선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 이러한 alcohol계열의 특성으로 인해 n-heptane과의 혼합연료를 사용했을 때 연소현상에 다소 변화가 있을 것으로 판단하였으며, 또한 본 연구에서는 높은 EGR율을 모사한 9-10% O2조건으로 계산을 수행하였기 때문에 연료와 반응할 수 있는 산소의 양이 상대적으로 줄어듦에 따라 야기되는 반응성 저감이 두 혼합연료에 미치는 영향을 관찰하고 연소특성을 비교하고자 하였다.
가설 설정
- 1. Definition of Ignition delay time.
제안 방법
- 당량비(φ)는 HCCI엔진의 구동조건과 이론양론비 조건을 각각 적용하여 0.4, 1.0으로 조절하였고 압축압력(Pc)은 20 bar로 설정하여 착화지연의 변화를 관찰하였다.
- 조건을 주요 관찰영역으로 설정하였으며 PRF(Primary Reference Fuel)로 디젤과 비슷한 세탄가를 가지는 nheptane과 최근 대체에너지원으로 관심이 모아지고있는 ethanol 및 n-butanol을 혼합한 연료의 착화지연 특성을 조사하였다. 두 혼합연료의 예혼합 압축착화의 특성을 예측하기 위해 상용 소프트웨어인 CHEMKIN-PRO[7]를 이용하여 수치해석을 수행하였으며 연료의 혼합비율변화와 EGR율 변화에 의한 연소실 내 산화제 저감에 따른 착화지연을 냉염과 열염(thermal flame)으로 나누어 관찰하였고 화학종의 몰분율 계산을 통해 두 혼합연료의 연소특성을 자세히 분석하였다.
- 따라서 본 연구에서는 NOx와 soot 저감에 탁월한 효과가 있는 높은 EGR율을 적용한 9-10% O2조건을 주요 관찰영역으로 설정하였으며 PRF(Primary Reference Fuel)로 디젤과 비슷한 세탄가를 가지는 nheptane과 최근 대체에너지원으로 관심이 모아지고있는 ethanol 및 n-butanol을 혼합한 연료의 착화지연 특성을 조사하였다. 두 혼합연료의 예혼합 압축착화의 특성을 예측하기 위해 상용 소프트웨어인 CHEMKIN-PRO[7]를 이용하여 수치해석을 수행하였으며 연료의 혼합비율변화와 EGR율 변화에 의한 연소실 내 산화제 저감에 따른 착화지연을 냉염과 열염(thermal flame)으로 나누어 관찰하였고 화학종의 몰분율 계산을 통해 두 혼합연료의 연소특성을 자세히 분석하였다.
- 이는 n-heptane을 연료로 냉염과 NTC현상에 대해 연구한 Law 등[16]의 연구와 동일한 경향을 나타내는 결과로서 본 연구에서 관찰한 H/E, H/B혼합연료의 비교 결과는 절대값의 근소한 차이만 있을 뿐 전체적인 경향은 일치함을 확인할 수 있었다. 또한 각 혼합연료 내에서 alcohol연료의 반응성을 확인하기 위해 연료의 초기 산화반응인 수소원자 분리에 의한 알킬기를 함께 나타내었다. 선행연구에 의해[12,17] -OH기의 영향으로 α-탄소의 C-H결합력이 가장 약함을 확인하였고 이를 토대로 각 alcohol연료의 대표 알킬기를 선정하였다.
- 여기서 산소비율 감소에 따른 착화지연의 증가는 동일 당량비에서 산소비율이 감소함에 따른 연료의 절대량의 감소와 낮은 산소비율에 의한 반응성 저감으로 설명할 수 있다. 산소비율 변화에 따라 가장 큰 착화지연의 차이를 보이는 A60 혼합연료 조건으로 연소실 내 산소비율에 따른 생성 화학종의 몰분율 변화와 앞서 열 방출량과 동일한 경향을 보였던 OH라디칼의 생성량을 계산하였고 그 결과는 Fig. 6, 7에 각각 나타내었다. 이를 통해 nheptane의 주요 저온 산화반응에 의한 생성 화학종들의 몰분율은 연소실 내 산소비율 감소와 함께 크게 저감되며 OH라디칼 감소현상도 뚜렷하게 관찰됨을 확인할 수 있었다.
