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문제 정의
- 본 논문은 디젤과 과산화수소를 혼합한 에멀젼연료를 디젤엔진에 적용하기 위한 기초연구로서 혼합비, 분사압력, 온도변화에 대한 에멀젼연료 증발충돌분무의 거동특성을 해석하였다. 또한 증발충돌분무의 증기확산 정도를 보다 정량적으로 해석하기 위하여 이미지 면적해석과 통계열역학에 기초한 엔트로피 개념을 도입하였으며 그 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 가열판 위를 100mm × 30mm 크기로 잘라낸 이미지를 이미지처리프로그램(Photoshop CS6)을 이용하여 Fig. 3의 방식으로 픽셀수를 산출한 후 단위면적을 곱하여 충돌분무의 면적을 계산하였다.
- 가열판과 노즐의 거리가 50mm인 것을 이용하여 실험을 통해 얻은 이미지에 실제거리를 대입해 가로 100mm 세로 75mm를 구하였고 길이를 이용하여 이미지전체의 면적 7500mm2을 구한 후 이미지의 픽셀수인 64512를 나누어 단위픽셀의 면적 0.116mm2를 구하였다. 가열판 위를 100mm × 30mm 크기로 잘라낸 이미지를 이미지처리프로그램(Photoshop CS6)을 이용하여 Fig.
- 그리고 각 설정온도에서 분사압력을 400bar, 600bar, 800bar 및 1000bar로 설정하였고, 분사기간은 500µs로 고정하여 에멀젼연료의 충돌분무 발달과정을 500µs 간격으로 3000µs까지 측정하였다.
- 본 논문은 디젤과 과산화수소를 혼합한 에멀젼연료를 디젤엔진에 적용하기 위한 기초연구로서 혼합비, 분사압력, 온도변화에 대한 에멀젼연료 증발충돌분무의 거동특성을 해석하였다. 또한 증발충돌분무의 증기확산 정도를 보다 정량적으로 해석하기 위하여 이미지 면적해석과 통계열역학에 기초한 엔트로피 개념을 도입하였으며 그 결과는 다음과 같다.
- 2와 같이 노즐 홀 간의 거리가 상대적으로 최대인 5홀 노즐을 사용하였다. 또한 충돌분무 이미지를 촬영하기 전 산란광을 이용하여 노즐에서 분사된 연료분무의 정면도를 촬영하고 타 홀 분무의 영향이 가장 적은 분무(①)를 선택하여 충돌분무 측면 촬영을 실시하였다. 그리고 각 설정온도에서 분사압력을 400bar, 600bar, 800bar 및 1000bar로 설정하였고, 분사기간은 500µs로 고정하여 에멀젼연료의 충돌분무 발달과정을 500µs 간격으로 3000µs까지 측정하였다.
- 료 내 과산화수소의 증발을 위해 가열판의 온도를 150℃, 200℃ 및 250℃로 설정하였고, 연료는 가열판에서 50mm 상부에 위치한 노즐을 통해 분사하였다. 본 실험에 사용한 노즐은 다공(5 holes)으로 인접한 분무의 간섭을 피하기 위하여 Fig.
- 증발충돌분무의 해석을 보다 정량적인 방법으로 해석하기 위해 통계열역학에 기초한 무차원 엔트로피(Non-dimensional entropy) 개념을 도입하였다. 무차원 엔트로피 해석을 위해 측정한 이미지를 Image J 프로그램을 이용하여 이미지의 휘도 값을 텍스트 파일로 변환하여 C++ 프로그램을 이용해 이미지 전체에 낮은 농도의 기상이 균일하게 분산한 상태의 엔트로피를 1, 이미지에서 연료가 가장 응집한 상태의 엔트로피가 0이 되도록 정규화를 실시하였다. Fig.
- 정규화를 수행하기 전후 엔트로피에 동일한 기호 S를 사용하지만, 본 연구에서는 정규화한 것만을 사용한다.
대상 데이터
- 료 내 과산화수소의 증발을 위해 가열판의 온도를 150℃, 200℃ 및 250℃로 설정하였고, 연료는 가열판에서 50mm 상부에 위치한 노즐을 통해 분사하였다. 본 실험에 사용한 노즐은 다공(5 holes)으로 인접한 분무의 간섭을 피하기 위하여 Fig. 2와 같이 노즐 홀 간의 거리가 상대적으로 최대인 5홀 노즐을 사용하였다. 또한 충돌분무 이미지를 촬영하기 전 산란광을 이용하여 노즐에서 분사된 연료분무의 정면도를 촬영하고 타 홀 분무의 영향이 가장 적은 분무(①)를 선택하여 충돌분무 측면 촬영을 실시하였다.
