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문제 정의
- 따라서 본 실험에서는 RCM을 이용하여 NOx와 soot 저감에 탁월한 효과가 있는 높은 EGR율을 적용한 9-10% O2조건에서 PRF(Primary Reference Fuel)인 n-heptane과 최근 대체에너지원으로 관심이 모아지고 있는 n-butanol을 혼합하여 연료의 혼합비율변화와 당량비 변화 및 EGR에 의한 연소실 내 산화제 저감이 착화지연에 미치는 영향에 대해 관찰하였다. 또한 실험결과를 검증하고 장비의 측정한계를 넘어서는 부분에 대한 연소특성을 이해하기 위해 상용프로그램인 CHEMKIN-PRO를 사용하여 화학반응에 대한 수치해석을 수행하였다.
- 또한 본 연구에서 활용한 butanol 이성질체 반응모델을 사용한 계산결과와 동일하게 Weber 등[6]이 급속압축기를 이용하여 n-butanol을 연료로 착화 지연을 실험한 결과에서는 NTC 영역을 관찰할 수 없었다. 본 연구에서는 n-butanol의 이러한 특성이 n-heptane과 혼합되었을 때 착화지연 결과에 어떤 영향을 미치는지 관찰하고자 하였고 본 연구에 사용된 혼합연료에서는 혼합비율에 관계없이 n-heptane의 연소특성과 동일하게 압축 온도가 증가함에 따라 착화지연 시간이 일정하게 감소하다가 특정 온도 이후부터 온도가 증가함에도 오히려 착화지연 시간이 증가하거나 일정하게 유지되는 NTC 영역을 관찰 할 수 있었다. 또한 상대적으로 고온 영역인 900 K 이상에서는 n-butanol의 비율이 높은 혼합연료의 착화지연이 급격하게 감소하는 것을 수치해석 결과를 통해 확인할 수 있었는데 이는 앞서 설명한 n-butanol의 고온에서의 활발한 반응에 기인한 것으로 Zhang 등[11]의 선행연구와 일치하는 결과이다.
가설 설정
- 3. Definition of Ignition delay time.
제안 방법
- 본 연구에서는 n-heptane을 주 연료로 하여 20, 40, 60 mol.%로 n-butanol 함량을 증가시키며 실험을 진행하였다. 다른 기체와의 예혼합 착화실험을 위해서는 우선 액체상태의 혼합연료를 기화시켜 연료탱크 내에 주입하는 작업이 선행되어야 한다.
- 예를 들어, Fig. 10(a)와 같은 조건의 경우에는 (R46) 반응이 착화지연시간을 결정하는 가장 주된 반응이며 이를 기준으로 착화지연을 증가 혹은 감소시키는 화학반응을 각각 10개씩 추출하여 기준 반응에 대한 상대적인 민감도를 계산하였다. 또한 민감도 계수가 양수와 음수로 나타나는 것은 각각 전체적인 반응성을 제한하는 반응과 증가시키는 반응을 뜻한다.
- HCCI 연소 기술은 주로 희박조건에서 구동하기 때문에 당량비 변화에 따른 연소 특성을 관찰하고 높은 EGR율을 모사한 9-10% O2조건에서 예상되는 반응성 저감에 대해 당량비가 어떤 영향을 미치는지 확인하고자 세 가지 당량비 조건(0.4, 1.0, 1.5)에 대해 실험을 진행하였다.
- IPC는 내부에 전 · 후방 두 개의 실린더를 가지며 두 실린더 사이에는 동압을 형성하기 위한 수렴노즐(Convergent nozzle)을 설치하였고 피스톤 속도는 IPC 후방 실린더의 압력을 변화시킴으로 쉽게 조절할 수 있다. 그리고 RCM에서 실험결과에 크게 영향을 미칠 수 있는 폭발에 의한 피스톤 밀림현상은 브레이크 암(Brake arm)을 이용하여 상사점 도달 이후에 피스톤이 움직일 수 없도록 고정하였다. 또한 본 연구에서는 피스톤헤드와 실린더 사이에 간극부를 가공하여 피스톤의 움직임에 의해 야기되는 경계와류를 최소화 하는 간극 피스톤(creviced piston)을 사용하였다[9].
