[논문]디젤 및 DME 연료의 거시적 분무특성 비교

박준규; 전문수; 박성욱

doi:10.15435/jilasskr.2012.17.4.205

[국내논문] 디젤 및 DME 연료의 거시적 분무특성 비교
Comparisons of Diesel and DME Fuel in Macroscopic Spray Characteristics 원문보기

한국액체미립화학회지 = Journal of ilass-korea, v.17 no.4, 2012년, pp.205 - 209

박준규 (한양대학교 대학원 기계공학과) , 전문수 (한국교통대학교 에너지시스템공학과) , 박성욱 (한양대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This study focused on comparing macroscopic characteristics of DME and diesel fuel experimentally. DME fuel is one of the most promising alternative fuels because of its superiority in atomization characteristic and clearness in terms of exhaust gas compared with existing fossil fuels. In addition, DME fuel has high cetane number so it could be applied to compression ignition engine. However because DME fuel exists in gas phase at room temperature and atmospheric pressure, and it corrodes rubber parts of fuel line, DME fuel is hard to apply to commercial vehicles. To establish knowledge about DME fuel and furthermore, to develop commercial DME vehicles such as passenger cars, many research have been proceeded steadily. The present study, by comparing spray characteristics of DME fuel to those of diesel fuel, improved atomization characteristics in DME were revealed. Injection quantity measurement and spray visualization experiment were progressed and it was revealed that DME fuel shows small injection quantity than that of diesel fuel and axial development of spray in terms of spray tip penetration decreases when DME fuel was injected.

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문제 정의

본 연구에서는 디젤 및 DME 연료에 대하여 연료 분사 시 전류통전에 따른 분사량 측정 및 분무가시화 실험을 통하여 연료에 따른 거시적 분무거동을 파악하고 비교하는데 그 목적이 있다.
이 과정에서 두 개의 metalhalide lamp(Photron, HCV-SL)를 이용하여 더 선명한 분무형상을 취득할 수 있도록 하였다. 인젝터 및 카메라의 구동은 pulse/delay generator를 이용하여 동기화하였으며 신호 발생을 기준으로 한 분사지연시간을 관찰하고자 하였다. 취득한 이미지는 MATLAB 코드를 통한 이미지 프로세싱을 이용하여 분무도달거리를 측정하는데 객관성을 확보하고자 하였다^(8~10).
따라서 이러한 DME연료를 실제 엔진에 적용 시 동일한 출력을 내기 위하여 더 많은 양의 연료가 분사되어야 하고, 결과적으로 동일한 분사압력 조건에서 DME 연료의 분사기간은 디젤보다 더 길게 적용되어야 한다. 본 실험에서는 분사압력 및 전류통전기간의 변화를 바탕으로 DME 및 디젤 연료에 대한 거시적 분무 특성 및 연료의 물리적 특성이 분무 발달에 미치는 영향을 파악하기 위하여 연료 별 분사 압력 및 전류통전기간을 동일하게 하여 연구를 진행하였다. 연료 분사량 측정 및 분무가시화 실험에 대한 자세한 실험 조건은 Table 1에 나타내었다.

