[논문]HCCI 기관에 있어서의 층상 흡기를 통한 압력 상승률 저감에 대한 연구

임옥택

HCCI 기관에 있어서의 층상 흡기를 통한 압력 상승률 저감에 대한 연구
Potential of Fuel Stratification for Reducing Pressure Rise Rate in HCCI Engines 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.14 no.6, 2010년, pp.7 - 14

초록
AI-Helper

본 연구에서는 자착화특성이 다른 DME와 n-Butane을 이용하여 다양한 흡기공급방식에 따른 HCCI엔진연소에서 압력상승률의 저감특성에 대하여 조사하였다. 연소실내부의 가스압력측정, 광학측정용 엔진을 이용한 화학발광법의 측정 그리고 화학반응수치계산을 통하여 연소실내부에서 각 국소부분의 연소특성을 파악하였다. 최대압력상승률은 DME와 n-Butane의 혼합 상태에 의해 결정되어진다. DME가 성층화되고 n-Butane이 균일하게 분포되진 조건에서 가장 많이 감소되는데 두 연료가 균일한 경우에 비해서 최대압력상승률은 0.25MPa/ms 로 저감되었고 CA50도 5deg 지각되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated the effect on reducing the pressure rise rate(PRR) in HCCI Engine by the variation of mixing ratio in the pre-mixture of DME and n-Butane that has different auto-ignition characteristics. In addition to measure of gas pressure in the engine cylinder, chemiluminescence image using the optical accessible engine and numerical analysis with multi-zones model were used to assess the combustion at each local area in the combustion chamber. The maximum PRR changes depending on mixing condition of DME and n-Butane. When DME is stratified and n-Butane is distributed uniformly, maximum PRR becomes lowest which is about 0.25MPa/ms and it corresponds to 5deg. retarding of CA50.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는, 전자의 착화시기를 분산화 시키는 수법으로서, 자착화 특성이 다른 이종의 단체연료의 혼합비를 변화시키면 연소 위상이 변화되는 특성을 이용한다. 국소마다의 연료의 혼합비에 차이를 주고, 연소실내에 연소 위상의 다른 영역을 마련하는 것에 의한 연소실내전체로서의 압력상승율의 저감 효과를 검증하는 것을 목적으로 한다. 연료는 연소시에 L_THR(Low Temperature Heat Release) 및 H_THR(High Temperature Heat Release)의 2단의 열발생이 생기게 하는 DME(Di-methyl ether)와 n-Butane 를 이용했다.
본 연구에서는, 자착화 특성의 다른 DME 및 n-Butane를 연료로서 사용해서 국소마다의 혼합비에 차이를 주는 것에 의한 압력상승율의 저감 효과를 검증하기 위해서 4행정 단기통가시화 엔진을 이용한 연소실내 가스 압력계측, 화학발광상계측 및 Multi-zone모델을 이용한 화학반응 수치계산을 했다.

가설 설정

3.2절에서 말한 것 같이, Case3은 Case1과 비교 해서 국소마다의 발광 시작 시각(≒H_THR의 시작 시각)이 크게 다르다. 이런 시간차이를 낳는 요인을 밝히기 위해서 Multi-zone모델을 사용한 화학반응 수치계산으로 했다.
모든 화학 종은 이상 기체로 가정되고, 에너지 보존 · 질량 보존식을 이용해서 계산을 했다.

