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문제 정의
- 따라서 본 연구는 정적연소기(constant volume chamber. 이하 C.V.C)를 제작하고 당량비와 다양한 수소-LPG혼합 비율을 변수로 설정하여 C.V.C 내 연소를 통해 H2-LPG 연료의 연소 및 배출가스특성을 파악하고자한다.
제안 방법
- LPG 연료탱크, 레귤레이터 유닛, 인젝터를 바탕으로 LPLi 차량과 동일한 연료 공급시스템1)을 제작하였으며, PFI(port fuel injection) 방식을 모사 적용하기 위해 흡기관에 LPLi 인젝터를 설치하여 유입되는 공기와 함께 LPG 연료를 분사하였다.
- 연소압력 측정을 위해 piezo type 압력센서를 연소실 내 설치하였고, 점화를 위한 스파크 플러그를 연소실 중앙에 위치하도록 설치하였다. 연소 가시화 촬영을 위해 정적연소기 앞면에 직경 120mm, 두께 25mm의 강화유리를 설치하였고, 고속카메라를 통해 연소과정을 촬영하였다.
- 연소압력 측정을 위해 piezo type 압력센서를 연소실 내 설치하였고, 점화를 위한 스파크 플러그를 연소실 중앙에 위치하도록 설치하였다. 연소 가시화 촬영을 위해 정적연소기 앞면에 직경 120mm, 두께 25mm의 강화유리를 설치하였고, 고속카메라를 통해 연소과정을 촬영하였다.
- -LPG 연료 정적연소실험 조건을 보여주고 있다. LPG 연료의 조성은 butane 70%+propane 30% 이며, 본 논문에서 언급하는 HLPG(H2+LPG) 연료는 각각의 당량비 조건에 서 LPG 100%의 발열량을 기준으로 수소비율에 따른 LPG와 수소의 혼합 연료로 정의하며, 편의상 각각을 HLPG 10%, 20%, 30%, 40%로 표기하였다. 또한 연소실 내 분위기 온도는 모든 실험 조건에서 353K으로 일정하게 유지하였다.
- Piezo 압력센서와 charge meter를 이용하여 연소실 내 압력변화를 측정하였으며, national instruments사의 DAQ(data acquisition: DAQ-NI USB-6251)와 Labview 8.5로 programing 된 제어 로직을 통해 연소압력 데이터를 확보하였다. 또한 연소압력 데이터를 바탕으로 열 발생률을 산정하여 HLPG 연료의 연소특성을 파악하였다.
- 5로 programing 된 제어 로직을 통해 연소압력 데이터를 확보하였다. 또한 연소압력 데이터를 바탕으로 열 발생률을 산정하여 HLPG 연료의 연소특성을 파악하였다.
- 점화시기, high speed camera trigger, LPLi 인젝터 분사기간(duration) 또한 Labview 8.5로 programing 된 제어 로직을 통해 제어하였으며, LPG 연료는 분사압력 7 bar로 일정하게 유지하고 분사기간의 변화에 따라 분사량을 조정하였다.
- 주요한 연소 후 생성물인 CO2, CO, THC 및 NOX는 HORIBA MEXA-554 JKNOX 분석기를 통해 각 발생 조건에서의 배출농도를 측정하였다.
- 다양한 H2-LPG 혼소 비율에 따른 HLPG 연료의 연소 및 배출가스 특성을 파악하기 위해 수소첨가율(%)과 당량비(ϕ)를 변수로 설정하고 정적연소기 내 연소를 통해 연소가시화, 연소압력 및 배출가스농도를 측정하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- C.V.C는 보어 86mm, 폭 39mm로 기존 2.0 LPLi 엔진과 유사한 연소실 형상으로 모사하여 제작하였다.
성능/효과
- 연소과정을 촬영한 결과 모든 당량비 조건(ϕ = 1.0∼0.6)에서 수소첨가율이 증가함에 따라 화염전파속도가 빨라지는 것을 확인하였다.
- 당량비(ϕ) = 0.6, LPG 100%의 조건의 경우 연소가 이루어지지 않았지만 HLPG 10% 조건부터는 연소가 일어나는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 수소의 넓은 가연범위(flammable limits)로 인해 희박한계가 확장된 것으로 판단되며, 수소를 첨가함으로써 희박한 조건에서도 안정된 화염이 생성되고 성장하는 것을 확인하였다.
- 6, LPG 100%의 조건의 경우 연소가 이루어지지 않았지만 HLPG 10% 조건부터는 연소가 일어나는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 수소의 넓은 가연범위(flammable limits)로 인해 희박한계가 확장된 것으로 판단되며, 수소를 첨가함으로써 희박한 조건에서도 안정된 화염이 생성되고 성장하는 것을 확인하였다.
