커먼레일 분사 시스템이 장착된 대형 단기통 가시화 엔진에서 디젤과 JP-8 의 연소 및 배기 특성을 분석하였다. 두 연료 적용 시, 배기 배출 경향을 분석하기 위해 직접 화염가시화와 이색법을 적용하였다. 연소 과정은 직접 화염 가시화로부터 화염 강도 분석을 통해 이루어 졌다. 이색법 결과는 화염 온도 및 KL 값을 도출하여 분석을 하였다. 직접 화염 가시화 결과, JP-8 연소 시, 점화 지연 기간이 길며, 디젤 연소에 비해 화염이 빠르게 소멸되는 것을 확인하였다. 화염 강도 분석을 통해 디젤 연소의 경우, 연소 전 기간에 걸쳐 높은 화염 강도 수준을 유지하며 화염 지속 기간이 긴 것을 알 수 있었다. 이색법 결과를 통해, JP-8 연소의 경우, 국부적으로 고온의 화염 면이 더 많이 분포하는 것을 확인하였으며, 이는 $NO_x$가 더 많이 배출된 경향을 설명해준다. 또한 KL 치 분석 결과, JP-8 연소 시 낮은 수준의 KL 값이 더 고르게 분포하는 것을 알 수 있었으며, 이는 JP-8 연소 시 스모크 가 덜 배출된 결과를 뒷받침 해준다.
커먼레일 분사 시스템이 장착된 대형 단기통 가시화 엔진에서 디젤과 JP-8 의 연소 및 배기 특성을 분석하였다. 두 연료 적용 시, 배기 배출 경향을 분석하기 위해 직접 화염가시화와 이색법을 적용하였다. 연소 과정은 직접 화염 가시화로부터 화염 강도 분석을 통해 이루어 졌다. 이색법 결과는 화염 온도 및 KL 값을 도출하여 분석을 하였다. 직접 화염 가시화 결과, JP-8 연소 시, 점화 지연 기간이 길며, 디젤 연소에 비해 화염이 빠르게 소멸되는 것을 확인하였다. 화염 강도 분석을 통해 디젤 연소의 경우, 연소 전 기간에 걸쳐 높은 화염 강도 수준을 유지하며 화염 지속 기간이 긴 것을 알 수 있었다. 이색법 결과를 통해, JP-8 연소의 경우, 국부적으로 고온의 화염 면이 더 많이 분포하는 것을 확인하였으며, 이는 $NO_x$가 더 많이 배출된 경향을 설명해준다. 또한 KL 치 분석 결과, JP-8 연소 시 낮은 수준의 KL 값이 더 고르게 분포하는 것을 알 수 있었으며, 이는 JP-8 연소 시 스모크 가 덜 배출된 결과를 뒷받침 해준다.
Combustion processes in an optically-accessible single-cylinder heavy-duty diesel engine equipped with a highpressure common-rail injection system were investigated for JP-8 and diesel. Direct imaging and two-color thermometry were employed to verify the emission trend for both fuels. The combustion...
Combustion processes in an optically-accessible single-cylinder heavy-duty diesel engine equipped with a highpressure common-rail injection system were investigated for JP-8 and diesel. Direct imaging and two-color thermometry were employed to verify the emission trend for both fuels. The combustion process was characterized by image analysis with focus on luminosity. The results of two-color thermometry were analyzed on the basis of the flame temperature and KL factor distribution. Analysis of the combustion process by direct imaging showed that the ignition delay was longer for JP-8 than for diesel, while the flame was extinguished rapidly. Analysis of the flame luminosity showed that the combustion intensity was higher for diesel and that the flame lasted for a longer duration in this case. Two-color thermometry results showed that the high-temperature region extended over a large area during JP-8 combustion, implying the formation of a large amount of $NO_x$. In addition, the KL factor showed low level over a large area and relatively homogeneous in the case of JP-8 combustion, which implied that less smoke was produced when using this fuel.
Combustion processes in an optically-accessible single-cylinder heavy-duty diesel engine equipped with a highpressure common-rail injection system were investigated for JP-8 and diesel. Direct imaging and two-color thermometry were employed to verify the emission trend for both fuels. The combustion process was characterized by image analysis with focus on luminosity. The results of two-color thermometry were analyzed on the basis of the flame temperature and KL factor distribution. Analysis of the combustion process by direct imaging showed that the ignition delay was longer for JP-8 than for diesel, while the flame was extinguished rapidly. Analysis of the flame luminosity showed that the combustion intensity was higher for diesel and that the flame lasted for a longer duration in this case. Two-color thermometry results showed that the high-temperature region extended over a large area during JP-8 combustion, implying the formation of a large amount of $NO_x$. In addition, the KL factor showed low level over a large area and relatively homogeneous in the case of JP-8 combustion, which implied that less smoke was produced when using this fuel.
