본 연구에서는 탄소 균형 및 1차식에 의한 공연비 산정방법을 대체연료에 적용하여 그 결과를 비교하였다. 이전의 연구에서는 Eltinge 차트의 확장, 미연탄화수소의 보상 및 다양한 방법으로부터 계산한 결과를 비교하였다. 또한 Eltinge 방법은 현재 공연비를 산정하는 방법 중 가장 일반적인 식이라는 것을 확인하였다. 그러나 최근 지구온난화 방지를 포함하여 환경 보호와 에너지보존에 대한 요구가 증가하면서 내연기관에 대체연료를 사용이 도입되기 시작하면서 이러한 대체연료들에 대한 공연비의 정확한 산정이 필요하게 되었다. 특히, 산소를 포함하는 연료에서는 Eltigne방법을 제외하고 모든 공연비 산정법들이 다시 유도되어야한다. 이 연구에서는 이미 그 정확성이 확인된 탄소균형식을 이용하여 대체연료의 공연비를 산정하기 위해 다시 유도하였고, 각 대체 연료에 실제로 적용이 가능한 1차식을 새로이 제시하였다. 평가 결과, 탄소균형식으로 계산한 공연비는 가솔린 연료와 비교하여 다소 오차가 증가하였지만, 그 정확도는 다양한 대체 연료들에 적용하기에 충분하다는 결론을 얻었다. 또한, 제시된 1차식은 $\lambda=1.2$이하에서는 그 정확도가 매우 높았다.
본 연구에서는 탄소 균형 및 1차식에 의한 공연비 산정방법을 대체연료에 적용하여 그 결과를 비교하였다. 이전의 연구에서는 Eltinge 차트의 확장, 미연탄화수소의 보상 및 다양한 방법으로부터 계산한 결과를 비교하였다. 또한 Eltinge 방법은 현재 공연비를 산정하는 방법 중 가장 일반적인 식이라는 것을 확인하였다. 그러나 최근 지구온난화 방지를 포함하여 환경 보호와 에너지보존에 대한 요구가 증가하면서 내연기관에 대체연료를 사용이 도입되기 시작하면서 이러한 대체연료들에 대한 공연비의 정확한 산정이 필요하게 되었다. 특히, 산소를 포함하는 연료에서는 Eltigne방법을 제외하고 모든 공연비 산정법들이 다시 유도되어야한다. 이 연구에서는 이미 그 정확성이 확인된 탄소균형식을 이용하여 대체연료의 공연비를 산정하기 위해 다시 유도하였고, 각 대체 연료에 실제로 적용이 가능한 1차식을 새로이 제시하였다. 평가 결과, 탄소균형식으로 계산한 공연비는 가솔린 연료와 비교하여 다소 오차가 증가하였지만, 그 정확도는 다양한 대체 연료들에 적용하기에 충분하다는 결론을 얻었다. 또한, 제시된 1차식은 $\lambda=1.2$이하에서는 그 정확도가 매우 높았다.
This paper is to compare the carbon-balanced and liner air-fuel ratio determination methods for alternative fuels. In the previous work, expansion of Eltinge chart, unburned hydrocarbon compensation, comparison of the results from various methods were discussed. It has been also concluded that Eltin...
This paper is to compare the carbon-balanced and liner air-fuel ratio determination methods for alternative fuels. In the previous work, expansion of Eltinge chart, unburned hydrocarbon compensation, comparison of the results from various methods were discussed. It has been also concluded that Eltinge method might be regarded as the most general equation of AFR determination among the existing ones. In the recent years, however, increasing demand for the environmental preservation, including global warming-up protection, and energy conservation lead to introduce the alternative fuel to the internal combustion engine. Therefore, the exact calculations of AFR for these fuels are needed. Especially, for the fuel that contains oxygen, all AFR calculation equations except Eltinge have to be re-formulated. In this paper, the AFR for alternative fuel were calculated by re-formulated carbon balance, accuracy of which was already confirmed, and linear equations, which are newly proposed by statistical method for each fuel. The results show that AFRs based on carbon balance have a little more error compared with gasoline, however, the accuracy is enough for this formula to apply to various fuel. The proposed linear equation also have excellent accuracy below $\lambda=1.2$.