- 높은 EGR율을 고려한 저온연소 조건에서 HCCI 연소 기술을 모사한 급속압축기를 이용하여 바이오연료인 n-butanol을 혼합연료로 사용하였을 때 연소특성의 변화를 관찰하고자 n-heptane /n-butanol 혼합연료로 다양한 조건에서 실험을 진행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 또한 K-type 열전대를 이용하여 연소실 내 공급되는 예혼합기의 온도를 측정하였으며 실험은 일정한 온도 293 ± 0.5 K에서 진행되었다.
- 그리고 RCM에서 실험결과에 크게 영향을 미칠 수 있는 폭발에 의한 피스톤 밀림현상은 브레이크 암(Brake arm)을 이용하여 상사점 도달 이후에 피스톤이 움직일 수 없도록 고정하였다. 또한 본 연구에서는 피스톤헤드와 실린더 사이에 간극부를 가공하여 피스톤의 움직임에 의해 야기되는 경계와류를 최소화 하는 간극 피스톤(creviced piston)을 사용하였다[9]. 본 실험에 사용된 RCM에 대한 자세한 정보는 Table 1에 나타내었다.
- 본 연구에서는 n-heptane을 주 연료로 하여 20, 40, 60 mol.%로 n-butanol 함량을 증가시키며 실험을 진행하였다.
- 앞서 서론에서 언급하였듯이 선행연구를 통해 높은 EGR율 영역에서 NOx와 soot의 배출이 감소하는 것을 확인하였으므로 본 실험에서는 이를 모사한 조건인 O2 9-10% 조건에서 연구를 수행하였다. 실험에 사용된 연료는 n-heptane과 n-butanol 혼합연료로 각 연료의 특성은 Table 2에 나타내었다.
- 본 연구는 저온 연소영역에서의 급속압축기를 이용한 착화지연 실험 결과를 검증하기 위해 상용 프로그램인 CHEMKIN-PRO를 사용하여 계산을 수행하였다. 연소는 압축행정이 끝나고 진행되므로 피스톤이 상사점에 도달 했을 때의 압력과 온도를 초기 조건으로 하는 정적 연소반응 모듈을 적용하였다. n-heptane/n-butanol 혼합연료에 대한 반응기구는 Dagaut 등[10]과 Zhang 등[11]에 의해 개발되었으며 본 연구에서는 573개의 화학종과 2701개의 화학반응식으로 구성되어 있는 Dagaut의 모델을 사용하였고 n-heptane과 n- butanol에 대한 계산에서는 각각 Mehl 등[12]의 n-heptane 상세반응 모델과 Sarathy 등[13]의 butanol의 네 가지 이성질체에 대한 반응모델을 사용하였다.
- 다른 기체와의 예혼합 착화실험을 위해서는 우선 액체상태의 혼합연료를 기화시켜 연료탱크 내에 주입하는 작업이 선행되어야 한다. 진공펌프를 이용하여 연료탱크를 진공상태로 만든 뒤 syringe를 이용하여 연료를 주입하였고, 온도조건에 따라 N2, Ar, O2의 비율을 조절하여 혼합기를 형성하였다. 혼합기는 1회 압축 및 폭발행정이 종료될 때마다 진공펌프를 이용하여 연소 후 배출물질을 제거한 뒤 연소실을 진공상태로 만들고 연료탱크의 밸브를 열어 연소실로 공급하였다.
대상 데이터
- 9-10% 조건에서 연구를 수행하였다. 실험에 사용된 연료는 n-heptane과 n-butanol 혼합연료로 각 연료의 특성은 Table 2에 나타내었다. 당량비는 0.
- 혼합기는 1회 압축 및 폭발행정이 종료될 때마다 진공펌프를 이용하여 연소 후 배출물질을 제거한 뒤 연소실을 진공상태로 만들고 연료탱크의 밸브를 열어 연소실로 공급하였다. 연소실 내 압력변화는 압력센서(Kistler 6125b)와 전하증폭기(Kistler 5015A)를 이용하여 측정하였으며 상용 소프트웨어(Labview 8.2)를 이용하여 컴퓨터로 데이터를 수집하였다. 또한 K-type 열전대를 이용하여 연소실 내 공급되는 예혼합기의 온도를 측정하였으며 실험은 일정한 온도 293 ± 0.
