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문제 정의
- 엔진 내부의 연소현상은 매우 복잡하고 측정의 어려움 때문에 일반적으로 연소실을 단순화시켜 실험 변수를 줄인 정적연소기를 제작하여 연소에 미치는 인자에 대한 연구가 많이 수행되어지고 있다[12,13]. 따라서 본 연구는 LPG를 직접분사식 내연기관에 적용하기 위한 기초자료의 다양성 확보 차원에서 저압 기상 LPG의 직접분사가 가능한 연소기를 제작하였고, ICCD 카메라가 적용된 가시화 시스템을 이용하여 연소실 내의 다양한 분위기 조건에 따른 분무 및 연소 특성을 파악하고, 이를 분석 고찰하였다.
- 본 연구에서는 Phantom 654 이미지 처리 소프트 웨어(654, KOMI, Korea)를 사용해 집중 연소구역을 촬영하였고, 연소 화염 전파 이미지들은 대비 및 가장자리를 향상시키기 위해 디지털로 처리하였다. 이미지 처리 소프트웨어에서 Gamma 0.
제안 방법
- Nozzle 출구와 축방향에 대한 스파크방전 위치 사이의 길이 변화를 점화성 실험의 변수로 하였으며, 실험조건에 따라 각기 다른 길이의 L형 Nozzle을 6개 제작하였다. K-type 열전대와 히터 컨트롤러를 사용하여 연소를 위한 분위기 온도를 400K까지 조절하였다. 연소실 내부로 유입되는 공기의 양을 검출하기 위하여 공기 유량계(Series 8000 MP/NH, Eldridge Products Inc.
- 본 연구에서 연소 화염의 모든 기하학적 특징은 20회에 걸쳐 측정한 데이터의 평균값을 적용한 것이다. 통계적 오류는 반복측정을 통해서 감소시킬 수있으며, 측정을 반복하여 그 측정값들의 평균값을 취함으로서 보다 정확한 결과를 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 각기 다른 길이의 6개 L-형 Nozzle을 이용하여 스파크 방전 위치와 Nozzle 출구 사이의 길이 변화를 주었고, 이에 따라 연료가 L-형 Nozzle을 관통하여 직접 스파크 방전 위치 주변에 분사되도록 하였으며, 연료의 축 방향 분사 위치에 따라 분위기 공기 유동장에서의 DI-LPG의 점화성을 고찰하였다. 분사기간은 6 ms, 점화시기는 분사개시후 2 ms로 고정하였으며, 연소실 내부의 공기 유속은 없었다.
- 본 연구에서는 격렬한 연소영역의 이미지에 근거하여 화염면 위치, 화염면 전파 속도, 화염영역, 화염 면적 전파 속도 같은 화염의 몇몇 기하학적 특징을 측정하였다. 연료는 화염의 축 방향으로 흐르면서 바깥쪽으로 확산하는 반면에 산화제(공기)는 안쪽으로 확산하려 한다.
- 8은 축 방향의 스파크방전 위치와 분사노즐의 간격에 따라 분위기 압력이 점화성에 미치는 영향에 대한 결과를 나타내었다. 분사 압력과 분위기 온도는 각각 0.7 MPa 및 300K로 설정하였다. 분위기압력 0.
- 6은 축 방향의 스파크방전 위치와 분사노즐의 간격에 따라 분사 압력이 점화성에 미치는 영향에 대한 결과를 보여준다. 분위기 온도와 압력은 각각 300K와 0.16 MPa, 분사 압력은 각각 0.7 MPa 및 0.9 MPa로 설정하였다.
- 스파크 방전 위치와 Nozzle 출구 끝단의 간격을 15 mm, 20 mm, 23 mm, 25 mm, 27 mm, 30 mm로 각각 설계·제작하여 분위기 조건들이 스파크방전 위치와 L형 Nozzle 출구 사이의 길이 변화에 따라 점화성에 미치는 영향에 대해 고찰하였다.
- 내부는 실린더 형태이며 직경은 100 mm이다. 실험조건은 L형 Nozzle을 부착한 GDI 인젝터를 사용하며, Nozzle 출구를 연소실 중앙까지 연장시켰다. Nozzle 출구와 축방향에 대한 스파크방전 위치 사이의 길이 변화를 점화성 실험의 변수로 하였으며, 실험조건에 따라 각기 다른 길이의 L형 Nozzle을 6개 제작하였다.
