[논문]DME 예혼합 자기착화 연소중의 디젤분무연소에 관한 연구

임옥택

doi:10.3795/ksme-b.2008.32.4.241

DME 예혼합 자기착화 연소중의 디젤분무연소에 관한 연구
The Investigation of Diesel Spray Combustion in DME HCCI Combustion 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.32 no.4 = no.271, 2008년, pp.241 - 248

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of the research is to investigate of diesel spray combustion for simultaneously reduction way of NOx and PM. The diesel injection were done into intermediates that are generated by very lean DME HCCI combustion using a RCM. The concentration of intermediate could not be directly measured, so we estimated it by CHEMKIN calculation. Two dimensional spontaneous luminescence images which are created by chemical species reaction at low temperature reaction (LTR) and high temperature reaction (HTR) are captured by using a framing streak camera. Also, combustion events were observed by high-speed direct photography. The ignition and combustion events were analyzed by pressure profiles and the KL values and flame temperatures were analyzed by the two-color method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 DME 예혼합압축자기착화 연소시에 발생된 연소중간생성물의 농도가 디젤분무연소에 미치는 영향에 관하여 실험과 수치계산을 통하여 확인하였다.
본 연구에서는 HCHO, H₂O₂과 같은 연소의 중간생성물이, 디젤 분무중의 착화 및 연소에 미치는 영향을 조사하는 것을 목적으로 하고, 급속압축 장치(이후 RCM)에 의해 DME예혼합 압축자기착화연소(이후 HCCI)를 실시하여 저온산화 반응, 고온산화의 프로세스 중 혹은 그 프로세스 후에, 디젤분무를 단발 분사했다. 또한, HCHO, H₂O₂등 중간생성물의 농도를 변화시키기 위해서 DME예혼합기의 당량비를 변화시켰다.

가설 설정

계산 프로그램으로서 CHEMKIN II⁽⁵⁾ 및 SENKIN⁽⁶⁾을 사용했다. 이 계산에 있어서 예혼합기는 완전균질, 연소실내 가스의 온도, 압력 및 화학 종의 분포는 균일을 가정한 0 차원 계산으로 가정하였다. 또한, DME 소반응 모델(scheme)으로서 Curran의 소반응 모델⁽⁷⁾ (화학종수 79, 소반응수 336)을 이용했다.