데이터처리
- 조건에서 PRF(Primary Reference Fuel)인 n-heptane과 최근 대체에너지원으로 관심이 모아지고 있는 n-butanol을 혼합하여 연료의 혼합비율변화와 당량비 변화 및 EGR에 의한 연소실 내 산화제 저감이 착화지연에 미치는 영향에 대해 관찰하였다. 또한 실험결과를 검증하고 장비의 측정한계를 넘어서는 부분에 대한 연소특성을 이해하기 위해 상용프로그램인 CHEMKIN-PRO를 사용하여 화학반응에 대한 수치해석을 수행하였다.
- 본 연구는 저온 연소영역에서의 급속압축기를 이용한 착화지연 실험 결과를 검증하기 위해 상용 프로그램인 CHEMKIN-PRO를 사용하여 계산을 수행하였다. 연소는 압축행정이 끝나고 진행되므로 피스톤이 상사점에 도달 했을 때의 압력과 온도를 초기 조건으로 하는 정적 연소반응 모듈을 적용하였다.
이론/모형
- 연소는 압축행정이 끝나고 진행되므로 피스톤이 상사점에 도달 했을 때의 압력과 온도를 초기 조건으로 하는 정적 연소반응 모듈을 적용하였다. n-heptane/n-butanol 혼합연료에 대한 반응기구는 Dagaut 등[10]과 Zhang 등[11]에 의해 개발되었으며 본 연구에서는 573개의 화학종과 2701개의 화학반응식으로 구성되어 있는 Dagaut의 모델을 사용하였고 n-heptane과 n- butanol에 대한 계산에서는 각각 Mehl 등[12]의 n-heptane 상세반응 모델과 Sarathy 등[13]의 butanol의 네 가지 이성질체에 대한 반응모델을 사용하였다.
성능/효과
- 먼저 Fig. 10(a)와 (b)를 통해 혼합비율 변화에 따른 해석결과를 살펴보면 n-butanol의 비율이 증가함에 따라 (R2630), (R2632) 및 (R2633) 반응이 증가하는 것을 확인할 수 있었고 특히 (R2630)의 반응이 크게 증가하며 (R2108-2110)의 반응이 약해지는 것을 관찰할 수 있었다. 이는 산화반응을 유도하는 OH라디칼이 저온 영역에서 연소반응을 주도하는 n-heptane과 반응하지 못하고 n-butanol에 의해 소모됨을 보여주는 결과로 전체적인 반응성이 저감되고 착화지연이 증가하게 되는 원인이 된다.
- 그리고 Fig. 10(a)와 (c)의 비교를 통해서 연소실 내에 O2의 비율이 증가함에 따라서 저온에서의 주요 산화반응인 알킬 라디칼과 O2분자의 결합을 통해 형성되는 RO2라디칼에 의한 반응이 크게 증가하는 것을 확인 하였고 활발한 산화반응을 통해 생성되는 OH라디칼이 n-butanol과 (R2630) 반응을 통해 급격하게 소모되는 것으로 사료되나(R2108-2110)과 (R2228, R2233, R2239, R2243) 등의 n-heptane의 산화반응이 크게 증가하면서 전체적인 반응성이 향상되어 착화지연이 크게 감소하는 것을 확인하였다. 또한 750 K 이상에서 900 K 부근까지 발생하는 NTC영역의 형성원인을 확인하고자 압축 온도 900 K에서 민감도 해석을 수행하여 Fig.
- 1) 혼합연료의 비율변화에 대해서는 혼합연료 내에 n-butanol의 비율이 증가함에 따라 n-heptane의 강한 저온 반응을 제한하므로 n-heptane에 의한 연소특성인 냉염이 약화됨을 관찰하였고 연료 소모율의 구배가 완만해지고 온도 상승폭이 낮아짐을 통해 전체적인 반응성이 저하됨을 확인 할 수 있었다.
