경유와 바이오 디젤이 혼합된 액적을 고온의 연소실에서 액적의 크기, 주위온도 그리고 각각의 혼합비율에 따라 연소특성에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 경유에 0%, 20%, 50% 80%, 100%의 비율로 바이오 디젤을 혼합하여 다양한 크기의 액적을 만든 후 서스펜더에 매달고 970K에서 1070K까지 50K 간격으로 고온에서 자발화를 시키면서, 전체의 연소 과정을 고속 디지털 카메라로 촬영하여 점화지연, 수명시간, 전연소기간, 그리고 미소폭발 등의 연소 특성을 파악하였다. 액적의 크기가 증가하고 연소실 온도가 낮을수록 점화가 지연되었다. 경유에 대한 바이오 디젤의 혼합비율이 감소할수록 점화지연이 증가하였고 미소폭발 발생률도 증가하였다. 또한, 미소폭발이 발생하는 경우 전연소기간이 짧아짐을 확인하였다.
경유와 바이오 디젤이 혼합된 액적을 고온의 연소실에서 액적의 크기, 주위온도 그리고 각각의 혼합비율에 따라 연소특성에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 경유에 0%, 20%, 50% 80%, 100%의 비율로 바이오 디젤을 혼합하여 다양한 크기의 액적을 만든 후 서스펜더에 매달고 970K에서 1070K까지 50K 간격으로 고온에서 자발화를 시키면서, 전체의 연소 과정을 고속 디지털 카메라로 촬영하여 점화지연, 수명시간, 전연소기간, 그리고 미소폭발 등의 연소 특성을 파악하였다. 액적의 크기가 증가하고 연소실 온도가 낮을수록 점화가 지연되었다. 경유에 대한 바이오 디젤의 혼합비율이 감소할수록 점화지연이 증가하였고 미소폭발 발생률도 증가하였다. 또한, 미소폭발이 발생하는 경우 전연소기간이 짧아짐을 확인하였다.
The combustion characteristics of a single droplet of diesel and bio-diesel have been investigated experimentally with varying droplet size, ambient temperature and compound ratio in a high temperature chamber. The fuels used were diesel with bio-diesel contents varied from 0% to 100%. Each experime...
The combustion characteristics of a single droplet of diesel and bio-diesel have been investigated experimentally with varying droplet size, ambient temperature and compound ratio in a high temperature chamber. The fuels used were diesel with bio-diesel contents varied from 0% to 100%. Each experiment has been performed from 970K to 1070K by 50K intervals. Imaging with a high-speed digital camera was adopted to measure the ignition delay and flame life-time, as well as to observe micro-explosion behavior. The increase of droplet size and decrease of furnace temperature cause an increase of the ignition delay time. As the bio-diesel content decreases, the ignition delay increases and the micro-explosion behavior is strengthened. It is also confirmed that the full combustion time decreases as the micro-explosion occurred.
The combustion characteristics of a single droplet of diesel and bio-diesel have been investigated experimentally with varying droplet size, ambient temperature and compound ratio in a high temperature chamber. The fuels used were diesel with bio-diesel contents varied from 0% to 100%. Each experiment has been performed from 970K to 1070K by 50K intervals. Imaging with a high-speed digital camera was adopted to measure the ignition delay and flame life-time, as well as to observe micro-explosion behavior. The increase of droplet size and decrease of furnace temperature cause an increase of the ignition delay time. As the bio-diesel content decreases, the ignition delay increases and the micro-explosion behavior is strengthened. It is also confirmed that the full combustion time decreases as the micro-explosion occurred.
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문제 정의
따라서 본 연구는 경유와 바이오 디젤을 혼합한 단일 액적(single droplet)의 연소과정을 파악하고자 한다. 액 적이 고온에서 노출되어 점화되기 전까지 지연시간인 시간(ignition delay time), 액적이 점화 후 연소 진행과정을 거쳐 소화되기까지의 시간인 수명시간(life time), 점화지연과 수명시간의 합인 전연소기간(full combustion time), 그리고 연소 시 발생되는 미소폭발(micro-explosion) 현상(2-4)을 주변온도, 액적의 크기, 경유와 바이오 디젤 혼합비율에 따라 나타나는 변화와 특성을 연구하였다.
제안 방법
주위온도에 따라 점화 지연에 미치는 영향을 비교하기 위하여 분위기 온도를 970K, 1020K, 1070K에서 각각 실험을 실시하였다. 970K에서 경유가 착화되기 시작하였기 때문에 경유와 바이오 디젤을 비교하기 위해서 970K 부터 50K씩 증가 시키면서 실험을 실시하였다.