제안 방법

DME HCCI 연소에서 저온산화 반응으로부터 고온산화 반응에 이르는 프로세스에 있어서, 전파장 영역의 라디컬 발광 화상을 프레이밍 스틸 카메라 (framing streak camera) 카메라를 이용해서 촬영 및 계측을 실시했다. 잔류 가스의 영향을 비교 분석및 고려하기 위해서, 잔류 가스가 존재하는 4 행정 단기통 가시화 엔진과 잔류 가스가 없는 급속압축 장치를 사용하고, 발광 화상계측을 비교했다.
급속압축 장치에 있어서, DME 예혼합기를 분위기로 하고, 경유 JIS2 호를 단발 분사해서 디젤 분무화염을 형성한 실험을 하였다. 디젤분사를 행한 시각은 피스톤이 구동하고 난 시점으로부터 250ms 후, 즉 DME 예혼합기가 피스톤의 압축열에 의해서 연소과정을 거치고 피스톤이 압축을 완전히 멈춘상태에서 분사를 하였다.
우선, HCHO, H₂O₂등의 중간생성물은 직접 그 농도를 측정하는 것이 매우 어렵기 때문에, CHEMKINⅡ과 SENKI을 이용한 소반응 수치계산을 통해서, DME예혼합기의 압축과정에 있어서의 중간생성물의 농도를 예측했다. 둘째로, DME예혼합기의 압축 과정에 있어서의 저온산화 반응으로 부터 고온산화 반응에 이르는 프로세스에 있어서, 반응이 어떻게 발생할지를 확인하기 위해서, 라디컬들의 발광화상을 프레이밍 스틸 카메라(framing streak camera)를 이용해서 전파장 영역의 영상을 촬영 및 계측했다. 마지막으로, HCHO, H₂O₂등 중간생성물 농도가 다른 조건으로 경유(JIS2 호)를 단발 분사해서 디젤 분무화염을 형성하는 실험을 행하고, 착화지연, 연소 기간을 조사했다.
급속압축 장치에 있어서, DME 예혼합기를 분위기로 하고, 경유 JIS2 호를 단발 분사해서 디젤 분무화염을 형성한 실험을 하였다. 디젤분사를 행한 시각은 피스톤이 구동하고 난 시점으로부터 250ms 후, 즉 DME 예혼합기가 피스톤의 압축열에 의해서 연소과정을 거치고 피스톤이 압축을 완전히 멈춘상태에서 분사를 하였다. 디젤분사 nozzle의 분구경은 0.
마지막으로, HCHO, H₂O₂등 중간생성물 농도가 다른 조건으로 경유(JIS2 호)를 단발 분사해서 디젤 분무화염을 형성하는 실험을 행하고, 착화지연, 연소 기간을 조사했다. 또 고속카메라를 이용한 직접촬영을 통해서 이색법 해석(two-color method)을 실시하고, 휘염 존재 기간, 화염온도 및 PM 생성의 지표가 되는 KL값을 산출하고, 연소 중간생성물이 PM 생성에 주는 영향을 조사했다.
과 같은 연소의 중간생성물이, 디젤 분무중의 착화 및 연소에 미치는 영향을 조사하는 것을 목적으로 하고, 급속압축 장치(이후 RCM)에 의해 DME예혼합 압축자기착화연소(이후 HCCI)를 실시하여 저온산화 반응, 고온산화의 프로세스 중 혹은 그 프로세스 후에, 디젤분무를 단발 분사했다. 또한, HCHO, H₂O₂등 중간생성물의 농도를 변화시키기 위해서 DME예혼합기의 당량비를 변화시켰다. 우선, HCHO, H₂O₂등의 중간생성물은 직접 그 농도를 측정하는 것이 매우 어렵기 때문에, CHEMKINⅡ과 SENKI을 이용한 소반응 수치계산을 통해서, DME예혼합기의 압축과정에 있어서의 중간생성물의 농도를 예측했다.
둘째로, DME예혼합기의 압축 과정에 있어서의 저온산화 반응으로 부터 고온산화 반응에 이르는 프로세스에 있어서, 반응이 어떻게 발생할지를 확인하기 위해서, 라디컬들의 발광화상을 프레이밍 스틸 카메라(framing streak camera)를 이용해서 전파장 영역의 영상을 촬영 및 계측했다. 마지막으로, HCHO, H₂O₂등 중간생성물 농도가 다른 조건으로 경유(JIS2 호)를 단발 분사해서 디젤 분무화염을 형성하는 실험을 행하고, 착화지연, 연소 기간을 조사했다. 또 고속카메라를 이용한 직접촬영을 통해서 이색법 해석(two-color method)을 실시하고, 휘염 존재 기간, 화염온도 및 PM 생성의 지표가 되는 KL값을 산출하고, 연소 중간생성물이 PM 생성에 주는 영향을 조사했다.
또한, HCHO, H₂O₂등 중간생성물의 농도를 변화시키기 위해서 DME예혼합기의 당량비를 변화시켰다. 우선, HCHO, H₂O₂등의 중간생성물은 직접 그 농도를 측정하는 것이 매우 어렵기 때문에, CHEMKINⅡ과 SENKI을 이용한 소반응 수치계산을 통해서, DME예혼합기의 압축과정에 있어서의 중간생성물의 농도를 예측했다. 둘째로, DME예혼합기의 압축 과정에 있어서의 저온산화 반응으로 부터 고온산화 반응에 이르는 프로세스에 있어서, 반응이 어떻게 발생할지를 확인하기 위해서, 라디컬들의 발광화상을 프레이밍 스틸 카메라(framing streak camera)를 이용해서 전파장 영역의 영상을 촬영 및 계측했다.
이 엔진에는 흡기포트로부터 1000mm 떨어져 있는 port1 번에 위치하여 연료농도 균질한 혼합기를 만들 수 있는 인젝터와 흡기밸브 근처에서 연료를 분사해서 연료 농도 불균질한 혼합기를 만들수 있는 port2 의 인젝터가 설치되어 있다. 이번 실험에서는 급속압축장치와 동일하게 균질한 혼합기를 형성하기 위해서 port1 의 인젝터를 사용하여 연료를 균질하게 만들어 주었다. 또한, 압축전의 혼합기의 온도를 373K 로 가열하기 위해 1kW 용량의 전기히터 3개를 사용하였다.
DME HCCI 연소에서 저온산화 반응으로부터 고온산화 반응에 이르는 프로세스에 있어서, 전파장 영역의 라디컬 발광 화상을 프레이밍 스틸 카메라 (framing streak camera) 카메라를 이용해서 촬영 및 계측을 실시했다. 잔류 가스의 영향을 비교 분석및 고려하기 위해서, 잔류 가스가 존재하는 4 행정 단기통 가시화 엔진과 잔류 가스가 없는 급속압축 장치를 사용하고, 발광 화상계측을 비교했다.
중간생성물의 농도는, 직접 측정이 곤란하기 때문, RCM의 체적이력을 바탕으로 압력을 계산하여 소반응수치계산을 실시하였다. 계산 프로그램으로서 CHEMKIN II⁽⁵⁾ 및 SENKIN⁽⁶⁾을 사용했다.