- 선행연구에 의해[12,17] -OH기의 영향으로 α-탄소의 C-H결합력이 가장 약함을 확인하였고 이를 토대로 각 alcohol연료의 대표 알킬기를 선정하였다.
- 9-10% 조건을 적용하였다. 수치해석에 사용된 연료는 n-heptane/ethanol, n-heptane/ n-butanol 혼합연료로 화석연료 고갈과 강화되는 환경규제의 영향으로 최근 관심이 높아지고 있는 대표적인 두 바이오연료 ethanol과 n-butanol의 옥탄가와 자착화 온도의 차이가 디젤과 비슷한 세탄가를 가지며 압축착화엔진의 연로로서 주로 사용되어 온 nheptane과 혼합했을 때 연소특성의 차이를 비교하고자 하였다. 각 연료의 특성은 Table 1에 나타내었다.
- 앞서 서론에서 언급하였듯이 선행연구를 통해 높은 EGR율을 적용하였을 때 NOx와 soot의 배출이 크게 감소하는 것을 확인하였으므로 본 연구에서는 이를 모사한 조건인 O2 9-10% 조건을 적용하였다. 수치해석에 사용된 연료는 n-heptane/ethanol, n-heptane/ n-butanol 혼합연료로 화석연료 고갈과 강화되는 환경규제의 영향으로 최근 관심이 높아지고 있는 대표적인 두 바이오연료 ethanol과 n-butanol의 옥탄가와 자착화 온도의 차이가 디젤과 비슷한 세탄가를 가지며 압축착화엔진의 연로로서 주로 사용되어 온 nheptane과 혼합했을 때 연소특성의 차이를 비교하고자 하였다.
- 연소는 압축행정이 끝나고 진행되므로 피스톤이 상사점에 도달했을 때의 압력과 온도를 초기조건으로 하는 정적 연소반응 모듈을 적용하였다. n-heptane/ ethanol과 n-heptane/n-butanol 혼합연료는 CNRS[8,9]에서 개발된 반응모델을 각각 사용하였고 565개 화학종과 2589개 화학반응식, 573개 화학종과 2701개 화학 반응식으로 구성되어 있다.
- 저온연소 조건에서 HCCI엔진을 모사한 정적모듈을 이용하여 친환경 바이오 연료인 ethanol과 n-butanol을 PRF로 디젤과 비슷한 세탄가를 가지는 n-heptane과 혼합하여 연료로 사용했을 때 연소특성을 비교 관찰하고자 냉염과 열염에 대한 착화지연과 연소과정 동안의 화학종 몰분율 계산을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 연소는 압축행정이 끝나고 진행되므로 피스톤이 상사점에 도달했을 때의 압력과 온도를 초기조건으로 하는 정적 연소반응 모듈을 적용하였다. n-heptane/ ethanol과 n-heptane/n-butanol 혼합연료는 CNRS[8,9]에서 개발된 반응모델을 각각 사용하였고 565개 화학종과 2589개 화학반응식, 573개 화학종과 2701개 화학 반응식으로 구성되어 있다. 또한 n-heptane에 대한 계산에서는 Mehl 등[10]의 n-heptane 상세반응 모델을 사용하였다.
이론/모형
- n-heptane/ ethanol과 n-heptane/n-butanol 혼합연료는 CNRS[8,9]에서 개발된 반응모델을 각각 사용하였고 565개 화학종과 2589개 화학반응식, 573개 화학종과 2701개 화학 반응식으로 구성되어 있다. 또한 n-heptane에 대한 계산에서는 Mehl 등[10]의 n-heptane 상세반응 모델을 사용하였다.
성능/효과
- 또한 Fig. 7(a)를 통해 연소과정 동안의 연료소모율을 살펴보면 EGR을 적용하지 않은 조건에서는 냉염으로 인한 n-heptane의 소모율은 55%인데 반해 EGR을 적용한 조건에서는 47%로 약 8% 차이가 나며 연료 양의 절대값을 따져봤을 때 소모양은 약 2.5배의 차이를 보였다. 연료 변화에 대해서는 Fig.