This paper is to compare the carbon-balanced and liner air-fuel ratio determination methods for alternative fuels. In the previous work, expansion of Eltinge chart, unburned hydrocarbon compensation, comparison of the results from various methods were discussed. It has been also concluded that Eltinge method might be regarded as the most general equation of AFR determination among the existing ones. In the recent years, however, increasing demand for the environmental preservation, including global warming-up protection, and energy conservation lead to introduce the alternative fuel to the internal combustion engine. Therefore, the exact calculations of AFR for these fuels are needed. Especially, for the fuel that contains oxygen, all AFR calculation equations except Eltinge have to be re-formulated. In this paper, the AFR for alternative fuel were calculated by re-formulated carbon balance, accuracy of which was already confirmed, and linear equations, which are newly proposed by statistical method for each fuel. The results show that AFRs based on carbon balance have a little more error compared with gasoline, however, the accuracy is enough for this formula to apply to various fuel. The proposed linear equation also have excellent accuracy below $\lambda=1.2$.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
또한 각종 연소 장치에서 탄화 수소계 연료의 공기- 연료 혼합비 또는 동력기관에서의 공연비의 결정은 매우 중요한 문제이며 주요 화석 연료에 대해서는 배기 조성을 측정하여 이를 정확히 산정하는 많은 방법들이 개발되었으나 현재 주목을 받고 있는 대체 연료에 대해서는 아직 정확한 산정법에 대한 논의가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 이들 대체 연료의 공연비 계산 문제에 대해 논의하고자 한다.
본 논문에서는 가솔린을 제외한 주요 대체연료 즉 산소를 포함하고 있는 알코올계 연료와 주요 가스연료에 대해 Eltinge와 Spindt를 제외한 다른 계산방식들의 특성에 대해 논의하고자 한다. 이전 연구에서 알아본 바와 같이 원래의 탄소균형식3,4)과 산소균형식7,8)은 오차가 매우 커서 비교의 의미가 없으므로 여기서는 가솔린에 대해 비교적 정확한 결과를 보였던 탄소 균형식9)과 일차식9) 을 대상으로 하였다.
가설 설정
여기서도 열해리 반응에 따른 CO의 추가 발생을 고려하여 반응상수 K를 상수로 가정하였다. 그리고 Eltinge는 혼합기가 불균일하게 분포되 었다는 또 하나의 가정을 추가하였는데 즉 주어진 공연비에서 혼합기는 명목상의 공연비(평균 공연비)를 중심으로 가우스(Gauss) 분포를 하고 있다고 가정하였다. 이 가정은 이 방법의 중요한 특징이자 장점인데, 결과적으로 이 가정을 포함시킴으로서 반응상수 K 를 변수로 취급하는 효과를 가지게 된다.
2 이하에서 공연비와 CO+CO2 +THC의 값은 직선적인 관계에 있다. 따라서 모든 연료에 대해 *1.2 이하에서만 적용한다는 가정 하에 연료별로 일차식을 구성하였다.
조성을 구하는 방법을 제안하였다. 여기서도 열해리 반응에 따른 CO의 추가 발생을 고려하여 반응상수 K를 상수로 가정하였다. 그리고 Eltinge는 혼합기가 불균일하게 분포되 었다는 또 하나의 가정을 추가하였는데 즉 주어진 공연비에서 혼합기는 명목상의 공연비(평균 공연비)를 중심으로 가우스(Gauss) 분포를 하고 있다고 가정하였다.
이러한 공연비 계산식들은 혼합기 전체를 균질하다고 가정하고 있으며 과잉산소가 존재하는 한 완전 연소를 한다고 가정하였다. 대부분의 식은 희박 영역에서 co의 배출을 보상하기 위해 그리고 산소 결핍 상태에서는 co 의 급격한 증가를 보상하기 위해 열해리를 고려한 수성가스 반응상수 K를 도입하여 CO의 배출량을 계산하였다.