데이터처리

중간생성물의 농도는, 직접 측정이 곤란하기 때문, RCM의 체적이력을 바탕으로 압력을 계산하여 소반응수치계산을 실시하였다. 계산 프로그램으로서 CHEMKIN II⁽⁵⁾ 및 SENKIN⁽⁶⁾을 사용했다. 이 계산에 있어서 예혼합기는 완전균질, 연소실내 가스의 온도, 압력 및 화학 종의 분포는 균일을 가정한 0 차원 계산으로 가정하였다.

이론/모형

이 계산에 있어서 예혼합기는 완전균질, 연소실내 가스의 온도, 압력 및 화학 종의 분포는 균일을 가정한 0 차원 계산으로 가정하였다. 또한, DME 소반응 모델(scheme)으로서 Curran의 소반응 모델⁽⁷⁾ (화학종수 79, 소반응수 336)을 이용했다. 압축비ε=14.

성능/효과

(1) 소반응 수치계산 결과에서, DME 예혼합기의 당량비에 관계없이 저온산화반응(LTR)의 시작온도와 고온산화반응(HTR)의 시작온도는 일정하였다. LTR 과정 중에 DME 은 투입량의 1/3 정도가 소비되고, 또한 소비된 DME 과 생성된 HCHO 는 거의 같은 비교가 되는 것을 확인할 수 있었다.
(2) 라디컬 발광의 해석을 행한 결과, 잔류 가스가 존재하는 조건에서는 발광 강도는 편차가 생기고, 잔류 가스가 존재하지 않는 조건에서는 편차가 존재하지 않았다. 이 편차는 잔류 가스가 존재하는 것으로 생기는 온도, 가스 조성의 불균질성으로부터 영향을 받고 있는 것과 추측된다.
(3) 연소실내 가스 온도가 높아지면 착화지연도 짧아졌다. 또 착화지연이 단순에 연소실내 가스온도 만에 의존하는 것은 아니고, 중간생성물등의 영향이 있다고 알았다.
(4) 이색법의 해석 결과로 DME HCCI 연소 중간 생성물을 가지고 있는 분위기에서는 매연의 저감 효과가 보여졌다. 착화지연, 연소기간, KL 값 등을 고려할 경우에는 연소실내 압력, 연소실내 온도, 중간생성물의 농도를 생각하는 것이 필요하다.
(1) 소반응 수치계산 결과에서, DME 예혼합기의 당량비에 관계없이 저온산화반응(LTR)의 시작온도와 고온산화반응(HTR)의 시작온도는 일정하였다. LTR 과정 중에 DME 은 투입량의 1/3 정도가 소비되고, 또한 소비된 DME 과 생성된 HCHO 는 거의 같은 비교가 되는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, 당량비가 증가함에 따라 LTR 시작시기와 HTR 시작시기는 조기화되었다.
압축 시작 종료 시기t_{LTR_end}는 압축 시작으로부터, 154ms후, 연소실내 가스 온도 T_{LTR_end}는 800K이 되었다. LTR과정 중에 DME은 초기 투입량의 1/3 정도가 소비되어, 또 소비된HCHO, H₂O₂은 압축 시작으로부터 150ms후, 연소실내 가스 된 DME과 생성된 HCHO는 거의 같은 비교가 되는 것도 확인할 수 있었다. 이것은 yamada의 실험 및 계산 결과와 동일한 결과를 나타냈다.
287 이상의 면적이 작아졌다. 이색법의 해석 결과로 DME 예혼합기를 분위기로 했을 때의 PM 의 저감 효과가 보였다.

