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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 친환경 대체에너지원으로 관심이 모아지고 있는 바이오매스 합성가스를 HCCI엔진의 연료로 사용하기 위한 기초연구로써 바이오매스 합성가스를 모사한 합성가스의 혼합비율 변화와 압력 변화가 점화지연에 미치는 영향에 대해 실험 및 수치적으로 고찰하였다.
- 본 연구에서는 바이오매스 합성가스의 점화특성에 큰 영향을 미치는 수소와 일산화탄소의 각각의 영향을 보기위해 임의로 합성가스의 조성을 변화시켰다. 본 연구에서 사용된 혼합물의 조성은 Table 2에 나타내었다.
제안 방법
- 혼합물 내 메탄의 농도를 5mol.%로 고정한 상태에서 수소와 일산화탄소의 비율을 변화시키며 실험이 진행되었으며 판막(Diaphragm)을 여러 겹 중첩시켜가며 압력 변화를 조절하였다. 먼저 Driver Section과 Driven Section의 사이에 판막을 넣은 다음 두 Section을 진공펌프를 이용하여 진공상태로 만든다.
- Driver Section이 원하는 압력에 도달하게 되면 판막이 파괴되면서 충격파가 생성되고, 이때 생성된 충격파가 Driven Section의 혼합물을 압축하여 자착화를 일으키게 한다. Driven Section의 압력 변화는 압력 변환기(PCB 113B26)를 사용하여 측정하였으며, OH 라디칼은 광전자 증배관(Photomultiplier)을 사용하여 측정하였다.
- 6은 바이오매스 합성가스의 조성변화에 따른 민감도 분석 결과를 나타내고 있다. 민감도 분석을 통해 점화지연 민감도에 가장 큰 영향을 주는 16가지의 화학반응을 선정하였다. 점화지연에 민감한 화학 반응들은 대부분 혼합물의 초기 연쇄반응인 것을 확인할 수 있다.
- 바이오매스 합성가스의 점화지연에 가장 민감한 반응을 알아보기 위해 민감도 분석을 수행하였다. 점화지연에 관한 민감도는 다음 식으로 정의 되어 진다.
- 본 연구에서는 충격파관을 이용한 실험과 수치해석을 통해 바이오매스 합성가스의 연소특성 변화를 분석하였다. 바이오매스 합성가스의 주 성분인 수소, 일산화탄소, 메탄을 혼합한 연료를 사용하여 다양한 연료 조성과 압력 조건에서 실험과 수치해석을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 충격파관을 이용한 실험과 수치해석을 통해 바이오매스 합성가스의 연소특성 변화를 분석하였다. 바이오매스 합성가스의 주 성분인 수소, 일산화탄소, 메탄을 혼합한 연료를 사용하여 다양한 연료 조성과 압력 조건에서 실험과 수치해석을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서 사용된 혼합물의 조성은 Table 2에 나타내었다. 압력을 5~15bar로 조절하여 점화지연의 변화를 관찰하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 바이오매스 합성가스의 주 구성성분인 수소(H2), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4)을 연료로 사용하였다. 혼합물 내 메탄의 농도를 5mol.
이론/모형
- (15) 모사 합성가스(H2/CO/CH4)에 대한 화학반응모델은 Wang, H. 등이 개발한 111개의 화학종과 784개의 화학반응으로 이루어진 USC Mech 2.0 모델을 사용하였다.(16)
- 해석프로그램으로는 상용프로그램인 CHEMKIN-PRO를 사용하였으며 피스톤이 상사점에 도달했을 때의 압력과 온도를 초기조건으로 하는 정적연소 반응 모듈을 적용하였다.(15) 모사 합성가스(H2/CO/CH4)에 대한 화학반응모델은 Wang, H.
성능/효과
- (1) 혼합연료 내의 수소 비율이 증가함에 따라 점화지연 시간이 감소함을 관찰할 수 있었다. 이는 혼합물 내의 수소의 비율이 증가함에 따라 수소와 관련된 연쇄반응인 R1(H+O2=O+OH), R2(O+H2=H+OH), R3(OH+H2=H+OH)가 지배적인 영향을 미치는 반면 상대적으로 메탄과 관련된 화학반응인 R123(CH4+H=CH3+H2), R124(CH4+O=CH3+OH), R125(CH4+OH=CH3+H2O)의 영향이 약해지기 때문으로 판단된다.
- (2) 1150K 이상의 온도 조건에서는 압력이 증가함에 따라 점화지연 시간이 감소하는 현상을 관찰할 수 있었다. 하지만 1150K 이하의 온도 조건에서는 압력이 증가함에 따라 수소의 초기 연쇄반응의 역전현상에 의해 점화지연 시간이 증가하였다.