경유와 바이오 디젤을 단일 액적으로 주변온도와 액적 크기를 변화하여 가면서 Diesel, BD 20, BD 50, BD 80, BD 100의 비율로 혼합연료를 만들어 연소실에서 연소시킬 때 나타는 점화지연, 수명시간, 전연소기간, 미소폭발에 대한 특성을 파악하였다.
전기로의 슈트가 열리고액적이 전기로 벽층 상부와 일직선이 되는 순간부터 촬영되기 시작한 것이다. 그리고 이것을 통하여 점화지연, 화염 수명시간 등을 계산 하였다. 연소 과정 사진을 비교하였을 때, BD 100일 경우에는 미소폭발이 발생하지 않았다.
바이오 디젤과 경유의 혼합 비율에 따른 연소 특성을 비교하기 위하여 혼합비율을 Diesel, BD(Diesel 80% + Bio-diesel 20%) 20, BD 50, BD 80, BD 100으로 하여 위에서 언급한 온도 조건에서 실험을 실시하였다. 세탄가가 높은 바이오 디젤은 Fig.
본 실험에서 사용한 연료인 경유와 바이오 디젤의 자발화 온도(Auto ignition temperature)를 측정하기 위하여 액적 크기를 D=0.75로 하여 실험을 실시하였다. Fig.
따라서 본 연구는 경유와 바이오 디젤을 혼합한 단일 액적(single droplet)의 연소과정을 파악하고자 한다. 액 적이 고온에서 노출되어 점화되기 전까지 지연시간인 시간(ignition delay time), 액적이 점화 후 연소 진행과정을 거쳐 소화되기까지의 시간인 수명시간(life time), 점화지연과 수명시간의 합인 전연소기간(full combustion time), 그리고 연소 시 발생되는 미소폭발(micro-explosion) 현상(2-4)을 주변온도, 액적의 크기, 경유와 바이오 디젤 혼합비율에 따라 나타나는 변화와 특성을 연구하였다.
주위온도에 따라 점화 지연에 미치는 영향을 비교하기 위하여 분위기 온도를 970K, 1020K, 1070K에서 각각 실험을 실시하였다. 970K에서 경유가 착화되기 시작하였기 때문에 경유와 바이오 디젤을 비교하기 위해서 970K 부터 50K씩 증가 시키면서 실험을 실시하였다.
대상 데이터
바이오디젤은 콩기름, 유체기름 등의 식물성 기름과 동물성 기름을 원료로 해서 만든 것으로 바이오에탄올과 함께 가장 널리 사용되고 있다. 경유를 사용하는 디젤자동차의 연료 첨가제 또는 그 자체로 차량의 연료로 사용한다. 보통 메탄올을 이용해 3가의 지방산에 글리세롤이 결합한 트리글리세리드로부터 글리세롤을 분리한 다음, 지방산 에스테르를 만들어 내는 에스테르 교환방법을 통하여 만든다.
1에 나타내고 있다. 실험 장치를 크게 분류하면 액적을 일정한 온도에서 연소하기 위한 연소실(전기로), 일정한 크기로 만들어진 액적을 점화하기에 알맞은 위치로 이동하기 위해서보 모터의 구동에 의해 구동되는 자동 이송장치, 전기 로를 일정한 높이로 상하왕복 시키는 유압구동장치, 그리고 전기로의 상하 이송거리를 제어하는 상하 리미트 장치와 전기로의 하부를 열고 닫아주는 슈트 개폐 장치 등이 있으며 조명장치와 고속 카메라, PC로 구성되어있다. 연소실 내부의 크기는 가로와 세로가 250mm, 길이 300mm, 두께는 20mm이다.
서스펜더의 위치를 먼저 감지하고 PC의 명령에 의해 연료가 서스펜더에 공급된다. 실험에 사용된 연료는 경유와 바이오 디젤이다. 주 연료인 경유와 바이오 디젤의 특성은 Table 1에 나타나 있다.
서스펜더의 직경은 150±10㎛이고 액적 부착을 위하여 끝부분은 300±10㎛ 구형으로 가공하였다. 연료 공급계는 50㎕의 내부 용적을 갖는 미소 주사기(microliter syringe)와 서보 모터로 작동되는 4축 자동 이송기로 구성된다. 서스펜더의 위치를 먼저 감지하고 PC의 명령에 의해 연료가 서스펜더에 공급된다.