- 0)에서 수소첨가율에 따른 HLPG 연료의 연소압력 및 열 발생률을 나타내고 있다. 당량비 조건이 농후해질수록 연료량의 증가로 인해 최대압력 및 최대 열 발생률이 상승하였으며, 각각의 당량비 조건에서 수소첨가율이 증가할수록 연소압력 및 열발생률이 더 급격하게 상승하는 경향을 보이고 있다.
- 당량비(ϕ) = 0.6, LPG 100% 조건에서 연소가 일어나지 않았으며, HLPG 10% 조건에서는 거의 실화에 가까운 연소가 발생되었고, 이 후 수소첨가율이 증가하는 조건일수록 더 급격한 압력상승과 열 발생률을 보였다. 또한 수소를 첨가하면 희박한 조건에서 안정된 연소가 가능하다는 것을 확인 할 수 있었다.
- 6, LPG 100% 조건에서 연소가 일어나지 않았으며, HLPG 10% 조건에서는 거의 실화에 가까운 연소가 발생되었고, 이 후 수소첨가율이 증가하는 조건일수록 더 급격한 압력상승과 열 발생률을 보였다. 또한 수소를 첨가하면 희박한 조건에서 안정된 연소가 가능하다는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 수소의 낮은 최소점화에너지와 빠른 화염전파특성으로 인한 화염의 생성 및 성장의 가속화로, 점화지연기간이 감소하고 연소속도가 증가한 결과로 보여 진다.
- 9는 당량비 및 수소첨가율에 따른 HLPG 연료의 CO2 배출농도를 보여주고 있다. 각각의 당량비 조건에서 수소첨가율이 증가 할수록 HLPG 연료의 H/C 비율 증가로 인해 CO2 배출농도가 감소하는 것으로 판단된다.
- 각각의 당량비 조건에서 수소첨가율이 증가 할수록 HC 배출농도는 감소하는 경향을 보인다. 이는 수소첨가율이 증가할수록 HLPG 연료의 동일 발열량 조건에 의해 LPG 연료가 감소하기 때문에 탄화수소계 연료에서만 배출되는 HC의 배출농도가 감소하는 것으로 판단된다.
- 1) 수소첨가율이 증가할수록 연소 압력 및 열 발생률이 급격히 상승하고, 수소의 낮은 최소점화에너지와 빠른 화염전파특성으로 인한 화염의 생성 및 성장의 가속화로 인해 점화지연기간이 감소하고 연소속도가 증대하는 것을 확인 할 수 있었다.
- 2) 수소연료의 높은 반응성과 빠른 화염전파속도로 인해 HLPG 연료는 기존의 LPG 연료 보다 희박한계가 확장되어 희박한 영역(ϕ = 0.8, 0.6)에서도 안정된 연소가 가능함을 확인할 수 있었다.
- 3) 당량비(ϕ) = 0.6 조건에서는 수소첨가율 20% 이상부터 연소가 이루어졌으며, 특히 수소첨가율이 30% 일 때 안정된 연소와 더불어 가장 낮은 수준의 배출가스(CO2, CO, HC, NOX)농도를 보임으로써 최적의 수소비율임을 확인 할 수 있었다.
- 4) 각각의 당량비 조건에서 수소첨가율이 증가할수록 연소특성이 개선되었으며, H/C 비율 증가로 인해 탄화수소계 연료에서 배출되는 CO2, CO 및 HC 배출농도가 감소하는 것을 확인 할 수 있었다.
- 5) HLPG 연료의 수소비율이 증가할수록 수소의 높은 단열화염온도로 인해 NOX 배출농도가 증가하였지만, 수소의 넓은 가연한계특성으로 인해 안정된 희박연소가 가능한 조건에서 NOX를 저감 할 수 있음을 확인하였다.
- 10은 당량비 및 수소첨가율에 따른 HLPG 연료의 CO 배출농도를 보여주고 있다. 희박한 조건(ϕ = 0.8, 0.6)에서는 높은 산소농도로 인해 CO는 거의 배출되지 않았으며, 이론공연비(ϕ = 1.0) 조건에서 수소 비율이 증가하여 H/C 비율이 증가함에도 불구하고 CO 배출농도는 거의 동일한 수준을 보이고 있다. 이는 HLPG 20%, HLPG 30%, HLPG 40% 일 때 전체 연료체적 중 수소는 각각 68%, 78%, 84% 체적비율을 차지하기 때문에 체적 대비 상당한 질량의 LPG연료가 국부적으로 농후한 영역을 형성하였을 것으로 예상되며, 이러한 영역에서 발생된 불완전연소의 결과로 보여 진다.
후속연구
- 이러한 수소를 LPG 연료와 혼합하여 사용한다면 상대적으로 연소속도가 느린 LPG 연료의 연소속도는 증대 될 것이며, 이로 인한 연소 및 배기특성이 개선될 것으로 예상된다10). 또한 수소의 넓은 가연범위 특성으로 인해 안정된 희박연소가 가능하여 탄소세 대비를 위한 CO2 저감도 도모할 수 있을 것으로 기대된다.
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