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문제 정의
(2~4) 또한 배기 저감에 효과적인 것으로 알려진 신 연소 기술의 단점으로 알려진 적용 엔진 부하 범위의 한계를 극복하기 위해 증발특성 및 세탄가가 다른 연료에 대한 연구가 진행이 되고 있다.(5,6)본 연구는 두 연료의 서로 다른 물성치가 기본적인 분무 특성에 미치는 영향을 파악하고, 이들과 엔진 성능 및 배기특성 결과의 관계를 도출해내고자 하였다. 또한 직접 화염가시화 및 이색법 적용을 통해 얻어진 이미지들을 분석하여 배기 배출 특성에 대한 이해를 구하고자 하였다.
(5,6)본 연구는 두 연료의 서로 다른 물성치가 기본적인 분무 특성에 미치는 영향을 파악하고, 이들과 엔진 성능 및 배기특성 결과의 관계를 도출해내고자 하였다. 또한 직접 화염가시화 및 이색법 적용을 통해 얻어진 이미지들을 분석하여 배기 배출 특성에 대한 이해를 구하고자 하였다.
각각의 빔은 550 nm 와 750 nm 의 파장을 가지는 두 개의 대역 필터(band-pass filter)를 지나게 되며 CCD 카메라(PCO CCD Imaging, Sensicam)에 두 개의 이미지를 취득하여 분석하였다. 이색법 결과 해석의 수학적 해결과정은 다수의 기존 논문에서 자세히 소개되어 있기에 본 연구에서는 생략한다.(8,9)
제안 방법
각각의 빔은 550 nm 와 750 nm 의 파장을 가지는 두 개의 대역 필터(band-pass filter)를 지나게 되며 CCD 카메라(PCO CCD Imaging, Sensicam)에 두 개의 이미지를 취득하여 분석하였다. 이색법 결과 해석의 수학적 해결과정은 다수의 기존 논문에서 자세히 소개되어 있기에 본 연구에서는 생략한다.
, IDU 5000B)을 사용하였으며, 8 공, 분사각 146°인 분사기를 사용하였다. 단기통 엔진을 구동하기 위해 동력계(DC dynamometer, 90 kW)를 크랭크 축에 연결하여 회전 수를 제어하였다. 엔진의 캠 축에 장착되어있는 엔코더(Autonics, 3600 pulses/revolution)의 신호를 통해 분사시기를 제어하였으며, 분사량을 제어하기 위해 분사기 구동 장치(TDA 3200, TEMS Ltd)를 사용하였다.
대형 디젤 엔진에서 JP-8 과 디젤의 분무 및 연소특성을 비교하였다. 배기 결과 해석의 신뢰도를 높이기 위해 직접 화염가시화와 이색법을 적용하였다.
2 CAD마다 연소실 내부 압력을 취득한 값을 평균하여 열방출율을 계산하였다. 배기가스 분석장치(HORIBA MEXA 1500D)를 사용하여 NOx, HC 배기가스를 분석하였다. 스모크 측정을 위해 AVL Smoke Meter(415S G002)를 이용하였다.
엔진 냉각수 온도는 모든 실험 조건에서 353 K 로 설정하였다. 분사 시기는 -24 ~ 4 CAD ATDC 로 변화시키면서 연소압력 및 배기가스를 측정하였다.
분사시스템은 분사압력을 최대 160 MPa 범위에서 조절할 수 있는 커먼레일 분사시스템(Zenobalti Co., IDU 5000B)을 사용하였으며, 8 공, 분사각 146°인 분사기를 사용하였다.
엔진의 캠 축에 장착되어있는 엔코더(Autonics, 3600 pulses/revolution)의 신호를 통해 분사시기를 제어하였으며, 분사량을 제어하기 위해 분사기 구동 장치(TDA 3200, TEMS Ltd)를 사용하였다. 압력센서(KISTLER, 6043Asp)를 장착하여 총 100 사이클 동안 매 0.2 CAD마다 연소실 내부 압력을 취득한 값을 평균하여 열방출율을 계산하였다. 배기가스 분석장치(HORIBA MEXA 1500D)를 사용하여 NOx, HC 배기가스를 분석하였다.