실험 장치를 크게 분류하면 액적을 일정한 온도에서 연소하기 위한 연소실(전기로), 일정한 크기로 만들어진 액적을 점화하기에 알맞은 위치로 이동하기 위해서보 모터의 구동에 의해 구동되는 자동 이송장치, 전기 로를 일정한 높이로 상하왕복 시키는 유압구동장치, 그리고 전기로의 상하 이송거리를 제어하는 상하 리미트 장치와 전기로의 하부를 열고 닫아주는 슈트 개폐 장치 등이 있으며 조명장치와 고속 카메라, PC로 구성되어있다. 연소실 내부의 크기는 가로와 세로가 250mm, 길이 300mm, 두께는 20mm이다. 연소실에는 200mm직경의 1개의 관찰 창을 갖는데, 액적의 점화 상태를 관찰하고 고속 사진 촬영을 하기 위하여 석영 유리창을 사용 하였다.
성능/효과
1) 경유와 바이오 디젤 액적의 점화지연을 비교 하였을 때, 바이오 디젤의 액적이 점화 지연이 짧았다. 주위 온도가 상승함에 따라 그 차이는 줄었다.
2) 경유보다 바이오 디젤이 더 낮은 온도에서 자발화(auto ignition) 하였다. 그리고 바이오 디젤의 함량이 증가함에 따라 점화지연은 감소되었다.
3) 미소폭발은 바이오 디젤에서 발생하지 않고, 경유에서는 경유의 함량이 증가할수록 미소폭발이 더 자주 발생되는 것을 알 수 있었다. 미소폭발 발생 시 전연소기간 짧아졌다.
4) 액적이 작은 경우(D=0.75mm)일 경우에는 미소폭발이 발생하지 않았다. 하지만 액적의 크기가 커짐에 따라 미소폭발 발생 시간이 지연되고 미소폭발 정도가 강해지고 매연의 발생량이 증가되는 것을 확인할 수 있었다.
5) 함 산소 연료인 바이오 디젤과 경유의 매연 발생량을 비교 하였을 때, 경유의 매연 발생량이 더 많은 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 액적의 크기가 커질수록 매연 발생량이 증가 되었다.
하지만 온도가 970K에서 1070K로 높아질수록 그 차이는 감소하였다. 그러나 화염 수명시간(life time)은 바이오 디젤의 함량이 증가할수록 화염 수명시간이 길게 나타났다. 이것을 통하여 경유의 연소속도가 바이오 디젤의 연소보다 더 빠르다는 것을 알 수 있다.
이는 액적의 크기가 작은 경우에 착화하기 전에 액적이 모두 증발되어 버리기 때문이다. 그리고 주위온도가 상승됨에 따라 점화 지연 시간이 짧아지는 것을 알 수 있었다. 한편, 점화지연 시간이 감소한 만큼 화염 수명시간이 증가되지는 않았다.
75mm)일 경우에는 미소폭발이 발생하지 않았다. 하지만 액적의 크기가 커짐에 따라 미소폭발 발생 시간이 지연되고 미소폭발 정도가 강해지고 매연의 발생량이 증가되는 것을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연소과정에서 수명시간이란 무엇인가?
따라서 본 연구는 경유와 바이오 디젤을 혼합한 단일 액적(single droplet)의 연소과정을 파악하고자 한다. 액 적이 고온에서 노출되어 점화되기 전까지 지연시간인 시간(ignition delay time), 액적이 점화 후 연소 진행과정을 거쳐 소화되기까지의 시간인 수명시간(life time), 점화지연과 수명시간의 합인 전연소기간(full combustion time), 그리고 연소 시 발생되는 미소폭발(micro-explosion) 현상(2-4)을 주변온도, 액적의 크기, 경유와 바이오 디젤 혼합비율에 따라 나타나는 변화와 특성을 연구하였다.
바이오디젤은 무엇을 이용하여 만드는가?
바이오디젤은 콩기름, 유체기름 등의 식물성 기름과 동물성 기름을 원료로 해서 만든 것으로 바이오에탄올과 함께 가장 널리 사용되고 있다. 경유를 사용하는 디젤자동차의 연료 첨가제 또는 그 자체로 차량의 연료로 사용한다.
바이오디젤은 차량에 어떻게 사용되는가?
바이오디젤은 콩기름, 유체기름 등의 식물성 기름과 동물성 기름을 원료로 해서 만든 것으로 바이오에탄올과 함께 가장 널리 사용되고 있다. 경유를 사용하는 디젤자동차의 연료 첨가제 또는 그 자체로 차량의 연료로 사용한다. 보통 메탄올을 이용해 3가의 지방산에 글리세롤이 결합한 트리글리세리드로부터 글리세롤을 분리한 다음, 지방산 에스테르를 만들어 내는 에스테르 교환방법을 통하여 만든다.
참고문헌 (6)
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정인철, 이경환, 2007, 단일유화액적의 분위기 온도와 액적크기에 따른 자발화와 미소폭발에 대한 영향, 한국자동차공학회 논문집, 제15권 제1호, pp. 49-55
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