제안 방법
대체연료의 경우도 일정 공연비 구간에서 HC의 양과 연료의 분포 상태에 관계없이 CO+COz+THC의 값과 공연비가 거의 직선적 관계를 가지기 때문에 일정 공연비까지만 회귀 분석을 하여 일차식으로 유도하였다. 여기서 각 연료의 조성에 따라 이론 공연비, 배기 조성 등이 다르기 때문에 연료에 괸계없이 일차식을 도출하는 것은 불가능하다.
본 연구의 이전 연구에서는 Eltinge 차트를 확장하여 현재 사용 중인 대부분의 연료에 대해 차트를 구성하였고1,2)즈 이후 Eltinge의 방법과 Spindt 식*)을 상호 비교하여 두 방법 모두 대체연료에도 적용할 수 있음을 확인하여 양자의 완벽한 호환성을 고찰하였다. 이어서 탄소 균형식을 포함한 기타의 여러 공연비 계산 방식을 비교하여 탄소 균형으로 유도된 식이 비교적 정확하게 공연비를 계산한다는 것을 확인하였고, ' 새로이 제안된 일차식도 적용되는 공연비 구간은 제한적이나 매우 정확한 계산을 행함을 살펴보았다' 그리고 현재까지 알려진 모든 공연비 산정법 중 Eltinge에 의해 제안된 방법이 가장 정확함을 확인하였다®
즉 Eltinge는 현재까지 알려진 것 중에서 가장 일반적인 방법으로 배기 조성을 계산한 것이고 이러한 이유로 그 결과는 하나의 그래프로 나타낼 수 없어 차트화 된 것이며, 그 외의 방법은 이 중 특수한 경우에 대해 계산한 것이라 할 수 있다. 따라서 연료 조성과 혼합비에 따른 공연비 산정에 대해 논의하기 위해, 이전의 연구에서 언급하였듯이 발생할 수 있는 모든 경우에 대해 배기 데이터를 확보하는 것은 불가능하기 때문에 Eltinge에 의한 배기 조성을 기준으로 하고 미연 혼합기가 존재할 때 그 미연 혼합기만큼。2와 CO2의 농도를 보상하여 그 싱기의 여러 스! 으로공연비를 계산하고 그 차이를 보상하였다.
대체로 크게 나타나고 있음을 알 수 있다. 이 경향을 확인해 보기 위해 HCR=2.55와 3.87의 중간이 HCR=3.2인 임의의 연료에 대해 배기 조성을 구하고 이를 각각 탄소 균형식 1, 2로 공연비를 계산한 결과를 Fig. 6에 도시하였다. 그림에 나타난 바와 같이 이 임의의 연료는 NG와 LPG 연료의 공연비 계산 특성의 중간적인 특징을 보여주고 있음을 확인할 수 있다.
대상 데이터
대해 논의하고자 한다. 이전 연구에서 알아본 바와 같이 원래의 탄소균형식3,4)과 산소균형식7,8)은 오차가 매우 커서 비교의 의미가 없으므로 여기서는 가솔린에 대해 비교적 정확한 결과를 보였던 탄소 균형식9)과 일차식9) 을 대상으로 하였다.
4에 탄소균형식에 의한 천연가스(NG)의 공연 비계산 결과를 도시하였다. 천연가스는 산지에 따라 조성 비율이 다르므로 인도네시아 산(체적비로 메탄 89.91%, 에탄 5.44%, 프로판 3.16% 및 기타 미량 성분으로 구성) 을 기준으로 하였다. 이것 역시 공연비 분포의 영향은 관찰되지 않으므로 Sx=0.
성능/효과
1. 수정된 탄소균형식은 공연비 계산 방식으로 산소를 포함한 연료에 대해서도 Eltinge 및 Spindt 방식과 실용 범위 내에서 0.7%의 오차로 호환 가능하다.
2. 산소가 함유된 연료에 수정된 탄소균형식을 적용하는 경우 다른 연료와는 달리 과농 공연비 구간의 공연비가 농후하게 계산된다.
3. 산소가 포함되지 않은 연료에서 수정된 탄소 균형식은 HCR이 커질수록 그리고 농후할수록 공연비를 희박하게 계산하여 오차가 증가하는 경향이 있다.