- 연료 변화에 대해서는 Fig. 7(b)를 통해 H/B혼합연료의 경우 냉염이 형성되는 시점에서 약 51%의 n-heptane이 소모됨과 더불어 n-butanol은 44.8%가 소모되는 반면 H/E혼합연료의 경우에는 n-heptane은 H/B혼합연료와 비슷하게 52.6% 정도가 냉염 형성 시에 소모되나 ethanol은 21.1%만 소모되며 온도가 증가하여 산화반응이 거의 종료되는 시점에서 급격하게 반응하는 것을 관찰할 수 있었다. 이를 통해 냉염에 의한 연료의 조기 산화반응은 H/B혼합연료에서 더 큰 것을 확인할 수 있으나[19] H/E혼합연료의 경우 상대적으로 많은 잔량의 ethanol이 반응하기까지 충분한 온도를 필요로 하기 때문에 H/B혼합연료에 비해 착화지연이 더 증가하는 것으로 사료된다.
- 한편 Fig. 3(b), (c)를 통해 혼합연료 변화에 대한 영향을 살펴보면 n-butanol이 ethanol에 비해 저온에서 더 큰 반응성을 보였으나 n-heptane과 비교하면 그 비중이 상당히 미미한 것을 확인할 수 있었다.
- 1) H/B혼합연료 내 n-butanol의 비율이 증가함에 따라 냉염 및 열염에 의한 착화지연 시간이 증가하였고 압축온도 900 K 이상에서 반응성이 크게 향상됨을 확인하였다.
- 2) H/E혼합연료의 경우에는 H/B혼합연료와 전체적인 경향은 유사하게 나타났으나 저온에서의 약한산화반응의 영향으로 혼합연료 내 ethanol의 비율이 증가함에 따라 저온영역에서 착화지연이 비선형적으로 증가하였다.
- 3) 산화제 비율변화에 대해서는 냉염에 의한 착화지연시간의 변화폭이 크지 않았고 9% O2조건의 저온영역에서는 착화가 일어나지 않아 EGR을 적용하였을 때 운전영역이 축소될 수 있음을 확인하였다.
- 4) EGR율 변화에 따라 두 혼합연료는 착화지연에 동일한 경향을 보였으며 냉염에 의한 연료의 조기 산화반응은 H/B혼합연료에서 더 강했으나 전체적인 착화지연시간은 모든 조건에서 H/E혼합연료가 더 길었다.
- 이는 보다 높은 옥탄가를 가지는 ethanol의 특성과 더불어 Haas 등의 선행연구[14]를 통해 확인된 저온에서 ethanol의 약한 산화반응 때문으로 사료되며 ethanol의 연소를 위해서는 n-butanol과 비교해 보다 높은 온도가 유지되어야 하는 것으로 판단된다. NTC를 형성하는 압축온도 900 K에서는 H/E혼합연료의 경우 비율변화에 따른 착화지연의 선형적인 증가를 확인할 수 있었고 H/B혼합연료의 경우에는 높은 alcohol비율 조건(B60, B80)에서 착화지연이 수렴함을 관찰할 수 있었으며 이는 압축온도 900 K 이상 영역에서부터 n-heptane과 n-butanol이 반응성의 정도가 유사해짐을 의미한다. 또한 상대적 최고온부인 압축온도 1,100 K에서의 결과를 통해 0.
- 한편 혼합비율 변화에 대해서는 연료 내 alcohol비율이 증가함에 따라 τ1도 함께 증가하였고 alcohol계 연료의 비율이 상대적으로 가장 높은 A80조건에서는 냉염이 관찰되지 않았다. 그리고 혼합연료에 따른 냉염의 착화지연 시간은 압축온도에 상관없이 H/E혼합연료가 H/B혼합연료에 비해 크게 나타났고 alcohol계 연료 비율이 증가함에 따라 그 차이가 커짐을 확인할 수 있었다. 이에 대한 구체적인 관찰을 위해 연료의 산화반응에 의한 주요 생성물들의 몰분율을 혼합연료와 비율변화에 따라 Fig.
