[논문]연소실 매개변수에 따른 천연가스 연소 특성

이성욱; 송영모; 백두성

doi:10.3795/ksme-b.2008.32.7.513

연소실 매개변수에 따른 천연가스 연소 특성
Parametric Study on Combustion Characteristics of CNG Fuel 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.32 no.7 = no.274, 2008년, pp.513 - 517

이성욱 (국민대학교, 자동차전문대학원) , 송영모 (국민대학교, 자동차전문대학원) , 백두성 (대진대학교 컴퓨터응용기계설공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A parametric study was made to understand the fundamentals of combustion of CNG fuel in a constant volume chamber in the respect of swirl effect, and the numbers of spark ignition. Optical devices were applied for the visualization of the physics of combustion, and combustion pressures and exhaust emission were measured at several equivalence ratios by controlling speeds of a swirling motor. When the speed of a swirling motor was raised the combustion conditions were improved. The corresponding maximum combustion pressure and heat release rate were increased and the speed of flame propagation was getting faster. This research may contribute to improve the performance of CNG engine and reduce emissions in future.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

(1) 예혼합방식의 천연가스 연소 실험 결과, 스월모터의 회전속도가 증가함에 따라 혼합기 형성이 개선되어 최대 연소 압력과 열발생율이 커지고, 화염전파 속도 또한 빨라짐을 알 수 있었다. 또한 당량비에 따른 연소의 차이를 개선하는 효과도 확인하였다.
본 연구에서는 정적연소기내에서 천연가스의 예혼합 방식의 연소특성을 개선하기 위해 다양한 당량비에서 모터의 회전속도, 점화원의 개수 등의 변화에 따른 연소압력 및 배출가스를 가시화하고 분석함으로써 천연가스의 연소특성 및 연소 향상을 위한 기초자료를 제공하고, 나아가 CNG 기관의 배기가스 저감 및 성능향상에 기여하고자 한다.
실험실내 온도는 상온 298K 일정하게 하였으며 당량비는 연소실내 분위기압에 대한 천연가스와 공기의 분압비를 이용하여 조절하였다. 천연가스와 공기를 정적연소기 내에서 예혼합 시킨 후 스파크플러그에 의해 점화를 시켜 연소될 때의 화염 발달과정을 파악하고자 했다. 촬영에는 고속 디지털 카메라를 사용하였으며 촬영속도는 2000fps로 설정하였다.

제안 방법

또한 압전식(pieozoelectric) 압력센서를 이용하여 압력변화를 측정한 뒤 열발생율을 구하여 연소과정을 해석하였다.
정적연소 기의 양측면에는 직경 153mm, 두께 40mm의 강화유리를 설치하고 고속 디지털 카메라를 이용하여 연소과정을 촬영했다. 또한 주변장치로 흡기 밸브, 배기밸브, 압력센서, 점화를 위한 스파크 플러그를 장착했고, 연소기내의 잔류가스는 진공 펌프와 감압탱크를 이용하여 제거하였다. 정적 연소기의 구성은 실제 기관에서 불가능한 각종 실험 조건(스월모터 속도, 점화 위치 등)을 자유로이 변경시킬 수 있도록 설계하였다.
스월모터의 회전속도를 1000rpm으로 고정하고, 연소실내 분위기압은 1MPa, 당량비 0.9인 조건에서 연소실 벽면에 위치한 스파크 플러그를 1점에서 점화시켰을 때와 2점에서 동시에 점화시켰을 때의 연소압력을 측정하였다. Fig.
2.2 실험방법