제안 방법

실험에 사용된 연 료분사장치로는 Bosch 5공 인젝터가 사용되었으며, 연료 분사량 측정을 위하여 분사된 액상 및 기상의 연료를 취 합할 수 있는 정적 체임버를 사용하였다. 연료 분 사량 측정은 실험조건 당 연료 분사 1000회 수행 후 1회 연료 분사량을 계산하였다. 분무가시화 실험에서는 연소실 내부를 모사할 수 있도록 질소가스로 내부를 가압한 고압 체임버 내부에 연료를 분사하였다.
연료 분 사량 측정은 실험조건 당 연료 분사 1000회 수행 후 1회 연료 분사량을 계산하였다. 분무가시화 실험에서는 연소실 내부를 모사할 수 있도록 질소가스로 내부를 가압한 고압 체임버 내부에 연료를 분사하였다. 고압체임버에는 시험 인젝터를 수직으로 장착하였고 고속카메라(Photron, Fastcam)를 이용하여 분무의 bottom view 이미지를 0.
분무가시화 실험에서는 연소실 내부를 모사할 수 있도록 질소가스로 내부를 가압한 고압 체임버 내부에 연료를 분사하였다. 고압체임버에는 시험 인젝터를 수직으로 장착하였고 고속카메라(Photron, Fastcam)를 이용하여 분무의 bottom view 이미지를 0.1 ms 간격으로 취득하였다. 이 과정에서 두 개의 metalhalide lamp(Photron, HCV-SL)를 이용하여 더 선명한 분무형상을 취득할 수 있도록 하였다.
1 ms 간격으로 취득하였다. 이 과정에서 두 개의 metalhalide lamp(Photron, HCV-SL)를 이용하여 더 선명한 분무형상을 취득할 수 있도록 하였다. 인젝터 및 카메라의 구동은 pulse/delay generator를 이용하여 동기화하였으며 신호 발생을 기준으로 한 분사지연시간을 관찰하고자 하였다.
인젝터 및 카메라의 구동은 pulse/delay generator를 이용하여 동기화하였으며 신호 발생을 기준으로 한 분사지연시간을 관찰하고자 하였다. 취득한 이미지는 MATLAB 코드를 통한 이미지 프로세싱을 이용하여 분무도달거리를 측정하는데 객관성을 확보하고자 하였다^(8~10).
분무가시화 실험의 경우 대기압 및 분위기압력 1.0 MPa, 2.0 MPa 조건에서 실험을 진행하였고 연료 분사 압력은 50 MPa 및 90 MPa로 고정하였으며 전류통전기간을 0.75 ms, 1.10 ms로 하였다. 분무의 축방향 발달 속도를 대표하는 분무도달거리는 취득한 bottom view 이미지의 노즐 팁 중심으로부터 분무의 가장 먼 끝 부분까지의 길이로 정의하였으며, 5공 인젝터에서 분사되는 각각의 분무가 모두 균일하게 대칭을 이루고 있어 5개의 길이의 평균값으로 결과를 정리하였다.
10 ms로 하였다. 분무의 축방향 발달 속도를 대표하는 분무도달거리는 취득한 bottom view 이미지의 노즐 팁 중심으로부터 분무의 가장 먼 끝 부분까지의 길이로 정의하였으며, 5공 인젝터에서 분사되는 각각의 분무가 모두 균일하게 대칭을 이루고 있어 5개의 길이의 평균값으로 결과를 정리하였다. 연료 분사량 측정 실험에서는 분무가시화 실험에서와 동일한 연료 분사 압력 및 전류통전기간 조건 하에서 조건당 연료 분사 1000회 수행 이후 3회씩 반복하여 1회 연료 분사량을 계산하였다.
분무의 축방향 발달 속도를 대표하는 분무도달거리는 취득한 bottom view 이미지의 노즐 팁 중심으로부터 분무의 가장 먼 끝 부분까지의 길이로 정의하였으며, 5공 인젝터에서 분사되는 각각의 분무가 모두 균일하게 대칭을 이루고 있어 5개의 길이의 평균값으로 결과를 정리하였다. 연료 분사량 측정 실험에서는 분무가시화 실험에서와 동일한 연료 분사 압력 및 전류통전기간 조건 하에서 조건당 연료 분사 1000회 수행 이후 3회씩 반복하여 1회 연료 분사량을 계산하였다.
본 연구에서는DME 및 디젤 연료에 대하여 분사량 측정 실험 및 분무가시화 실험을 수행하여 연료에 따른 거시적 분무특성을 비교하였으며, 연구 결과는 다음과 같다.

대상 데이터

차량용 디젤(ULSD) 및 DME 연료에 대한 거시적 분무특성을 알아보기 위하여 Bosch 5공 커먼레일 인젝터를 사용하여 연료 분사량 및 분무가시화 실험을 수행하였으며, 인젝터는 노즐 홀 직경 0.18 mm 및 분사각 142°인 제품을 사용하였다.
1과 같이 실험 장치를 구성하였다. 실험에 사용된 연 료분사장치로는 Bosch 5공 인젝터가 사용되었으며, 연료 분사량 측정을 위하여 분사된 액상 및 기상의 연료를 취 합할 수 있는 정적 체임버를 사용하였다. 연료 분 사량 측정은 실험조건 당 연료 분사 1000회 수행 후 1회 연료 분사량을 계산하였다.