- K-type 열전대와 히터 컨트롤러를 사용하여 연소를 위한 분위기 온도를 400K까지 조절하였다. 연소실 내부로 유입되는 공기의 양을 검출하기 위하여 공기 유량계(Series 8000 MP/NH, Eldridge Products Inc.)를 흡기관 앞단의 서지탱크에 설치하였다.
- 1은 분무확산연소를 가시화하기 위한 실험장치 개략도이다. 연소실, 연료공급시스템, 급기시스템, 전자제어장치 및 광학계 등의 주요 부분으로 구성하였고, LPG 분무와 연소 특성을 동시에 가시화하기 위하여 8비트 해상도에서 800x600 픽셀 이미지를 제공 하는 ICCD 카메라(Phanton Miro eX4, KOMI, Korea) 를 이용하여 분사된 분무의 음영과 화염의 자발광의 이미지를 grabber를 통해 디지털 방식으로 PC에 기록 하였다.
대상 데이터
- Micom(PIC16C74, Microchip Technology, China) 매립형 전자제어장치를 본 실험의 메인프로세서로사용했으며, 신호 제어 로직 측정 장비는 2채널 디지털 PC용 오실로스코프인 DSO-2150 USB를 사용하였다. 본 연구에서의 실험조건은 Table 1에 작성하였다.
- 실험조건은 L형 Nozzle을 부착한 GDI 인젝터를 사용하며, Nozzle 출구를 연소실 중앙까지 연장시켰다. Nozzle 출구와 축방향에 대한 스파크방전 위치 사이의 길이 변화를 점화성 실험의 변수로 하였으며, 실험조건에 따라 각기 다른 길이의 L형 Nozzle을 6개 제작하였다. K-type 열전대와 히터 컨트롤러를 사용하여 연소를 위한 분위기 온도를 400K까지 조절하였다.
- 연소실의 부피는 2355 cm³이며, 길이와 폭은 300 × 180 mm이고 높이는 180 mm이다.
성능/효과
- 1. 본 실험의 일정한 분위기 조건에서 분사압력이 0.7 MPa일 때 점화성이 가장 높았으나, 분사압력은 높아질수록 분무속도의 증가로 이어져 점화성을 감소시켰다.
- 2. 분사압력이 증가하면 최대 화염면적이 증가했으며, 최대 화염면적 도달 시간 또한 많이 소요되었다.
- 3. 분위기 압력은 점화성에 상당한 영향을 미쳤으며, 0.15 MPa 분위기 압력에서 점화성이 가장 높았다.
- 4. 분위기 압력이 증가하면 전파 위치가 감소하였으며, 최대 화염면적의 크기 또한 차이를 보였다.
- 5. 분위기 온도가 상승하면 혼합기로 전달되는 전체 에너지가 증가했으며, 평균 점화성의 최고값이 높아졌다.
- 6. 분위기 온도의 영향에서 화염면의 위치는 각각 유사하게 나타났으나, 분위기 온도 400K에서 화염면적의 확산이 가장 넓었다.
- 본 실험에서 높은 점화성 간격이란, 축 방향을 따라 높은 점화성이 관찰된 스파크 방전 위치와 Nozzle 출구 사이의 거리로 정의한다. 분사 압력이 0.7 MPa, 0.9 MPa일 때, 높은 점화성은 25 mm 지점에서 각각 95% 및 88%였다. 분사 압력이 0.
- 분위기 압력 0.2, 0.22 MPa 조건에서 최대 화염면 적에 도달하는데 소요된 시간은 각각 38 ms, 28 ms였고, 0.24 MPa 분위기 압력에서는 화염 전파와 화염면적이 제한된 결과로 최대 화염면적이 330 mm²에 그쳐 분위기 압력의 영향이 지배적임이 증명되었다.
