디젤기관은 세계적으로 연료의 경제성 때문에 사용이 증가할 것이다. 그러나 NOx, 매연 등과 같은 배기가스를 배출한다. 본 연구는 커먼레일 연료분사 시스템에서, 연료온도, 분사 압력, 분사시간, 연료 점성에 따른 분무 특성을 실험하였다. 커먼레일 시스템에서, 디젤 연료는 분사 압력, 분사 시간에 따라 분무 형상이 다르다. 필터 압력은 연료 유동과 관련이 있는 연료 점성을 변화시키는 연료 온도에 영향을 받는다. 분무와 무화특성에 미치는 바이오 디젤 연료의 혼합율의 영향에 대해 많은 실험 조건에서 실험하였다. 바이오디젤 연료의 미립화 특성은 바이오 디젤 혼합비율이 증가하면 높은 점성 때문에 악화되는 것을 알았다.
디젤기관은 세계적으로 연료의 경제성 때문에 사용이 증가할 것이다. 그러나 NOx, 매연 등과 같은 배기가스를 배출한다. 본 연구는 커먼레일 연료분사 시스템에서, 연료온도, 분사 압력, 분사시간, 연료 점성에 따른 분무 특성을 실험하였다. 커먼레일 시스템에서, 디젤 연료는 분사 압력, 분사 시간에 따라 분무 형상이 다르다. 필터 압력은 연료 유동과 관련이 있는 연료 점성을 변화시키는 연료 온도에 영향을 받는다. 분무와 무화특성에 미치는 바이오 디젤 연료의 혼합율의 영향에 대해 많은 실험 조건에서 실험하였다. 바이오디젤 연료의 미립화 특성은 바이오 디젤 혼합비율이 증가하면 높은 점성 때문에 악화되는 것을 알았다.
The using of diesel engine will be increased in the world for fuel economy. But diesel engine emits harmful emissions such as much NOx, smoke etc. In this study, experiments were performed to investigate the spray characteristics of diesel spray in a common-rail system according to fuel temperature,...
The using of diesel engine will be increased in the world for fuel economy. But diesel engine emits harmful emissions such as much NOx, smoke etc. In this study, experiments were performed to investigate the spray characteristics of diesel spray in a common-rail system according to fuel temperature, injection pressure, injection period and fuel viscosity etc. using a high speed video camera. Diesel oil has different spray patten due to injection pressure and injection period in a common-rail system. A Filter pressure was influenced by fuel temperature which was turned to fuel viscosity related to a fluid flowing. The effect of the bio-diesel fuel mixing ratio on the spray and atomization characteristics was also investigated at various experimental conditions. It shows that the droplet atomization characteristics of bio-diesel fuel showed deteriorated results as the mixing ratio of biodiesel increased because of the high viscosity.
The using of diesel engine will be increased in the world for fuel economy. But diesel engine emits harmful emissions such as much NOx, smoke etc. In this study, experiments were performed to investigate the spray characteristics of diesel spray in a common-rail system according to fuel temperature, injection pressure, injection period and fuel viscosity etc. using a high speed video camera. Diesel oil has different spray patten due to injection pressure and injection period in a common-rail system. A Filter pressure was influenced by fuel temperature which was turned to fuel viscosity related to a fluid flowing. The effect of the bio-diesel fuel mixing ratio on the spray and atomization characteristics was also investigated at various experimental conditions. It shows that the droplet atomization characteristics of bio-diesel fuel showed deteriorated results as the mixing ratio of biodiesel increased because of the high viscosity.
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제안 방법
분무가시화는 고속비디오 카메라를 사용하였다. 가시화에 있어서는 초당 18,000 프레임의 속도로 촬영하였고, 각 연료 및 온도에 따른 분무각 및 분무도달거리를 측정, 비교 분석하였다.
연료 분사시스템은 상용화되어 있는 디젤 커먼레일 시스템과 연료분사를 제어하기 위한 인젝터 드라이버를 사용하였다. 또 가시화를 위하여 고속비디오 카메라와 구동 제어 장치를 사용하여 형상을 가시화하였다. Figure 1은 본 연구에서 사용한 실험장치의 개략도이다.
본 실험은 커먼레일(Common-Rail) 시스템을 바탕으로 바이오디젤연료의 혼합비율, 연료온도변화에 따른 연료필터 양단의 압력 변화 및 분무특성을 분석하였고, 분무가시화 장치를 이용한 분무 거동을 분석하였다.
본 연구에서는 디젤커먼레일을 사용하여 디젤유 및 바이오디젤유에 대해 필터 전후에서의 온도 및 압력, 분무 형상, 분무 도달거리, 분무각을 연료의 종류, 연료온도, 분사압력 및 분사기간의 변화에 따라 측정, 분석하였다.
본 연구에서는 커먼레일 고압분사시스템을 사용하여 디젤유과 바이오디젤유에 대한 필터 전-후단의 온도와 압력, 그리고 분무각 및 분무도달거리의 분무특성 실험을 진행하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
연료 분사에 있어 커먼레일 연료분사 제어는 인젝터 드라이버(TEMS, TDA3200)의 구동회로를 이용하였으며, 연료 분사기간, 분사 압력을 제어하면서 실험을 수행하였다. 분무가시화는 고속비디오 카메라를 사용하였다.
연료온도는 연료탱크의 온도가 일정하게 유지되도록 제어하면서 연료 온도 변화에 대한 실험을 하였다. 또한 본 실험에서는 시판되고 있는 디젤유와 바이오디젤유를 사용하였다.
이는 초기에는 액적상태로 발달되다가, 어느 시간 경과 후 무화가 이루어지기 때문에 분무 진행이 완만해지고, 반경 방향으로의 분무 형상도 발달한다고 판단된다. 이 분무형상 사진으로부터 분무도달 거리 및 분무각 등 분무특성을 분석하였다.