제안 방법

DME은 n-Butane와 비교해서 LTHR의 비율이 높은 특징을 가진다. 4행정 단기통가시화 엔진을 이용한 HCCI연소시에 연소실내 가스 압력 계측과, 국소의 연소현상을 평가하기 위해서, 하이스피드카메라를 이용한 화학발광상 계측 및 Multi-zone모델에 의한 화학반응 수치계산을 했다.
DME과 n-Butane의 혼합 상태를 변화시켰을 때의 압력상승율 저감 효과를 밝히기 위해서, Table 1에서 보인 Case1∼Case5에 대해서 HCCI연소 실험을 했다.
또한, 화학발광상계측에는 하이스피스카메라(MEMRECAM GX-1 Plus)을 사용했다. HCCI연소에 따르는 화학발광은 미약한 발광이기 때문, 하이스피드카메라에는 빛 증폭 광학장치(UVi Model 1850-10)을 부착하여 계측을 했다.
DME과 n-Butane의 혼합 상태를 변화시켰을 때의 압력상승율 저감 효과를 밝히기 위해서, Table 1에서 보인 Case1∼Case5에 대해서 HCCI연소 실험을 했다. 각각의 Case에 있어서, 흡기압력P₀=0.1MPa, 기관회전속도Ne = 600rpm, DME 및 n-Butane의 투입 열량을 각각 Q_{in_DME}=306J/cycle, Q_{in_n-Butane}=254J/cycle (X_DME=0.68)과 일정으로 한 조건 아래, 흡기온도 T_in을 변화시키는 것에 의해 연소 위상을 변화시켜서 실험을 했다.
각각의 zone는 압력 · 온도 · 화학종의 조성이 균일한 0차원 모델이며, zone간의 질량과 열의 이동은 고려하지 않고, 모든 zone의 압력이 같아지게 해서 체적을 단열 변화시켰다.
5%에 상당한다. 연소실에는 Piezo형 압력센서(AVL제:QH32D)을 이용하여 연소실내 가스 압력을 계측하였다. 흡기밸브의 상류 약185mm 및 배기 밸브의 하류 약70mm의 위치에 1.
우선, DME과 n-Butane의 혼합비를 변화시켰을 때에 연소 위상이 어떻게 변화되는 것일지를 밝히기 위해서, 양자의 혼합비를 변화시켜서 HCCI연소 실험을 했다. 혼합비의 지표에는 식.
2절에서 말한 것 같이, Case3은 Case1과 비교 해서 국소마다의 발광 시작 시각(≒H_THR의 시작 시각)이 크게 다르다. 이런 시간차이를 낳는 요인을 밝히기 위해서 Multi-zone모델을 사용한 화학반응 수치계산으로 했다. Fig.
연소실에는 Piezo형 압력센서(AVL제:QH32D)을 이용하여 연소실내 가스 압력을 계측하였다. 흡기밸브의 상류 약185mm 및 배기 밸브의 하류 약70mm의 위치에 1.0mm의 K형 열전대를 설치되고, 측정한 온도를 각각 흡기온도 T_in, 배기 온도T_ex로 했다. T_in에 대해서는 흡기 밸브 상류 약1000mm의 위치에 설치한 4kw 히터에 의해서 임의의 온도로 제어할 수 있다.

대상 데이터

혼합비의 지표에는 식. 1과 같이 정의한 DME의 혼합비 XDME를 사용했다. DME과 n-Butane를 함께 균질하게 공급하는 Case1에 있어서, 흡기압력 P₀=0.
계측 영역은 연소실의 중심에서 Φ60mm의 범위이며, 전체의 53.5%에 상당한다.
본 연구에서는, DME 및 n-Butane에 대해서 5종류(Case1∼Case5)의 혼합 상태를 형성했다.
DME과 n-Butane를 연료로 한 HCCI연소의 화학 반응 수치계산을 하기 위해서, Curran들에 의한 DME의 모델(화학종수:80, 화학반응수:351)[7]과 Kojima에 의한 n-Butane의 스킴(scheme)(화학종수:141, 화학반 응수:468)[8]을 조합시킨 모델(화학종수:185, 화학 반 응수:730)을 작성해서 계산에 이용했다. 실험으로 사용한 엔진과 같은 제원의 엔진을 상정되고 흡기 밸브가 닫히고 나서 배기 밸브가 열릴때 까지의 1회의 압축 및 팽창 일정중이 닫은 계의 가스를 계산 대상으로 삼았다
국소마다의 연료의 혼합비에 차이를 주고, 연소실내에 연소 위상의 다른 영역을 마련하는 것에 의한 연소실내전체로서의 압력상승율의 저감 효과를 검증하는 것을 목적으로 한다. 연료는 연소시에 L_THR(Low Temperature Heat Release) 및 H_THR(High Temperature Heat Release)의 2단의 열발생이 생기게 하는 DME(Di-methyl ether)와 n-Butane 를 이용했다. DME은 n-Butane와 비교해서 LTHR의 비율이 높은 특징을 가진다.

