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문제 정의
- 4-5) 이를 위하여 엔진의 연소실을 모사한 모델연소기를 제작하고 스파크플러그 및 인젝터 등을 설치하여 기초연소데이터를 얻는 실험적인 연구를 수행하였다.6) 본 연구는 텀블 유동이 LPG 연료의 연소에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 연료분사에 분위기 공기를 전면에서 공급하였다. 실험변수로는 분위기 공기유속, 분사압력, 분위기 온도, 분위기 압력 등을 조절 하였으며, 이들이 LPG-공기 혼합기의 점화성 및 연소과정에 미치는 화염전파 특성을 계측, 분석하였다.
- 본 연구에서는 분위기 공기의 유동장에서의 DI LPG의 점화성을 고찰하였다. 본 연구에서 성공적인 점화는 “화염핵이 스파크의 결과로 형성된 후 청색 및 황백색의 화염이 발생하며, 이후의 안정된 화염으로 전파되는 것”으로 정의하였다.
가설 설정
- 8) 이는 예혼합기의 형성과 LPG-공기 혼합기의 확산 및 이후의 연소속도에까지 중요한 영향을 미치게 된다.
제안 방법
- LPG 성층급기 방식 SIDI LPG 엔진의 최적설계를 위해서는 LPG-공기 혼합과정 및 그 결과로 일어나는 연소과정의 본질적 기초연소특성을 조사할 필요가 있다.4-5) 이를 위하여 엔진의 연소실을 모사한 모델연소기를 제작하고 스파크플러그 및 인젝터 등을 설치하여 기초연소데이터를 얻는 실험적인 연구를 수행하였다.6) 본 연구는 텀블 유동이 LPG 연료의 연소에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 연료분사에 분위기 공기를 전면에서 공급하였다.
- 4(c)는 연료분사에 대하여 분위기 공기를 전면에서 공급하는 경우이며, 이들은 텀블 유동이 가스의 연소에 미치는 영향을 알기 위한 것이다. 가시화 실험에서 분사된 연료 반대편으로 기류를 추가하여 연료와 공기의 혼합과 연소과정에 대한 영향을 보여준다.
- 연료 이송라인은 스테인레스 재질인 원형파이프를 사용하였고, 외경 6 mm, 내경 4 mm인 파이프를 길게 연장하여 연료의 이송시 발생하는 맥동을 감소시켰다. 급기시스템의 공기유속 측정은 SERIES 8000 MP/NH, ELDRIDGE PRPDUCTS INC를 사용하였고, 공기유속 범위는 0 m/s에서 2 m/s까지로 조절이 가능하다.
- 다양한 역류공기 유속에 따른 점화성과 화염전파 특성을 고찰하였다. 가스의 운동은 스파크점화직분식 엔진에서 연료-공기 혼합과 연소과정을 좌우하는 주요 요소 중 하나로 알려져 있다.
- 실린더의 직경은 100 mm이다. 성층급기를 유도하기 위해 L-형 Nozzle을 GDI 인젝터에 부착하여 Nozzle 출구는 연소실 중앙까지 연장시켰다. L-형 Nozzle의 외경은 3 mm, 내경은 1 mm이며, Nozzle 출구에서부터 스파크방전 위치까지의 거리는 20 mm이다.
- 6) 본 연구는 텀블 유동이 LPG 연료의 연소에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 연료분사에 분위기 공기를 전면에서 공급하였다. 실험변수로는 분위기 공기유속, 분사압력, 분위기 온도, 분위기 압력 등을 조절 하였으며, 이들이 LPG-공기 혼합기의 점화성 및 연소과정에 미치는 화염전파 특성을 계측, 분석하였다.
- 역류공기 유속, 분위기 온도, 분위기 압력과 같은 분위기 조건은 연소화염의 거동과 구조에 크게 영향을 미친다. 실험조건은 분사압력 0.5 MPa, 분사기간 6 ms, 분위기 온도 370K, SDPa 25 mm, 분위기 압력 0.2 MPa, 점화시기 2 ms, 역류공기 속도는 각각 0 m/s, 0.5 m/s, 1.0 m/s로 변경하였다.
- 16은 역류 공기 유속이 없을 때, 화염면 위치와 화염 면적이 시간에 따라 증가한 결과를 나타내었다. 실험조건은 분사압력 0.7 MPa, 분사기간 10 ms, 분위기 온도 320K, 분위기 압력 0.24 MPa, SDPa 20 mm, 분사방향에 대하여 역류공기 속도는 0 m/s이며, 점화시기는 3 ms로 설정하였다.
- 18은 분위기 온도가 화염전파 속도에 미치는 영향을 보여준다. 실험조건은 분사압력 0.9 MPa, 분사기간 10 ms, 분위기 압력은 0.24 MPa, SDPa 20 mm, 역류공기 속도 0.25 m/s이며, 점화시기는 분사 후 3 ms로 설정하고, 분위기 온도를 320K, 370K, 420K로 변경하며 실험하였다.