4. 수소-탄소의 원자 비 증가에 따라 탄소균형식1은 미연탄화수소의 영향이 커지는 반면 탄소균형식2는 이 비율이 증가하여도 미연탄화수소의 영향이 거의 일정한 경향을 보여준다.
6. 일차식으로 계산한 공연비는 X=1.2 이하에서는 연료의 조성에 관계없이 정성적으로 안정된 경향을 보여주며 0.3% 이내로 Eltinge 및 Spindt 방식과 호환 가능하다.
결론적으로 탄소균형식은 모두 이론 공연비 이하의 농후한 공연비에서 오차가 매우 크고 HCR의 증가에 따라 공연비를 희박하게 계산하며 오차도 증가한다.
양자의 완벽한 호환성을 고찰하였다. 이어서 탄소 균형식을 포함한 기타의 여러 공연비 계산 방식을 비교하여 탄소 균형으로 유도된 식이 비교적 정확하게 공연비를 계산한다는 것을 확인하였고, ' 새로이 제안된 일차식도 적용되는 공연비 구간은 제한적이나 매우 정확한 계산을 행함을 살펴보았다' 그리고 현재까지 알려진 모든 공연비 산정법 중 Eltinge에 의해 제안된 방법이 가장 정확함을 확인하였다®;
7에 나타내었다. 통계적 기법을 사용하여 나타낸 것이니 만큼 이전의 연구에서 논의하였던 가솔린의 경우와 크게 다르지 않음을 알 수 있고- 대체로 연료의 조성에 관계없이 λ값 1.2 이하에서는 매우 정확한 값을 나타냄을 알 수 있다. 이는 Fig.
후속연구
1에도 나타난 바와 같이 공연비와 배기조성 중 CO2, CO, THC의 합은 산소 농도에 관계없이 일정 구간에서 직선적 관계를 나타내기 때문에 발생한 자명한 결과이다. 이 방법을 이용하여 도시된 연료 외의 다른 연료에도 공연비와 배기 조성이 직선적 관계를 가지는 구간을 파악하여 비슷한 식을 유도하여 사용할 수 있을 것이다.
참고문헌 (12)
Lamont Eltinge, "Fuel-Air Ratio and Distribution from Exhaust Gas Composition", SAE Paper 680114 (1968).
Inyong Ohm and Chanjun Park, "Determination of Air Fuel Ratio according to Fuel Composition(I) -Eltinge Chart as a Reference Exhaust Composition", Transaction of the KSME(B), Vol.27, No.11, pp.1548-1562, (2003).
R.S. Spindt, "Air-Fuel Ratio From Exhaust Gas Analysis", SAE paper 650507, (1965).
Inyong Ohm and Chanjun Park, "Determination of Air Fuel Ratio according to Fuel Composition(II) -Compensation of Unburned Gas Concentration in Eltinge Chart", Transaction of the KSME(B), Vol.27, No.11, pp.1563- 1571, (2003).
Inyong Ohm and Chanjun Park, "Determination of Air Fuel Ratio according to Fuel Composition(III) -Comparison of Various Calculation Method", Transaction of the KSME(B), Vol.28, No.10, pp.1147-1154, (2003).
Inyong Ohm and Chanjun Park, "Determination of Air Fuel Ratio according to Fuel Composition(IV) -Overall Estimation of Methods", Transaction of the KSME(B), Vol.28, No.10, pp.1155-1162, (2003).
Donald L. Stivender, "Development of a Fuel-Based Mass Emission Measurement", SAE paper 710604, (1971).
John B. Heywood, "Internal Combustion Engine Fundamentals", McGraw-Hill, New York, pp.151, (1988).
Ono Sokki LTD, "Operating Manual for Engine Test System", Ono Sokki LTD, Tokyo, (1985).
L.S. Leonard, "Fuel Distribution by Exhaust Gas Analysis." Paper 379A presented at the summer meeting, St. Louis, Mo., June 5-9, (1961).
John B. Heywood, "Internal Combustion Engine Fundamentals", McGraw-Hill, pp.314, (1988).
John B. Heywood, "Internal Combustion Engine Fundamentals", McGraw-Hill, pp.145-152, (1988).
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