성능/효과

2 및 Table 2에 나타내었다. 동일 압력 및 동일 전류통전기간 조건 시에 DME의 경우 디젤보다 연료 분사량이 더 적은 것으로 나타났으며, 전류통전기간이 길수록 디젤에 대한 DME의 연료 분사량의 감소율은 작아졌다. 이와 같은 결과는 두 시험연료간의 밀도차이에 의한 영향이 지배적일 것으로 판단된다.
0 MPa 조건 하에서 DME 및 디젤 연료의 통전 후 시간에 따른 분무도달거리를 비교한 그래프이다. 두 시험연료에 대하여 모두 전류통전기간이 길어짐에 따라 분무의 축 방향 발달이 더 오래 지속되는 것을 관찰 할 수 있었으며, 분무도달거리는 DME의 경우 디젤에 비하여 전체 시간에 대해 짧은 것으로 나타났다. 이러한 결과에 대한 원인 역시 DME 연료의 물리적 특성인 낮은 밀도를 들 수 있다.
연료 분사 직후 초반에는 두 연료에 대한 뚜렷한 거시적 분무 특성이 나타나지 않았으나 통전 후 시간이 흐름에 따라 DME 연료의 우수한 미립화 특성으로 인해 디젤연료에 비하여 연료의 무화 가 상당부분 이루어진 것을 확인할 수 있었다. 또한 연료 분사압력이 높아짐에 따라 연료 액적의 무화 정도는 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 90 MPa의 압력조건에서도 50 MPa일 때와 동일한 기간 동안 전류를 통전하였기 때문에 연료 분사량의 증가로 인하여 연료의 미립화가 충분히 일어나지 못한 것으로 판단된다.
연료 분사 직후 초반에는 두 연료에 대한 뚜렷한 거시적 분무 특성이 나타나지 않았으나 통전 후 시간이 흐름에 따라 DME 연료의 우수한 미립화 특성으로 인해 디젤연료에 비하여 연료의 무화 가 상당부분 이루어진 것을 확인할 수 있었다. 또한 연료 분사압력이 높아짐에 따라 연료 액적의 무화 정도는 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 90 MPa의 압력조건에서도 50 MPa일 때와 동일한 기간 동안 전류를 통전하였기 때문에 연료 분사량의 증가로 인하여 연료의 미립화가 충분히 일어나지 못한 것으로 판단된다. 연료분사압력이 분무발달에 미치는 영향을 파악하기 위하여 연료 별 분사압력에 따른 분무도달거리 그래프를 Fig.
5에 나타내었다. DME 및 디젤 연료에 대하여 모두 분사압력이 높아짐에 따라 분무의 발달속도 역시 증가하는 결과가 나타났다. 또한 50 MPa 및 90 MPa 분사압력 조건에 대하여 모두 DME의 분무도달거리는 더 짧게 나타났다.
DME 및 디젤 연료에 대하여 모두 분사압력이 높아짐에 따라 분무의 발달속도 역시 증가하는 결과가 나타났다. 또한 50 MPa 및 90 MPa 분사압력 조건에 대하여 모두 DME의 분무도달거리는 더 짧게 나타났다. 전류 통전 후 분무가 시작 되기까지의 분사지연은 DME 연료의 낮은 점도로 인하여 디젤에 비하여 분사가 더 빨리 시작될 것으로 예상했으나 두 시험연료 및 분사압력에 관계 없이 일정한 것으로 나타났다.
또한 50 MPa 및 90 MPa 분사압력 조건에 대하여 모두 DME의 분무도달거리는 더 짧게 나타났다. 전류 통전 후 분무가 시작 되기까지의 분사지연은 DME 연료의 낮은 점도로 인하여 디젤에 비하여 분사가 더 빨리 시작될 것으로 예상했으나 두 시험연료 및 분사압력에 관계 없이 일정한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 분무가시화 실험에서 측정된 이미지 상의 결과로부터 도출된 것으로 보다 더 정확한 분사지연을 검사하기 위하여는 분사율 실험이 추가적으로 진행되어야 할 것으로 판단된다.
1) 연료 분사량 실험 결과 DME의 연료 분사량은 디젤에 비하여 더 적은 것으로 나타났으며 이는 두 연료간의 밀도차이에 의한 영향이 지배적인 것으로 판단된다.
2) 분무가시화 실험결과 전류통전기간이 증가함에 따라 분무의 축 방향 발달이 지속되는 것으로 나타났으며 DME의 경우 디젤에 비하여 측정 시간에 대하여 전체적으로 더 짧은 분무도달거리를 갖는 것으로 나타났다.
3) 분사압력에 따른 분무도달거리는 분사압력이 증가함에 따라 두 시험연료 모두 증가하는 것으로 나타났으며 DME연료의 분무 발달속도는 연료 분사압력을 높임으로써 보상할 수 있을 것으로 판단된다. 분사압력을 높일 시 DME 연료의 경우 빠른 속도로 분사 시 연료 공급 라인 내 압력하강이 발생하여 이러한 문제 역시 개선하여야 할 것으로 판단된다.
4) 두 시험연료에 대한 분무가시화 이미지를 관찰한 결과 DME연료의 경우에 우수한 미립화 특성 및 기화 특성으로 인하여 분무 액적의 무화가 원활히 이루어졌으며, 분사 초기에는 연료간의 뚜렷한 차이가 나타나지 않았지만 분사 종료 후 충분한 시간 후에 상당 부분 증발이 이루어진 것으로 확인되었다.