대상 데이터
(1) 이런 개념은 단일 연료 개념(SFC; single fuel concept)이라 통칭되어 있다. SFC를 충족시킬 수 있는 연료로서 항공기에 주로 사용되어 오던 JP-8(jet-propellant type 8) 연료가 선택되었다. (1) 하지만 JP-8 연료는 디젤과 물성치가 다르기 때문에 기존 디젤을 연료로 사용되어온 기관에 JP-8 을 적용하였을 경우에 발생할 수 있는 현상에 대한 이해가 요구된다.
본 실험에 사용된 JP-8 과 디젤의 물성치를 Table 2에 나타내었다. JP-8 은 디젤에 비해 세탄가, 밀도, 점도, 증발점이 낮으며, 저위발열량은 높은 것을 알 수 있다.
배기가스 분석장치(HORIBA MEXA 1500D)를 사용하여 NOx, HC 배기가스를 분석하였다. 스모크 측정을 위해 AVL Smoke Meter(415S G002)를 이용하였다.
1 과 Table 1에 나타내었다. 엔진은 배기량 1818 cc, 압축비 17:1인 단기통 직접분사식 디젤 엔진을 사용하였다. 분사시스템은 분사압력을 최대 160 MPa 범위에서 조절할 수 있는 커먼레일 분사시스템(Zenobalti Co.
단기통 엔진을 구동하기 위해 동력계(DC dynamometer, 90 kW)를 크랭크 축에 연결하여 회전 수를 제어하였다. 엔진의 캠 축에 장착되어있는 엔코더(Autonics, 3600 pulses/revolution)의 신호를 통해 분사시기를 제어하였으며, 분사량을 제어하기 위해 분사기 구동 장치(TDA 3200, TEMS Ltd)를 사용하였다. 압력센서(KISTLER, 6043Asp)를 장착하여 총 100 사이클 동안 매 0.
1(a)를 통해 확인할 수 있듯이 엔진 내부 가시화를 위해 확장피스톤을 45°미러와 함께 피스톤 쿼츠 윈도우 아래 장착하였다. 연소를 통한 자연 발광 화염을 고속 카메라(Vision Research Inc., Phantom V.7.0)를 이용하여 취득하였다. 해상도는 512 x 384였으며, 초당 10,000 프레임의 이미지를 취득하였다.
0)를 이용하여 취득하였다. 해상도는 512 x 384였으며, 초당 10,000 프레임의 이미지를 취득하였다. 이는 엔진 회전수 1200 rpm 조건에서 매 0.
이론/모형
대형 디젤 엔진에서 JP-8 과 디젤의 분무 및 연소특성을 비교하였다. 배기 결과 해석의 신뢰도를 높이기 위해 직접 화염가시화와 이색법을 적용하였다. 본 연구를 통한 주요 결과는 아래와 같다.
성능/효과
(1) JP-8 은 낮은 증발 온도 특성으로 인한 기화 및 미립화 향상으로 인해 분무 도달 거리가 짧고 분무각은 더 넓은 결과를 보였다.
이 현상은 연료가 가지는 운동량에 의해 단순히 분사 종료 이후 화염이 이동한 것이 아니라, 분사기 노즐 근처에서의 급속한 공기유입의 증가로 인해 화염의 소멸 과정이 활발하게 발생하여 발생한 결과라는 연구가 최근 소개된 바 있다.(12) 반면, JP-8 연소 가시화를 통해 연소 기간 전반에 걸쳐 디젤에 비해 낮은 수준의 화염 강도를 유지하고 있으며, 화염 발달이 약한 것을 확인할 수 있다. 이는 JP-8 연소가 디젤 연소에 비해 확산 연소 구간이 덜 지배적이었음을 의미한다.
(2) 향상된 혼합기 형성에도 불구 하고 낮은 세 탄가 특성으로 인해 JP-8 의 점화지연 기간은 디젤에 비해 더 긴 특성을 보였다.
(3) JP-8 연소 시 긴 점화지연 기간과 우수한 증발 특성으로 인해 예혼합 연소가 더 지배적으로 나타났다.
(4) 결과적으로 디젤 연소에 비해 높은 연소 온도 특성으로 인해 NOx 는 더 배출되며, 농후 영역의 감소로 스모크는 저감되는 결과를 확인하였다.