- 혼합물의 조성이 수소 20%, 일산화탄소 25%, 메탄 5%이므로 수소와 관련된 화학반응들이 큰 영향을 미치는 것으로 예상되며, 수소의 초기 연쇄반응인 R1, R2, R3반응이 지배적으로 점화지연에 영향을 미치는 것으로 판단된다. 1200K에서 압력이 증가함에 따라 가장 큰 민감도를 가지는 R1반응의 값이 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 반면, Fig.
- 3은 바이오매스 합성가스의 혼합 비율 변화에 따른 점화지연 시간을 나타낸 그래프이다. 당량비 0.5, 압축압력 10bar, 압축온도를 1050-1700K로 조절하였으며, 메탄의 비율을 5%로 고정한 상태에서 수소와 일산화탄소의 비율을 변화시키며 실험한 결과는 USC Mech 2.0 모델을 이용한 수치 해석 결과와 동일한 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 온도가 증가함에 따라 점화지연 시간이 감소함을 확인하였으며, 고온에서 상대적으로 반응성이 높은 수소비율이 증가함에 따라 점화지연시간이 감소함을 확인하였다.
- HCCI엔진은 CI엔진처럼 압축열을 이용하여 점화 하는 방식을 사용하기 때문에 SI엔진에 비해 높은 효율을 기대할 수 있다. 또한 균일한 예혼합기 형성을 통해 연소 시 국소 고온부를 차단하여 CI엔진의 문제점인 질소산화물 및 입자상물질 발생을 줄일 수 있다는 장점을 가진다. (1,2) 하지만 HCCI엔진의 운전영역은 저부하와 고부하에서 제한된다.
- 7은 바이오매스 합성가스의 압력 변화에 따른 민감도 분석 결과를 나타내고 있다. 본 민감도 분석 조건에서도 일산화탄소의 화학반응 R31, R33은 수소와 메탄의 화학반응들에 비해 작은 민감도 값을 가짐을 확인할 수 있다. 혼합물의 조성이 수소 20%, 일산화탄소 25%, 메탄 5%이므로 수소와 관련된 화학반응들이 큰 영향을 미치는 것으로 예상되며, 수소의 초기 연쇄반응인 R1, R2, R3반응이 지배적으로 점화지연에 영향을 미치는 것으로 판단된다.
- 즉, 혼합물에서 수소와 메탄의 화학반응들이 상대적으로 점화지연에 대한 큰 민감도를 가짐을 확인할 수 있다. 수소 30%, 일산화탄소 15%, 메탄 5% 조건에서는 혼합물 내의 수소의 비율이 큰 만큼 수소와 관련된 화학반응들이 큰 영향을 미치는 것으로 예상되며, 수소의 초기 연쇄반응인 R1, R2, R3반응이 지배적으로 점화지연에 영향을 미치는 것으로 판단된다. 반면, 수소 10%, 일산화탄소 35%, 메탄 5% 조건에서는 혼합물 내의 수소의 비율이 메탄과 비교해 보았을 때 크게 차이가 나지 않는다.
- 0 모델을 이용한 수치 해석 결과와 동일한 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 온도가 증가함에 따라 점화지연 시간이 감소함을 확인하였으며, 고온에서 상대적으로 반응성이 높은 수소비율이 증가함에 따라 점화지연시간이 감소함을 확인하였다.
- 혼합물 내 수소의 비율이 10% 이하인 조건에서는 수소의 비율이 증가함에 따라 점화지연 시간이 급격히 감소함을 확인할 수 있다. 혼합물 내 수소의 비율이 계속해서 증가함에 따라 점화 지연 시간은 감소하지만 그 변화폭은 작음을 확인할 수 있다.
- 5는 바이오매스 합성가스의 압력 변화에 따른 점화지연 시간을 나타낸 그래프이다. 혼합물의 조성이 수소 20%, 일산화탄소 25%, 메탄 5%이고, 당량비가 1.0, 1050-1700K범위의 압축온도 조건에서 실험한 결과를 나타내고 있다. 압력변화에 따른 점화지연 실험 결과 역시 수치해석 결과와 동일한 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다.
- 본 민감도 분석 조건에서도 일산화탄소의 화학반응 R31, R33은 수소와 메탄의 화학반응들에 비해 작은 민감도 값을 가짐을 확인할 수 있다. 혼합물의 조성이 수소 20%, 일산화탄소 25%, 메탄 5%이므로 수소와 관련된 화학반응들이 큰 영향을 미치는 것으로 예상되며, 수소의 초기 연쇄반응인 R1, R2, R3반응이 지배적으로 점화지연에 영향을 미치는 것으로 판단된다. 1200K에서 압력이 증가함에 따라 가장 큰 민감도를 가지는 R1반응의 값이 증가하는 것을 확인 할 수 있다.
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