후속연구

이것은 OH가 존재하는 것으로 분위기 중에 분무 된 경유의 반응이 촉진되기 때문이라고 생각된다. 또한, 디젤 분무연소의 착화 지연과 연소 기간에 중간생성물 농도가 영향을 끼치는 것을 확인하는 것이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	직접 분사식 디젤 기관에서 급선무로 해결되어야 할 문제는 무엇인가?	최근, 희박연소 방식인 직접 분사식 디젤 기관이, 고효율성, 경제성, 내구성으로부터 교통 및 산업의 분야등에서 널리 사용되어 있다. 그러나, 배기중에 포함되는 질소 산화물(NOx) 및 입자장물질(PM)의 저감이 급선무로 여겨지고 있다. 그 직접 분사식 디젤 기관의 NOx와 매연을 동시 저감하는 수법으로서, PM과 NOx의 저감을 위해서 디젤 분무연소중의 분위기의 온도, 압력, O2, Ar등의 공기 또는 예혼합기의 조성이 디젤 분무연소의 착화지연과 착화한 디젤 분무화염을 대상으로 하여, 화염온도, PM의 지표가 되는 KL값을 해석하는 연구가 선행되었다.
	CHEMKINⅡ과 SENKI을 이용한 소반응 수치계산을 이용해서 중간생성물의 농도를 예측한 이유는?	또한, HCHO, H2O2등 중간생성물의 농도를 변화시키기 위해서 DME예혼합기의 당량비를 변화시켰다. 우선, HCHO, H2O2등의 중간생성물은 직접 그 농도를 측정하는 것이 매우 어렵기 때문에, CHEMKINⅡ과 SENKI을 이용한 소반응 수치계산을 통해서, DME예혼합기의 압축과정에 있어서의 중간생성물의 농도를 예측했다. 둘째로, DME예혼합기의 압축 과정에 있어서의 저온산화 반응으로 부터 고온산화 반응에 이르는 프로세스에 있어서, 반응이 어떻게 발생할지를 확인하기 위해서, 라디컬들의 발광화상을 프레이밍 스틸 카메라(framing streak camera)를 이용해서 전파장 영역의 영상을 촬영 및 계측했다.

참고문헌 (8)

Norimasa Iida, Mitsunori Nakamura and Hideki Ohashi, 1997, 'Study of Diesel Spray Combustion in an Ambient Gas Containing Hydrocarbon Using a Rapid Compression Machine,' SAE Paper, 970899
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Danilo Nikolic, Kazunari Wakimoto, Shinya Takahashi and Norimasa Iida, 2001, 'Effects of Nozzle Diameter and EGR Ratio on the Flame Temperature and Soot Formation for Various Fuels,' SAE Paper 2001-01-1939
Shinya Takahashi, Kazunari Wakimoto, Danilo Nikolic and Norimasa Iida, 2001, 'Effect of Aromatics Contents and 90% Distillation Temperature of Diesel Fuels on Flame Temperature and Soot Formation,' SAE Paper 2001-01-1940
Robert. J. Kee., Fran, M. Rupley., Ellen Meeks and James A. Miller, 1996, 'A Fortran Chemical Kinetics Package for The Analysis of Gasphase Chemical and Plasma Kinetics,' Sandia National Laboratories Report
Andrew E. Luz., Robert J. Kee and James A. Miller, 1988, 'SENKIN: A FORTRAN Program for Predicting Homogeneous Gas Phase Chemical Kinetics With Sensitivity Analysis,' Sandia National Laboratories Report, SAND87-8248
Curran, H．J., Pitz, W. J., Westbrook, C．K., Dagaut, P., Boettner, J-C and Cathonnet, M., 2000, 'A Wide Range Modeling Study of Dimethyl Ether Oxidation,' International Journal Chemical Kinetics, 30-3, pp. 229-241
Yamada Hiroyuki, Suzaki Kotaro, Sakanashi Hideki, Choi Namil and Tezaki Atsumu, 2005, 'Kinetic Measurements in Homogeneous Charge Compression of Dimethyl Ether: Role of Intermediate Formaldehyde Controlling Chain Branching in the Low-temperature Oxidation Mechanism,' Combustion and Flame Vol. 140 pp. 24-33

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