후속연구

분사량 측정 실험 과정에서 DME 연료 분사압력 50 MPa의 경우에는 5 Hz의 분사 속도에 대하여 연료라인의 압력이 일정하게 유지되었으나90 MPa의 분사압력 조건에서는 빠른 분사 시 라인 내 압력이 유지되지 못하고 압력하강이 발생했다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 연료 분사속도를 1 Hz로 낮추어 관 내 압력을 유지하였지만 빠른 속도로 회전하는 실제 엔진에 적용하기에는 무리가 있으므로 향후 이러한 문제를 개선할 수 있도록 연구가 더 진행되어야 할 것으로 판단된다.
전류 통전 후 분무가 시작 되기까지의 분사지연은 DME 연료의 낮은 점도로 인하여 디젤에 비하여 분사가 더 빨리 시작될 것으로 예상했으나 두 시험연료 및 분사압력에 관계 없이 일정한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 분무가시화 실험에서 측정된 이미지 상의 결과로부터 도출된 것으로 보다 더 정확한 분사지연을 검사하기 위하여는 분사율 실험이 추가적으로 진행되어야 할 것으로 판단된다.
5) 두 연료에 대한 분사지연은 분무가시화 이미지 상에서는 나타나지 않았으며 보다 정확한 측정을 위하여 향후 분사율 실험이 추가적으로 진행되어야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DME 연료의 장점은 무엇인가?	이러한 현실적인 상황 에서 DME(Dimethyl ether)는 친환경 청정연료로써 차세대 대체 연료로 주목받고 있다(1,2). DME 연료는 분자를 구성하는 탄소원자간의 직접 결합이 없어 연소 시 soot의 배출량이 디젤에 비하여 현저하게 낮으며, 내부에 포함된 산소원자가 연소에 참여하여 연소를 더욱 원활하게 한다는 장점이 있다(3). 또한 DME는 화학적으로 높은 cetane가를 갖고 있으며 연료 자체의 낮은 분자량으로 인한 낮은 점성 역시 연료의 미립화에 유리하게 작용하기 때문에 기존의 압축착화 엔진에 적용이 가능할 것으로 전망된다(3,4).
	DME 및 디젤 연료에 대하여 분사량 측정 실험 및 분무가시화 실험을 수행하여 연료에 따른 거시적 분무특성 비교 연구결과는 어떠한가?	1) 연료 분사량 실험 결과 DME의 연료 분사량은 디젤 에 비하여 더 적은 것으로 나타났으며 이는 두 연료간의 밀도차이에 의한 영향이 지배적인 것으로 판단된다. 2) 분무가시화 실험결과 전류통전기간이 증가함에 따라 분무의 축 방향 발달이 지속되는 것으로 나타났으며 DME의 경우 디젤에 비하여 측정 시간에 대하여 전체적 으로 더 짧은 분무도달거리를 갖는 것으로 나타났다. 3) 분사압력에 따른 분무도달거리는 분사압력이 증가 함에 따라 두 시험연료 모두 증가하는 것으로 나타났으며 DME연료의 분무 발달속도는 연료 분사압력을 높임 으로써 보상할 수 있을 것으로 판단된다. 분사압력을 높일 시 DME 연료의 경우 빠른 속도로 분사 시 연료 공급 라인 내 압력하강이 발생하여 이러한 문제 역시 개선하여야 할 것으로 판단된다. 4) 두 시험연료에 대한 분무가시화 이미지를 관찰한 결과 DME연료의 경우에 우수한 미립화 특성 및 기화 특성으로 인하여 분무 액적의 무화가 원활히 이루어졌으며, 분사 초기에는 연료간의 뚜렷한 차이가 나타나지 않았지만 분사 종료 후 충분한 시간 후에 상당 부분 증발이 이루어진 것으로 확인되었다. 5) 두 연료에 대한 분사지연은 분무가시화 이미지 상에서는 나타나지 않았으며 보다 정확한 측정을 위하여 향후 분사율 실험이 추가적으로 진행되어야 할 것으로 판단된다.
	디젤 엔진의 장점은 무엇인가?	디젤 엔진은 높은 열효율 및 우수한 연비로 인하여 승용차, 선박, 건설 기계 등 다양한 분야의 차량에 적용 되어 왔다. 또한 그간 많은 연구가 수행되었으며 DPF 등의 후처리 장치로 인하여 과거에 비해 배기배출물의 저감이 상당 부분 이루어 졌지만, Euro-5 및 다가오는 Euro-6 등 차량 배기배출물 제한은 더욱 엄격해지고 있으며 높아지는 유가에 의해 차세대 대체 에너지의 개발 및 차량 적용이 필요한 상황이다.