이론/모형

DME과 n-Butane를 연료로 한 HCCI연소의 화학 반응 수치계산을 하기 위해서, Curran들에 의한 DME의 모델(화학종수:80, 화학반응수:351)[7]과 Kojima에 의한 n-Butane의 스킴(scheme)(화학종수:141, 화학반 응수:468)[8]을 조합시킨 모델(화학종수:185, 화학 반 응수:730)을 작성해서 계산에 이용했다. 실험으로 사용한 엔진과 같은 제원의 엔진을 상정되고 흡기 밸브가 닫히고 나서 배기 밸브가 열릴때 까지의 1회의 압축 및 팽창 일정중이 닫은 계의 가스를 계산 대상으로 삼았다
본 연구에서는, 전자의 착화시기를 분산화 시키는 수법으로서, 자착화 특성이 다른 이종의 단체연료의 혼합비를 변화시키면 연소 위상이 변화되는 특성을 이용한다.
화학반응 수치계산의 계산 코드에는 SENKIN[5] 및 CHEMKIN-Ⅱ[6]을 일부 개량하여 사용되고, 0차원 모델을 기본으로 한 Multi-zone모델에 의한 계산을 했다. 각각의 zone는 압력 · 온도 · 화학종의 조성이 균일한 0차원 모델이며, zone간의 질량과 열의 이동은 고려하지 않고, 모든 zone의 압력이 같아지게 해서 체적을 단열 변화시켰다.

성능/효과

2. 연소실내 국소마다의 연료의 혼합비에 차이를 주면 국소의 연소 위상을 분산화 시킬 수 있고 연소 실내전체로서의 급격한 발열생을 억제할 수 있다.
3.연소위상의 지연화에 따라 최대 압력상승율은 감소되고, CA50이 1deg. 지연화하면 최대 압력상승율은 약0.
5. 화학발광의 시작시각은 H_THR의 열발생율이 일어서는 시각과 일치되고, 발광이 가장 강해지는 시각은 열발생율이 최대가 되는 시각과 일치한다.

참고문헌 (8)

R. H. Thring : Homogeneous-Charge Compression-Ignition (HCCI) Engines, SAE Paper 892068 (1989)
Magnus Sjoberg, John E. Dec, Nicholas P. Cernansky : Potential of Thermal Stratification and Combustion Retard for Reducing Pressure-Rise Rates in HCCI Engines, Based on Multi-Zone Modeling and Experiments, SAE Paper 2005-01-0113(2005)
Kengo Kumano and Norimasa Iida:Analysis of the Effect of Charge Inhomogeneity on HCCI Combustion by Chemiluminescence Measurement, SAE Paper 2004-01-1902(2004)
山下大輔, 權淳杓, 佐藤進, 飯田訓正 : HCCI機？におけるメタン/DME混合燃料の自着火と燃？機構に？する？究, 自動車技術？論文集, Vol.36, No.6, p.85-90 (2005)
Luz A. E., Kee R. J. and Miller J. A.:SENKIN: A FORTRAN Program for Predicting Homogeneous Gas Phase Chemical Kinetics With Sensitivity Analysis, Sandia National Laboratories Report, SAND87-8248 (1988)
Luz A. E., Rupley F. and Miller J. A.:CHEMKIN-II: A FORTRAN Chemical Kinetics Package for the Analysis of Gas-Phase Chemical Kinetics, Sandia National Laboratories Report, SAND89-8009B (1989)
H. J. Curran, W. J. Pitz, C. K. Westbrook, P. Dagaut, J-C Boettner and M. Cathonnet:A Wide Range Modeling Study of Dimethyl Ether Oxidation, International Journal Chemical Kinetics, Vol.30-3, p.229-241 (1998)
S. Kojima:Detailed Modeling of n-ButaneAutoignition Chemistry,CombustionandFlame,No.99,p.87-136 (1994)

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증