- 또한 Fig. 5를 통해 연소실 내 산소비율 변화에 따른 열염의 착화지연시간을 살펴보면 압축온도 680 K조건에서 EGR율이 높아짐에 따라 착화가 일어나지 않음을 관찰할 수 있고 저온 산화반응이 매우 약한 H/E혼합연료와 비교해 H/B혼합연료의 착화지연 시간의 차이가 750 K조건과 비교해 다소 증가하였다. 또한 상대적으로 고온영역인 1,100 K의 착화지연 결과를 통해 고온영역에서는 EGR율과 혼합연료에 대한 영향이 모두 크게 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
- 5를 통해 연소실 내 산소비율 변화에 따른 열염의 착화지연시간을 살펴보면 압축온도 680 K조건에서 EGR율이 높아짐에 따라 착화가 일어나지 않음을 관찰할 수 있고 저온 산화반응이 매우 약한 H/E혼합연료와 비교해 H/B혼합연료의 착화지연 시간의 차이가 750 K조건과 비교해 다소 증가하였다. 또한 상대적으로 고온영역인 1,100 K의 착화지연 결과를 통해 고온영역에서는 EGR율과 혼합연료에 대한 영향이 모두 크게 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
- 먼저 냉염에 의한 착화지연(τ1)을 관찰해 보면 H/E, H/B혼합연료 모두 압축온도 800 K 이상에서는 냉염이 형성되지 않았고 냉염이 형성되는 온도영역에서는 압축온도가 증가함에 따라 τ1이 크게 감소함을 확인할 수 있었다.
- 5는 EGR율에 따른 산소비율 변화가 착화지연에 미치는 영향을 관찰하기 위한 그래프로 n-heptane의 비율이 높은 연료(A20)와 alcohol계 연료의 비율이 높은 연료(A60)를 비교하여 나타내었다. 먼저 냉염에 의한 착화지연을 살펴보면 앞서 살펴본 바와같이 혼합연료 내 alcohol계 연료가 증가함에 따라 다소 증가하는 경향을 보이지만 두 혼합연료 모두 산소비율에 대해서는 크게 영향을 받지 않으며 거의 일정하게 유지됨을 확인할 수 있었다. 이는 혼합비율 변화에서와는 다른 관찰결과로 EGR에 따른 착화지연의 증가는 냉염의 영향을 거의 받지 않고 반응 성의 정도에 따라 지배적인 영향을 받는다는 것이 확인되었다.
- 2와 4를 통해 자세히 확인할 수 있다. 본 연구팀은 선행연구[18]를 통해 H/B혼합연료의 혼합비율 변화에 따른 열염에 의한 착화지연 변화를 관찰한 바 있고 이번 연구를 통해서는 H/E혼합연료의 착화지연 시간의 결과와 비교해 보았으며 이로서 H/E혼합연료와 H/B혼합연료는 서로 열염에 의한 착화지연에 대해 비슷한 경향을 나타내지만 alcohol계 연료의 비율이 증가함에 따라 착화지연의 차이가 증가함을 확인할 수 있었다. 특히 Fig.
- 3에 나타내었다. 이는 n-heptane을 연료로 냉염과 NTC현상에 대해 연구한 Law 등[16]의 연구와 동일한 경향을 나타내는 결과로서 본 연구에서 관찰한 H/E, H/B혼합연료의 비교 결과는 절대값의 근소한 차이만 있을 뿐 전체적인 경향은 일치함을 확인할 수 있었다. 또한 각 혼합연료 내에서 alcohol연료의 반응성을 확인하기 위해 연료의 초기 산화반응인 수소원자 분리에 의한 알킬기를 함께 나타내었다.
- 6, 7에 각각 나타내었다. 이를 통해 nheptane의 주요 저온 산화반응에 의한 생성 화학종들의 몰분율은 연소실 내 산소비율 감소와 함께 크게 저감되며 OH라디칼 감소현상도 뚜렷하게 관찰됨을 확인할 수 있었다. 또한 Fig.
후속연구
- 냉염의 형성은 고탄소계 탄화수소 연료에서 관찰되는 현상으로 본 실험의 주 연료로 사용되고 있는 n-heptane의 연소특성이며 이는 실제 착화 시 사용되는 연료의 산화반응을 앞당기고 엔진 내 노킹현상을 유발할 수 있어 이에 대한 자세한 연구가 필요하다[15,16]. Fig.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.