참고문헌 (10)

H. Ofner, D. Gill, and C. Krotscheck, "Dimethyl ether as fuel for CI engines - A new technology and its environmental potential", SAE paper, 1998, 981158.
S. C. Sorenson, M. Glensvig, and D. L. Abata, "Dimetyl ether in diesel fuel injection system", SAE paper, 1998, 981159.
H. Teng, J. C. McCandless, J. B. Schneyer, "Thermochemical characteristics of dimethyl ether-An alternative fuel for compression-ignition engines", SAE paper, 2002, 2002-01-0862.
H. Teng, J. C. McCandless, J. B. Schneyer, "Thermodynamic properties of dimethyl ether-An alternative fuel for compression-ignition engines", SAE paper, 2004, 2004-01-0093.
H. K. Suh, S. W. Park, and C. S. Lee, "Atomization characteristics of dimethyl ether fuel as an alternative fuel injected through a common-rail injection system", Energy and Fuels, Vol. 20, 2006, pp. 1471-1481.

상세보기
H. J. Kim, H. K. Suh, and C.S. Lee, "Numerical and experimental study on the comparison between diesel and dimethyl ether (DME) spray behaviors according to combustion chamber shape", Energy and Fuels, Vol. 22, 2008, pp. 2851-2860.

상세보기
M. Konno, K. Chiba, and T. Okamoto, "Experimental and numerical analysis of high pressure DME spray", SAE paper, 2010, 2010-01-0880.
박정환, 박수한, 이창식, 박성욱, "DME 연료의 거시적 분무특성에 관한 실험적 연구", 한국액체미립화학회지, 제 15권, 3호, 2010, pp. 115-123.

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전문수, "클린 디젤엔진 적용을 위한 솔레노이드 및 피에조 인젝터의 분무특성", 한국액체미립화학회지, 제 17권, 3호, 2012, pp. 158-163.

원문보기 상세보기
박세원, 박수한, 박성욱, 전문수, 이창식, "디젤-가솔 린 혼합연료의 혼합안정성 및 거시적인 분무 특성에 관한 실험적 연구", 한국액체미립화학회지, 제 17권, 3호, 2012, pp. 121-127.

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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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