데이터처리
- 보다 정확한 충돌분무의 해석을 위해 이미지처리프로그램(Photoshop CS6)을 이용하여 분무 반경방향 선단도달거리를 구하여 Fig. 7에 나타내었고, 단위픽셀 당 면적을 구한 후 전술한 Fig. 3의 방식으로 충돌분무의 면적을 계산하여 Fig. 8에 나타내었다. Fig.
이론/모형
- 증발충돌분무의 해석을 보다 정량적인 방법으로 해석하기 위해 통계열역학에 기초한 무차원 엔트로피(Non-dimensional entropy) 개념을 도입하였다. 무차원 엔트로피 해석을 위해 측정한 이미지를 Image J 프로그램을 이용하여 이미지의 휘도 값을 텍스트 파일로 변환하여 C++ 프로그램을 이용해 이미지 전체에 낮은 농도의 기상이 균일하게 분산한 상태의 엔트로피를 1, 이미지에서 연료가 가장 응집한 상태의 엔트로피가 0이 되도록 정규화를 실시하였다.
성능/효과
- (1) 가열판의 온도가 동일한 경우 분사압력이 증가할수록, 동일 분사압력조건에서 과산화수소의 혼합비가 증가할수록 충돌분무의 반경방향 선단도달거리가 증가하는 것을 알 수 있었다.
- (2) 충돌분무의 이미지 면적해석을 실시하여 분사압력과 가열판의 온도가 높을수록 충돌분무의 면적이 증가함을 확인하였다. 또한 에멀젼연료의 과산화수소 혼합비가 높을수록 과산화수소의 증발에 의해 확산되는 면적이 증가함을 확인하였다.
- (3) 통계열역학에 기초한 엔트로피 개념을 도입하여 충돌분무의 무차원 엔트로피 해석을 실시하였고, 그 결과 에멀젼연료의 과산화수소 혼합비가 높을수록 연료증기의 확산이 증가하는 것을 확인하였다.
- 7의 결과와 동일하게 분사압력과 가열(충돌)판의 온도의 증가와 함께 분무면적도 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 각 분사압력에서 에멀젼연료의 혼합비에 따른 분무면적은 다소 증가하는 것을 확인하였다. 분사압력이 상대적으로 낮은 조건 400bar와 600bar에서는 혼합비에 따른 면적의 차이가 거의 없지만 분사압력이 높은 조건인 800bar와 1000bar에서는 분사압력 증가에 따른 혼합비별 충돌분무의 면적증가를 명확히 알 수 있다.
- 연료의 양은 분사시간을 500µs로 고정하였기 때문에 압력에 따라 차이가 발생을 하게 되고 반경방향 분무선단도달거리는 분사압력의 증가에 따라 분무의 충돌시간이 단축되기 때문이다. 또한 같은 분사압력에 대해 혼합비별로 비교하게 되면 과산화수소의 혼합비가 증가할수록 반경방향의 분무선단도달거리와 가열판으로부터의 충돌분무 높이가 증가하는 경향을 확인할 수 있다. Fig.
- (2) 충돌분무의 이미지 면적해석을 실시하여 분사압력과 가열판의 온도가 높을수록 충돌분무의 면적이 증가함을 확인하였다. 또한 에멀젼연료의 과산화수소 혼합비가 높을수록 과산화수소의 증발에 의해 확산되는 면적이 증가함을 확인하였다.
- 8의 분사압력 400bar 에멀젼연료가 디젤보다는 높은 면적을 가지는 것을 확인할 수 있지만 그 차이가 거의 없음을 알 수 있고, 이것은 400bar에서 분사되는 연료량이 적어 과산화수소의 증발이 미치는 영향이 적은 것으로 판단된다. 이러한 결과로부터 에멀젼연료를 실제엔진에 적용 시, 600bar이상의 분사압력에서 단일 성분의 디젤연료보다 연료 내 과산화수소의 증발로 인한 빠른 연료증기 확산효과로 보다 신속한 균일혼합기형성을 기대할 수 있다.
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