실험실내 온도는 상온 298K 일정하게 하였으며 당량비는 연소실내 분위기압에 대한 천연가스와 공기의 분압비를 이용하여 조절하였다. 천연가스와 공기를 정적연소기 내에서 예혼합 시킨 후 스파크플러그에 의해 점화를 시켜 연소될 때의 화염 발달과정을 파악하고자 했다.
실험은 예혼합 방식의 연소 하에서 스월모터의 회전속도가 각각 200, 600, 1000rpm일 때, 연소실내 분위기압을 1MPa로 일정하게 하고 당량비를 0.7~1.4까지 0.1씩 조정하였다. Fig.
또한 주변장치로 흡기 밸브, 배기밸브, 압력센서, 점화를 위한 스파크 플러그를 장착했고, 연소기내의 잔류가스는 진공 펌프와 감압탱크를 이용하여 제거하였다. 정적 연소기의 구성은 실제 기관에서 불가능한 각종 실험 조건(스월모터 속도, 점화 위치 등)을 자유로이 변경시킬 수 있도록 설계하였다.
NG 기관의 예혼합방식 연소현상을 가시화하기 위하여 직경은 123mm, 폭은 30~140mm로 조절이 가능한 정적연소기를 제작하였다. 정적연소 기의 양측면에는 직경 153mm, 두께 40mm의 강화유리를 설치하고 고속 디지털 카메라를 이용하여 연소과정을 촬영했다. 또한 주변장치로 흡기 밸브, 배기밸브, 압력센서, 점화를 위한 스파크 플러그를 장착했고, 연소기내의 잔류가스는 진공 펌프와 감압탱크를 이용하여 제거하였다.
천연가스의 연소특성에 대해서 정적연소기를 사용하여 스월모터의 회전속도, 연소실 형상과 점화원의 개수를 변화시키며, 압력 및 화염의 가시화 계측으로부터 다음의 견해를 얻었다.

대상 데이터

NG 기관의 예혼합방식 연소현상을 가시화하기 위하여 직경은 123mm, 폭은 30~140mm로 조절이 가능한 정적연소기를 제작하였다. 정적연소 기의 양측면에는 직경 153mm, 두께 40mm의 강화유리를 설치하고 고속 디지털 카메라를 이용하여 연소과정을 촬영했다.
2와 table 1에 스월 효과에 따른 연소특성을 파악하기 위한 스월모터와 그 위치를 나타내고 있다. 또한 연소실 형상은 flat형 연소실 형상을 이용했다 (Fig. 3).
연소압력 데이터는 LabVIEW를 기반으로 하는 DAQ(Data Acquisition: DAQ Card-6024E)를 사용하여 수집하였고 천연가스의 점화시기, 촬영시기 등의 모든 신호는 CodeVision AVR C언어를 사용하여 제어하였다. 연소생성물을 분석하기 위해 Horiba의 portable 가스분석기 MEXA-554JKNOx를 사용하였다.
또한 압전식(pieozoelectric) 압력센서를 이용하여 압력변화를 측정한 뒤 열발생율을 구하여 연소과정을 해석하였다. 연소압력 데이터는 LabVIEW를 기반으로 하는 DAQ(Data Acquisition: DAQ Card-6024E)를 사용하여 수집하였고 천연가스의 점화시기, 촬영시기 등의 모든 신호는 CodeVision AVR C언어를 사용하여 제어하였다. 연소생성물을 분석하기 위해 Horiba의 portable 가스분석기 MEXA-554JKNOx를 사용하였다.
촬영에는 고속 디지털 카메라를 사용하였으며 촬영속도는 2000fps로 설정하였다.

성능/효과

(1) 예혼합방식의 천연가스 연소 실험 결과, 스월모터의 회전속도가 증가함에 따라 혼합기 형성이 개선되어 최대 연소 압력과 열발생율이 커지고, 화염전파 속도 또한 빨라짐을 알 수 있었다. 또한 당량비에 따른 연소의 차이를 개선하는 효과도 확인하였다.
(2) 스파크 플러그의 수가 많을수록 다점점화에 의해 화염전파 거리가 상대적으로 짧아지므로 최대 연소 압력, 화염전파 속도 및 열발생율이 향상됨을 확인하였다.
(3) 스월모터의 회전속도가 증가함에 따라 CO와 HC의 발생량은 줄어들었으나, 반대로 NOx의 양은 증가하여 배출가스의 trade-off 관계를 확인할 수 있었다.
8에서 당량 비가 높을 때 불완전 연소에 따른 CO 생성량이 높아지고 스월이 강해질수록 CO가 줄어듦을 확인할 수 있었다. Fig. 9에서 NOx의 경우 연소실 온도에 민감하여 특히 당량비 0.9~1.0 의 조건에서 많이 배출됨을 알 수 있었고, 스월에 의한 난류강도가 증가해서 연소가 더 활발히 일어나므로 NOx 배출량이 증가함을 알 수 있었으나, 당량비 1.2 이후부터는 불완전 연소로 인해 스월 강도의 차이에 의한 영향은 미미했다. Fig.
0일 경우 가장 높은 압력과 큰 열발생율, 빠른 연소가 이루어졌다. 그리고 각각 당량비를 0.7로 설정하였을 경우, 희박한 조건으로 인해 화염전파도 느리고 압력 또한 낮게 나타남을 알 수 있었으나, 스월 강도가 클수록 이러한 차이는 크게 향상되었고 당량비가 높을수록 스월 모터로 인한 효과가 큼을 알 수 있었다.