이를 밝히기 위해본 연구에서는 연료공급필터의 전·후의 온도 및 리턴 온도를 측정, 분석하였으며, 결과는 Figure 3과 같다.
대상 데이터
연료온도는 연료탱크의 온도가 일정하게 유지되도록 제어하면서 연료 온도 변화에 대한 실험을 하였다. 또한 본 실험에서는 시판되고 있는 디젤유와 바이오디젤유를 사용하였다. 실험에 사용한 혼합유는 디젤유와 바이오디젤유를 중량비(%)로 혼합하여 사용하였고, Table 1에 디젤유 및 바이오 디젤 연료의 물성치를 나타내었다.
본 실험에서 사용한 실험장치는 크게 연료분사시스템, 온도조절 시스템 및 가시화시스템으로 구성되어 있다. 연료 분사시스템은 상용화되어 있는 디젤 커먼레일 시스템과 연료분사를 제어하기 위한 인젝터 드라이버를 사용하였다.
또한 본 실험에서는 시판되고 있는 디젤유와 바이오디젤유를 사용하였다. 실험에 사용한 혼합유는 디젤유와 바이오디젤유를 중량비(%)로 혼합하여 사용하였고, Table 1에 디젤유 및 바이오 디젤 연료의 물성치를 나타내었다.
Figure 6은 연료 종류가 분무각에 미치는 영향을 실험한 결과이다. 실험은 디젤과 바이오디젤유(BD20, BD50), 커먼레일 시스템에서 압력 600bar, 분사기간 1100㎲ 연료의 온도는 269K 조건 하에서 하였다.
이론/모형
본 실험에서 사용한 실험장치는 크게 연료분사시스템, 온도조절 시스템 및 가시화시스템으로 구성되어 있다. 연료 분사시스템은 상용화되어 있는 디젤 커먼레일 시스템과 연료분사를 제어하기 위한 인젝터 드라이버를 사용하였다. 또 가시화를 위하여 고속비디오 카메라와 구동 제어 장치를 사용하여 형상을 가시화하였다.
성능/효과
1) 연료의 온도에 따른 연료공급필터 전-후단 압력은 연료의 점도에 의해 연료 온도가 -4℃ 이후에는 거의 일정한 압력을 보이고 이 경향은 각 연료에서 거의 같게 나타나고 있다.
2) 연료온도에 따른 연료공급필터 전-후의 차압으로 커먼레일 연료분사의 여부를 판단 할 수 있으며, 본 실험의 경우 차압이 약 0.5bar 이상이 되면 분사가 일어나지 않았다.
3) 연료별 분무각은 압력의 차이에 관계 없이 분무초기에는 조금 큰 분무각을 가지다가 분무가 발달된 후에는 거의 일정한 분무각을 형성하였고, 혼합유가 점성과 표면장력에 의해 조금 작았다.
4) 각 연료별 분무 성장속도는 거의 같으며, 분무도달거리는 약 2ms까지 일정한 속도로 증가하다가 약 2ms 이후에는 미립화가 되면서 분무가 거의 증가하지 않는다 .
5) 분무도달거리는 점성이나 밀도에 의한 차이보다는 분사압력의 영향을 지배적으로 받았다.
전체적인 분무성향은 분무각의 경향이 초기에는 약간 크게 나타났으나, 시간이 흐름에 따라 분사초기의 큰 액적이 분열하면서 분무각은 보통 15°~17°로 일정함을 유지하고 있었고, 바이오 디젤유의 분무각이 디젤유의 분무각에 비해 조금 작았다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
디젤엔진이 많이 사용되는 이유는 무엇인가?
디젤엔진은 연소효율 및 연료 경제성이 우수하여 많이 사용되고 있으며, 특히 우리나라에서는 그 보급비율이 다른 선진국에 비해 높은 편이다. 그러나 공해 물질인 PM, NOx등 대기오염의 주범이 되고 있어 이를 위한 대체연료 등 다양한 효율적인 대기 저감대책이 요구되고 있다[1-2].
바이오디젤의 특징은 무엇인가?
바이오디젤은 식물성오일이나 동물성지방과 같은 재생 가능한 자원으로서 환경적으로 유익하고 미생물을 안전하게 분해하며 재생성이 좋고, 화석 연료보다 대기오염이 적은 것이 특징이다. 또한 바이오디젤연료는 경유와 물성이 유사하여 경유를 대체 또는 혼합하여 기존 디젤엔진을 수정 없이도 사용할 수 있다.
참고문헌 (6)
김규보, 조승환, "The measurement of soot particle size from the exhaust pipe of a common-rail direct injection diesel engine by TIRE-LII", 대한기계학회, 제30권, 제10호, pp. 973-981, 2006.
임재근, 최순열, "Effects of biodiesel fuel on characteristics of specific fuel consumption and exhaust emissions in DI diesel engine", 해양환경안전학회, 학술발표대회 논문집, pp.133-137, 2007.
V. Schwarz, G. Koing, P. Dittrich, and K. Binder, "Analysis of mixture formation, combustion and pollution formation in HD diesel engines using modern optical diagnostics and numerical simulation", SAE Paper 1999-01-3647, 1999.
L.W. Jaeger, K. Boulouchos, and M. Mohr, "Analysis of factors influencing particulate matter emissions of a compression-ignition direct-injection engine", SAE Paper 1999-01-3492, 1999
배명욱, 정재우, "A study on the injection rate characteristics of a rail type diesel injection with injection conditions", 한국자동차공학회, 춘계학술대회논문1호, pp 467-473, 2002.
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