- 21을 보면 화염발달 단계에서 화염면의 위치는 다양한 주변 공기유속에 대하여 거의 유사하다. 실험조건은 분사압력 0.9 MPa, 분사기간 10 ms, 분위기 온도 370K, SDPa 20 mm, 분위기 압력 0.24 MPa, 점화시기 3 ms로 설정하고, 역류공기 속도를 각각 0.2 m/s, 0.25 m/s, 0.3 m/s로 변경하였다. 역류공기 속도가 0.
- 19는 분위기 압력의 증가에 따라 화염면 위치의 감소를 나타내고 있으며, 분위기 압력에 따른 화염면 위치의 변화가 뚜렷하게 나타났다. 실험조건은 분사압력 0.9 MPa, 분사기간 10 ms, 분위기 온도 370K, SDPa 20 mm, 역류공기 속도 0.25 m/s, 점화시기 3 ms로 설정하였다.
- 본 연구에서 분사기류(축) 방향(SDPa, Spark Discharge Position in Axial Direction)이란 “축 방향에서의 스파크방전 위치”로 정의한다. 실험조건은 분사압력 각각 0.6 MPa 및 0.7 MPa, 분위기온도 320K, 분위기 압력 0.15 MPa, 분사기간 10 ms, 점화시기 2 ms, 연소실 내부 공기유속 0 m/s로 설정하였다.
- 역류 공기 유속이 있을 때의 격렬한 연소대의 이미지를 기초로 화염면 위치나 화염전파 속도와 같은 화염전파 특성을 관찰하였다. 본 연구에서 화염면 위치는 “연소화염의 전면부의 위치”로 정의한다.
- 연료압력 0.6 MPa, 역류공기유속 0.25 m/s, 분사기간 10 ms, 분위기온도는 각각 320K, 370K, 420K로 설정하였고, 분위기 압력은 0.12∼0.24 MPa 범위에서 0.02 MPa로 상승시켰다.
- 화염전파 특성의 변동은 화염면 위치의 비교를 통해 관찰하였다. 연소화염 전파 이미지는 동일 분위기 조건 하에서 5회에 걸쳐 ICCD 카메라를 통해 기록하였으며 그 값을 데이터화 하였다.
- 난류 화염일 때 연소화염의 기하학적 특징을 정확히 측정하기란 난해한 부분이다. 화염발달과 그에 따른 화염전파는 매 실험 시 마다 변동하며, 본 연구에서 연소화염의 모든 기하학적 특징은 동일조건에서 20회에 걸쳐 측정한 데이터의 평균값을 적용하였다.
- 화염전파 특성의 변동은 화염면 위치의 비교를 통해 관찰하였다. 연소화염 전파 이미지는 동일 분위기 조건 하에서 5회에 걸쳐 ICCD 카메라를 통해 기록하였으며 그 값을 데이터화 하였다.
대상 데이터
- 1,2) 펌핑손실의 저감과 출력향상을 위한 가스연료 직분식 엔진 개발에 필요한 기초 연소특성에 관한 정보의 확보는 글로벌 자동차업체들이 연비를 개선하고 CO2 배출량을 줄이는 친환경 엔진 개발에 많은 노력을 기울이는 점을 감안하면, 본 연구 또한 그러한 목적에 부합되는 일환이라는 측면에서 의미가 큰 것으로 사료된다.3) 본연구의 대상인 스파크점화 직분식(SIDI) LPG 엔진은 SI 엔진에 DI 기술을 채택한 엔진의 한 종류이며, 연료는 LPG를 사용하였다. LPG 성층급기 방식 SIDI LPG 엔진의 최적설계를 위해서는 LPG-공기 혼합과정 및 그 결과로 일어나는 연소과정의 본질적 기초연소특성을 조사할 필요가 있다.
- 연소실의 외형은 직육면체로 길이는 300 mm이며, 너비와 높이는 모두 180 mm이다. 실린더의 직경은 100 mm이다. 성층급기를 유도하기 위해 L-형 Nozzle을 GDI 인젝터에 부착하여 Nozzle 출구는 연소실 중앙까지 연장시켰다.
- 실험에서 실화를 제외하고 취득한 400회의 영상을 축 방향을 따라 점화에 성공한 화염 핵의 위치를 확률로 나타내었다. 분사압력이 0.
- 본 연구에서 분사 반경 방향(SDPr, Spark Discharge Position in Radial Direction)이란 “반경방향에서의 스파크방전 위치” 로 정의한다. 실험조건은 Fig. 10과 동일하며 분사 축방향의 10 mm 지점을 0 mm 위치로 규정 후, 점화에 성공한 400회의 화염 핵의 위치를 그래프로 나타내었다.