후속연구

향후, 천연가스 자동차에 이러한 직접분사 방식을 도입하기 위해서는 안정적인 점화가 매우 중요하며 분사시기를 조절하여 연료와 공기의 혼합기 분포를 최적화함으로써 기관 성능 향상과 배기가스 저감효과를 가져올 수 있다. 그러나 아직까지 천연가스 혼합기 형성과 관련된 고압분사에 따른 분무 형태, 점화 및 연소 특성에 관한 실험 및 연구가 부족한 현실이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	천연가스를 엔진에 적용하는 기술은 무엇이 있나?	천연가스를 엔진에 적용하는 기술로는 기존 디젤기관의 실린더에 천연가스와공기의 혼합기를 흡입시키고, 이를 분사된 경유의 분무 화염으로 착화시키는 혼소 방식과 기존 디젤 엔진에 인젝터 대신에 점화 플러그를 장착하여 천연가스를 전기점화에 의한 전소 방식으로 나눌 수 있다. 향후 CNG 차량 기술은 전소 방식이 성능 및 배기측면에서 효과적인 기술로 평가되고 있다.
	자동차 연료로서의 천연가스의 인식은?	자동차 연료로서 천연가스는 풍부한 매장량과 함께 청정성으로 인해 경제성과 저공해성을 모두 갖춘 연료로 인식되고 있다. 특히 옥탄가가 높기 때문에 안티노킹성이 우수하고 넓은 연소 한계, 낮은 미연탄화수소 배출 특성, 지구 온난화 물질인 CO2 배출 저감 등 친환경적 연료로서의 특성을 갖추고 있어 향후 세계적으로 강화되는 자동차 배출가스 규제에 능동적으로 대처할 수 있는 가장 현실적인 대체연료로 주목을 받고 있다.
	연료로써 천연가스는 어떤 친환경적 특징을 가지는가?	자동차 연료로서 천연가스는 풍부한 매장량과 함께 청정성으로 인해 경제성과 저공해성을 모두 갖춘 연료로 인식되고 있다. 특히 옥탄가가 높기 때문에 안티노킹성이 우수하고 넓은 연소 한계, 낮은 미연탄화수소 배출 특성, 지구 온난화 물질인 CO2 배출 저감 등 친환경적 연료로서의 특성을 갖추고 있어 향후 세계적으로 강화되는 자동차 배출가스 규제에 능동적으로 대처할 수 있는 가장 현실적인 대체연료로 주목을 받고 있다.(1)

참고문헌 (9)

Han, Y. C., Kim, K. B. and Oh, Y. S., 2000, "A Study on Performance and Characteristic of Exhaust Emission in CNG Dedicated Engine," Transactions of KSAE, Vol.8, No.3, pp.12-17
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Kim, B. S., Shioji, M. park, C. G. 2000, "Improving Performance and Emissions in a Diesel Engine Dual Fueled with Compressed Natural Gas," SAE, 2000-03-0029
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Deanna E. Wang, "Direst Injection Compressed Natural Gas Combustion and Visualization," SAE 2002-01-1838
Talus Park, "Operation of a Compressed Ignition Engine with a HEUI Injection System on Natural Gas with Diesel Pilot Injection," SAE 1999-01-3522
Kichiro Kato, "Development of Engine for Natural Gas Vehicle," SAE 1999-01-0574
Czeminski, J., "Sequential Multipoint Trans-Valve Injection for Natural Gas Engines," SAE 1999-01-0565
Umiuerski, M. "Fuel Efgficient Natural Gas Engine with Common-Rail Micro-Pilot Injection," SAE 2000-01-3080

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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