(5) 직접 화염 가시화 결과 해석을 통해, JP-8 연소 시 화염의 소산이 더 빠르게 그리고 더 일찍 발생하는 것을 알 수 있었다. 이는 연소 후반기 JP-8 의 상대적으로 우수한 기화 특성으로 인해 연소가 더욱 가속화되었으며 이로 인해 화염 소멸 과정이 촉진되어 최종 스모크 배출이 저감된 것을 의미한다.
(6) 이색법을 통해 얻은 화염 온도 분석 결과, JP-8 연소 시 국부적으로 고온 영역이 분포하는 것을 확인하였으며, 이는 JP-8 연소시의 NOx 배출이 증가된 현상을 설명해준다. 또한 JP-8 의 KL 치 분포가 더 균일하며 전반적으로 낮은 값을 보이는 것을 확인하였으며, 이를 통해 낮은 스모크배출 결과를 다시 확인할 수 있었다.
디젤 연소의 경우, 화염이 더 이른 시기에 감지되는 것을 알 수 있으며, 이는 디젤연소의 점화지연 기간이 상대적으로 짧은 것을 확인시켜준다고 할 수 있다. 4.5 CAD ATDC 시점에서 디젤 연소의 경우, 연소실 전체에 걸쳐 매우 강한 강도를 가진 확산 화염이 분포하는 것을 알 수 있다. 이 시점 이후, 화염 강도는 감소하기 시작하며, 화염이 실린더 벽면 쪽으로 이동하는 것을 확인할 수 있다.
반면 JP-8 연소의 경우, 연소실 오른 편에서 매우 높은 온도 영역이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 JP-8 연소의 디젤에 비해 높았던 예혼합 연소 구간 영역 뿐 아니라, 확산 연소 구간에서의 국부적인 고온 영역의 존재가 JP-8 의 연소 결과 디젤 연소의 경우 보다 다량의 NOx 가 배출된 결과를 설명해 준다고 할 수 있다. KL 치를 보여주는 Fig.
7 의 오른편 그림을 살펴보면, 디젤 연소의 경우, JP-8 연소에 비해 2 CAD ATDC 조건에서 상대적으로 높은 KL 치를 가지고 있으며, 더 고른 KL 치 분포를 보여주는 것을 알 수 있다. 또한 10 CAD ATDC 지점에서 JP-8 연소의 경우, KL 치가 분사기 노즐 근처에서 2 CAD ATDC 에 비해 매우 급격하게 감소하는 것을 알 수 있는 반면, 디젤의경우 2 CAD ATDC 의 KL 치 분포와 거의 유사하게 유지되고 있음을 확인할 수 있다.
(6) 이색법을 통해 얻은 화염 온도 분석 결과, JP-8 연소 시 국부적으로 고온 영역이 분포하는 것을 확인하였으며, 이는 JP-8 연소시의 NOx 배출이 증가된 현상을 설명해준다. 또한 JP-8 의 KL 치 분포가 더 균일하며 전반적으로 낮은 값을 보이는 것을 확인하였으며, 이를 통해 낮은 스모크배출 결과를 다시 확인할 수 있었다.
JP-8 이 디젤에 비해 증발특성은 우수하나, 낮은 세탄가 특성으로 인해 점화 지연 기간이 길게 발생한 것으로 판단된다. 또한 JP-8연소 시 최고 열방출율 값이 디젤에 비해 크며, 예혼합 연소 구간 동안 방출된 열량이 높은 것을 확인할 수 있다. 이런 현상은 명백히 JP-8 의 우수한 기화특성과 긴 점화지연 기간으로부터 야기된 것이라 할 수 있다.
이런 특성으로 연료와 공기의 혼합특성을 향상시키며, 결과적으로 예혼합 구간 동안 더 많은 연료와 공기가 상대적으로 균일하게 분포하게 되기 때문이다. 또한 이 결과는 JP-8 의 디젤에 비해 상대적으로 낮은 세탄가가 점화지연 기간을 연장시켜줌으로써 혼합 특성을 향상시키는데 유리한 역할을 하는 것을 확인시켜준다. 반면 이러한 JP-8 의 연소 특성은 디젤 연소에 비해 상대적으로 연소 소음이 상승하는 단점을 야기시키는 바, 파일럿 분사 등을 함께 적용해야 할 것으로 판단된다.