- 2) 연료의 혼합비율에 관계없이 n-heptane의 연소특성인 NTC영역을 관찰할 수 있었고 이를 통해 혼합연료에서 n-heptane의 반응이 더 지배적임을 확인할 수 있었으며 혼합연료 내 n-butanol의 비율이 증가함에 따라서 전체적인 반응성의 저하를 야기하여 착화지연이 증가하였다.
- 3) 당량비 변화에 대해서는 본 연구의 주요 연구 영역인 높은 EGR율 모사의 영향으로 희박조건에서 운전영역이 축소되며 NTC영역이 뚜렷하게 관찰되지 않았으나 고온영역으로 갈수록 착화지연의 급격한 감소를 관찰할 수 있었고 당량비가 증가함에 따라 냉염에 의한 영향이 크게 감소함을 확인할 수 있었으며 반응성이 증가하여 착화지연이 감소하였다.
- 4에서 다른 조건과 비교해 착화지연이 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 당량비 1.0조건과 동일하게 당량비 1.5조건에서도 NTC 영역이 나타남을 관찰할 수 있었으며 당량비가 증가함에 따라 모든 온도 조건에서 반응성이 증가하여 착화 지연시간이 줄어드는 것을 확인하였다.
- Zhang 등은 OH라디칼이 저온에서 냉염을 형성하는데 크게 기여하며 저온 반응영역에서는 n-heptane이 n-butanol보다 OH라디칼 생성에 더 지배적인 영향을 미친다고 보고한 바 있고[11] 본 실험의 결과에서도 n-butanol 비율을 60%까지 증가하였음에도 여전히 2단 착화가 관찰되어 혼합연료를 사용하는 경우에도 저온 영역에서는 n-heptane이 전체적인 반응에 더 지배적인 영향을 끼치는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 압축온도가 증가함에 따라 저온 연쇄반응이 생략되어 빠른 속도로 고온반응이 진행되기 때문에 냉염이 사라지고 상사점 도달 직후 급격하게 연소가 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 또한 혼합비율에 관계없이 660 K-700 K 구간에서 온
- 그리고 온도변화와 OH라디칼의 몰분율을 통해서 확인할 수 있듯이 n-butanol의 비율이 높아질수록 냉염 형성 시기가 늦춰지며 냉염 형성 이후부터 착화가 일어나기 전까지의 착화지연인 τ2역시 길어짐을 관찰할 수 있었다.
- 9에 나타내었다. 당량비 0.4에서 공기조건(21% O2)으로 실험한 Zhang[7] 등의 연구와 본 연구의 실험 영역인 9% O2조건과 비교한 결과 저온영역에서 착화지연이 측정되지 않았고 NTC영역을 뚜렷하게 관찰할 수 없었으며 착화지연은 크게 증가하였다. 이는 본 연구에 적용된 높은 EGR율에 기인한 것으로 낮은 산소비율에 의해서 저온에서의 n-heptane의 산화반응 R+O2 ↔ RO2; QOOH + O2 ↔ O2QOOH이 상대적으로 약해지기 때문으로 Fig.
- 연료 비율에 따른 혼합연료에 대한 표기는 HXBY로 나타내었는데 여기서 H, B는 각각 n-heptane과 n-butanol을 뜻하며 X와 Y는 전체 연료에서 n-heptane과 n-butanol의 비율을 각각 의미한다. 당량비 1.0, 압축압력 20 bar, 압축온도를 650-800 K로 조절하여 단일 연료(n-heptane) 및 혼합연료의 혼합비율을 변화시키며(H8B2, H6B4, H4B6) 실험한 결과는 Dagaut모델을 이용한 수치해석 결과와 동일한 경향을 보이며 상당히 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 그래프에서 확인할 수 있듯이 n-butanol의 비율이 증가함에 따라 저온영역에서의 착화지연 시간이 증가하였다.
- 도증가에 따라 반응성이 크게 증가하다가 700 K 이후로 소강상태를 보이며 750 K-775 K에서는 연소 시기가 거의 동일해지는데 이를 통해 활발한 반응을 유도하는 온도영역이 존재함을 확인할 수 있었다. 또한 Fig.
