximum value at single injection. In the case of injection rate, it was increased with the increase of the injection pressure. However, the biodiesel fuel was little affected on the injection rate characteristics such as injection delay and injection duration in spite of different biodiesel blending ratio. Moreover, the split injection affected a variation of peak injection rate. Also, the spray tip penetration and development behavior of biodiesel fuel are closely matched with diesel fuel. As the ambient pressure was increased, the drag force between spray droplet and ambient gas was increased, it is shown that development behavior becomes dull and spray tip penetration gets short because initial spray momentum and velocity of droplets were decreased. The atomization characteristics of biodiesel blending fuel show deteriorated results as the blending ratio of biodiesel fuel increased because of the high viscosity and density. So, the biodiesel fuel has higher droplet size and. more number of droplets than diesel fuel. The distribution of local velocity according to axial distance shows that the droplet velocity of single injection was slower than split injection because the droplets have high momentum at split injection.