- 축 방향을 따라 높은 점화성 간격은 23 mm와 25 mm로 거의 동일 했다. 분위기 온도가 증가하면 높은 점화성 간격이 축의 하류 방향으로 약간 연장되었고 평균 점화성 최고값 또한 증가했다. 점화성 최고값은 23 mm 지점에서 각각 96%로, 최고값에 따른 축 방향의 위치가 동일했다.
- 7 MPa 및 300K로 설정하였다. 분위기압력 0.1 MPa, 0.15 MPa, 0.2 MPa에서 점화성 최고 값은 각각 33%, 96%, 36%로 가장 높게 나타났으며, 점화성의 최고값이 96%까지 증가했을 때의 간격은 30 mm였다. 이는 본 실험의 변수 중 점화에 유리한 분위기 압력은 0.
- 스파크 방전으로부터 30 ms 이후에 모든 격렬한 연소영역이 합류하고, 결합된 격렬한 연소영역은 매우 빠르게 확대되었으며 여러 영역으로 급속히 분리 되는 형상이 관찰됐다. 이러한 이미지의 순서는 연소 화염이 뚜렷한 난류 화염의 특성을 나타낸다.
- 실험결과 23 mm와 25 mm 간격에서 점화성이 높았고, 화염 또한 강력했다. 15 mm와 20 mm 간격에서는 연소실에 분무된 LPG-공기 혼합기의 분무말단에 점화되어 분사 진행방향인 하류방향으로 화염이 전파되었으나, 성공적인 점화성의 정의와는 불일치했다.
- 현재 내연기관에 있어 주된 관심사는 기관의 효율 향상과 유해 배기가스의 저감이고 그에 따라 관련분야에서 다양한 연구가 진행되고 있다[1]. 액화석유가스(LPG)는 현재 사용하고 있는 기관을 크게 개조하지 않고도 공해 배출물을 저감할 수 있는 대체연료 기술로서 받아들여지고 있으며[2], 탄화수소 (THC)는 LPG의 우수한 연료 특성으로 가솔린에 비해 발생량이 작고, 가솔린과는 달리 저부하 조건에서 증가하는 현상은 관찰되지 않았고, 질소산화물 (NOx)의 발생은 LPG가 작았지만 이론공연비 운전 조건에서 일산화탄소(CO)의 발생은 모든 조건에서 비슷한 값을 보였다[3]. 희박영역(Փ=1.
- 이는 연소화염의 거동에도 분사압력의 영향이 지배적임을 보여준다. 축 방향으로 가장 먼 전파 위치에 전파되는데 소요되는 시간 또한 많은 차이를 보였으며, 분무 압력이 높을 때는 분무 거리가 길어지면서 화염의 전파 속도가 빠르고 최대 화염 면적 또한 커짐이 확인되었다.
- 본 연구에서 연소 화염의 모든 기하학적 특징은 20회에 걸쳐 측정한 데이터의 평균값을 적용한 것이다. 통계적 오류는 반복측정을 통해서 감소시킬 수있으며, 측정을 반복하여 그 측정값들의 평균값을 취함으로서 보다 정확한 결과를 얻을 수 있었다.
- 13은 분무의 진행 방향에 따라 화염면의 속도와 위치가 증가하였으나 약 30 ms 후에는 천천히관통했고, 화염의 소멸은 LPG-공기 혼합기의 화염 발달 후 최대 도달거리에서 난류의 경향을 보이며 서서히 소멸하였음을 나타낸다. 화염 면적 또한 화염면의 속도와 위치의 증가에 따라 발달하였으나, 소멸이 시작되는 36 ms부터는 서서히 줄어들었다.
- 스파크 방전 14 mm 지점 이후에는 분위기 온도 350K에서 300K, 400K보다 더 빠르게 전파되었다. 화염면적은 400K 분위기 온도에서 더 넓게 나타났 으며, 분위기 온도는 화염 전파에 도움이 된다는 결론을 내렸다.
- 화염핵이 발달하면서 반응구역 전체가 휘염이 되었으며 밝은 청염이 주위를 둘러쌌는데, 이는 안정적인 연소가 일어난다는 것을 의미한다. 화염은 특정 축 거리로 연소실 전체에 계속 전달되었으며, 이 기간에 축 방향으로 가장 먼 전파 위치에서 전파된 화염이 소멸되었다.
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