- 혼합연료 내 n-butanol의 비율이 증가함에 따라 1차 착화 시 n-heptane의 연료 소비율이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있고 그로 인해 n-heptane 연쇄반응을 통한 OH라디칼의 생성이 줄어들었으며 냉염이 약화되었다. 또한 1차 착화 이후에 연료 소비율 구배가 크게 완만해 지는 것으로 보아 n-butanol 비율 증가에 따라 전체적인 반응성 또한 저감됨을 확인할 수 있었다. 그리고 온도변화와 OH라디칼의 몰분율을 통해서 확인할 수 있듯이 n-butanol의 비율이 높아질수록 냉염 형성 시기가 늦춰지며 냉염 형성 이후부터 착화가 일어나기 전까지의 착화지연인 τ2역시 길어짐을 관찰할 수 있었다.
- 또한 측정 불가한 영역에서의 연소특성을 관찰하기 위해 앞서 정확성이 검증된 Dagaut모델을 이용한 계산결과를 활용하였는데 실험 결과와 유사하게 압축온도 750 K 미만에서는 연소현상을 관찰할 수 없었다. 또한 당량비 1.0, 1.5조건과는 달리 당량비 0.4조건에서는 NTC영역이 뚜렷하게 관찰되지 않았으며 900 K까지 온도증가에 대한 착화지연 시간의 감소폭이 작았다. 900 K 이상에서는 앞서 설명한 것과 같이 압축온도 증가에 따라 고온 영역에서의 연소를 통해 상대적으로 낮은 당량비인 0.
- 또한 혼합비율 변화에 따른 착화지연 시간의 증가는 τ1보다 τ2에 대해 지배적인 영향을 받는 것을 확인하였다.
- 앞 장에서 언급한 바와 같이 본 연구에서 높은 EGR율을 모사함에 따라 낮은 당량비 조건에서 운전영역이 축소됨을 확인하였다. 따라서 EGR을 적용한 HCCI연소를 이해하기 위해 연소실 내 O2 비율 변화에 따른 착화지연에 대한 실험 및 수치해석 결과를 Fig.
- 특히 n-butanol의 경우에는 Zhang 등의 연구 결과에서 -OH기의 영향으로 고온에서는 반응성이 크게 증가하지만 저온 반응의 경우 n-butanol의 산화반응 중에 생성되는 α-hydroxybutyl에 의해 OH라디칼의 생성이 크게 감소하므로 저온영역에서의 반응성이 약화되어 착화지연 시간이 크게 증가함을 확인할 수 있었다[11]. 이러한 n-butanol의 특성으로 인해 n-heptane과의 혼합연료를 사용했을 때 연소현상에 다소 변화가 있을 것으로 판단하였으며, 또한 본 연구에서는 높은 EGR율을 모사한 9-10% O2조건으로 실험을 진행하였기 때문에 반응하는 산소의 양이 상대적으로 적어 전체 반응성이 다소 감소할 것으로 예상하였다.
- 단일 연료로 n-butanol만을 사용하였을 경우 보다 n-heptane을 혼합하였을 때 급격한 착화지연 시간의 감소를 보이며 n-heptane의 비율이 증가함에 따라 착화지연 시간이 줄어들지만 변화폭은 그리 크지 않았다. 이로써 혼합연료에서 n-heptane의 영향으로 인해 n-butanol의 저온에서의 연소성능이 향상됨을 확인할 수 있었다.
- 5는 혼합연료의 연소특성을 좀 더 자세히 관찰하기 위해 압축온도 750 K에서의 혼합비율 변화(H8B2, H4B6)에 따른 화학종 분율을 나타낸 그래프이다. 혼합연료 내 n-butanol의 비율이 증가함에 따라 1차 착화 시 n-heptane의 연료 소비율이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있고 그로 인해 n-heptane 연쇄반응을 통한 OH라디칼의 생성이 줄어들었으며 냉염이 약화되었다. 또한 1차 착화 이후에 연료 소비율 구배가 크게 완만해 지는 것으로 보아 n-butanol 비율 증가에 따라 전체적인 반응성 또한 저감됨을 확인할 수 있었다.
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