NOx 는 국부적인 화염 온도에 비례하여 생성되는 것으로 알려져 있기에 JP-8 의 연소 결과 NOx 배출이 증가한 것이라 판단할 수 있다. 또한, JP-8 의 향상된 혼합특성으로 인해 상대적으로 농후한 혼합기 분포 영역이 감소하게 되어 결과적으로 스모크배출이 저감된 것이라 판단된다. 반대로, JP-8 의 높은 기화율과 긴 점화지연 기간은 국부적으로 희박한 혼합기의 형성 여지를 높여준다.
분무도 달거리의 경우, JP-8 은 최대 약 16% 짧은 결과를 보였으며, 15.9°더 넓은 분무각을 보였다.
2 는 분사압 30 MPa, 분위기 압력은 대기압 조건에서 JP-8 과 디젤의 거시적 분무 발달 과정을 보여준다. 전체적으로 JP-8 의 경우 디젤에 비해, 분무 도달 거리는 짧고, 분무각은 넓은 것을 알 수 있다. 이는 이미지를 보다 정량적으로 분석한 Fig.
후속연구
또한 이 결과는 JP-8 의 디젤에 비해 상대적으로 낮은 세탄가가 점화지연 기간을 연장시켜줌으로써 혼합 특성을 향상시키는데 유리한 역할을 하는 것을 확인시켜준다. 반면 이러한 JP-8 의 연소 특성은 디젤 연소에 비해 상대적으로 연소 소음이 상승하는 단점을 야기시키는 바, 파일럿 분사 등을 함께 적용해야 할 것으로 판단된다. Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
SFC 를 충족시킬 수 있는 연료로는 어떤 것이 채택되었는가?
(1) 이런 개념은 단일 연료 개념(SFC; single fuel concept)이라 통칭되어 있다. SFC 를 충족시킬 수 있는 연료로서 항공기에 주로 사용되어 오던 JP-8(jet-propellant type 8) 연료가 선택되었다. (1) 하지만 JP-8 연료는 디젤과 물성치가 다르기 때문에 기존 디젤을 연료로 사용되어온 기관에 JP-8 을 적용하였을 경우에 발생할 수 있는 현상에 대한 이해가 요구된다.
디젤과 비교되는 JP-8의 특징은 무엇인가?
본 실험에 사용된 JP-8 과 디젤의 물성치를 Table 2 에 나타내었다. JP-8 은 디젤에 비해 세탄가, 밀도, 점도, 증발점이 낮으며, 저위발열량은 높은 것을 알 수 있다. Table 3 은 JP-8 과 디젤의 분무 및 연소 실험 조건을 보여준다.
본 연구에서 이색법을 적용하여 대형 디젤 엔진에서 JP-8 과 디젤의 분무 및 연소특성을 연구한 결과는?
(1) JP-8 은 낮은 증발 온도 특성으로 인한 기화 및 미립화 향상으로 인해 분무 도달 거리가 짧고 분무각은 더 넓은 결과를 보였다.
(2) 향상된 혼합기 형성에도 불구 하고 낮은 세 탄가 특성으로 인해 JP-8 의 점화지연 기간은 디젤에 비해 더 긴 특성을 보였다.
(3) JP-8 연소 시 긴 점화지연 기간과 우수한 증발 특성으로 인해 예혼합 연소가 더 지배적으로 나타났다.
(4) 결과적으로 디젤 연소에 비해 높은 연소 온도 특성으로 인해 NOx 는 더 배출되며, 농후 영역의 감소로 스모크는 저감되는 결과를 확인하였다.
(5) 직접 화염 가시화 결과 해석을 통해, JP-8 연소 시 화염의 소산이 더 빠르게 그리고 더 일찍 발생하는 것을 알 수 있었다. 이는 연소 후반기 JP-8 의 상대적으로 우수한 기화 특성으로 인해 연소가 더욱 가속화되었으며 이로 인해 화염 소멸 과정이 촉진되어 최종 스모크 배출이 저감된 것을 의미한다.
(6) 이색법을 통해 얻은 화염 온도 분석 결과, JP-8 연소 시 국부적으로 고온 영역이 분포하는 것을 확인하였으며, 이는 JP-8 연소시의 NOx 배출이 증가된 현상을 설명해준다. 또한 JP-8 의 KL 치 분포가 더 균일하며 전반적으로 낮은 값을 보이는 것을 확인하였으며, 이를 통해 낮은 스모크배출 결과를 다시 확인할 수 있었다.
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