- L-형 Nozzle의 외경은 3 mm, 내경은 1 mm이며, Nozzle 출구에서부터 스파크방전 위치까지의 거리는 20 mm이다. 연료 이송라인은 스테인레스 재질인 원형파이프를 사용하였고, 외경 6 mm, 내경 4 mm인 파이프를 길게 연장하여 연료의 이송시 발생하는 맥동을 감소시켰다. 급기시스템의 공기유속 측정은 SERIES 8000 MP/NH, ELDRIDGE PRPDUCTS INC를 사용하였고, 공기유속 범위는 0 m/s에서 2 m/s까지로 조절이 가능하다.
- 3은 연소실 단면도로 연소실 내부의 가스운동을 보여준다. 연소실의 외형은 직육면체로 길이는 300 mm이며, 너비와 높이는 모두 180 mm이다. 실린더의 직경은 100 mm이다.
성능/효과
- 0.7 MPa일 때 점화 확률이 높았으며, 분사압력을 상승 시 분무속도의 증가로 이어지며 이는 화염핵의 소염에 영향을 끼쳐 L형 Nozzle의 출구 주변 스파크 위치에서의 점화성을 상당부분 감소시켰다.
- DI 엔진은 성층급기로 작동하는데, 이는 높은 사이클 변동 없이도 열효율 향상을 달성할 수 있는 초희박 연소의 실현이 가능하다.1,2) 펌핑손실의 저감과 출력향상을 위한 가스연료 직분식 엔진 개발에 필요한 기초 연소특성에 관한 정보의 확보는 글로벌 자동차업체들이 연비를 개선하고 CO2 배출량을 줄이는 친환경 엔진 개발에 많은 노력을 기울이는 점을 감안하면, 본 연구 또한 그러한 목적에 부합되는 일환이라는 측면에서 의미가 큰 것으로 사료된다.3) 본연구의 대상인 스파크점화 직분식(SIDI) LPG 엔진은 SI 엔진에 DI 기술을 채택한 엔진의 한 종류이며, 연료는 LPG를 사용하였다.
- 고온 분위기의 연소에서 공기는 LPG-공기 혼합기의 연소속도에 영향을 미칠 것이라는 점에서 중요성을 갖는다고 가정되었으며, 공기의 특성변화는 LPG-공기 혼합기의 연소속도에 영향을 미칠 것이라는 점이 예상되었다. 이는 LPG 연료 시스템의 성능을 평가하는 데에도 중요한 자료로 사용될 것이다.
- 본 실험의 조건에서는 역류공기의 유속이 0.3 m/s에서 LPG-공기 혼합기의 예혼합이 잘 이루어져 화염전파에 유리하게 작용했다는 것을 알 수 있다.
- 화염발달 단계인 점화 후 4 ms까지는 화염면의 위치가 대부분 동일하였고, 이후 화염전파 단계인 40 ms까지는 분위기 온도가 낮을 때 화염면의 위치가 스파크방전 위치와 멀리 떨어져있다. 본 실험조건에서 화염면 위치에 영향이 큰 분위기 온도는 320K에서 370K로 나타났다. 분위기 온도의 차이 때문에 가장 먼 화염면 위치에 도달하는 데 소요되는 시간이 평균적으로 약35 ms이다.
- 본 연구에서 성공적인 점화는 “화염핵이 스파크의 결과로 형성된 후 청색 및 황백색의 화염이 발생하며, 이후의 안정된 화염으로 전파되는 것”으로 정의하였다.
- 분사기류 반경방향에 따른 실험에서 분무의 유동이 상승 기류의 영향으로 분무 중심선보다 상층의 구간에서 점화성이 높았다.
- 7 MPa일 때, 점화확률이 높았다. 분사압력이 0.6 MPa일 때에는 분사기류(SDPa) 방향으로 약 9 mm 부근에서 점화확률이 가장 높았고, 분사압력이 0.7 MPa일 때에는 분사기류 방향으로 약 9 mm와 17 mm에서 점화확률이 높았다. 9 mm 지점에서는 분사압력 0.
- 분위기 압력은 화염면의 위치와 화염전파 속도에 영향을 미친다. 분위기압력이 높을수록 화염면의 위치가 스파크 방전위치와 가까워졌고, 화염전파 속도 또한 상대적으로 감소하였다.
- 12의 실험에서 도출된 평균 화염면 위치이다. 스파크 방전위치와 가장멀리 떨어진 화염면의 위치는 76 mm 지점이며, 역류공기 유속의 영향으로 75 mm 지점 이후의 화염면의 위치는 거의 일정하게 나타났다.
- 실험결과 분사압력은 LPG 분무속도에 상당한 영향을 미친다는 점이 확인되었다. 높은 분사압력은 분무속도의 증가로 이어지는데, 이는 화염 핵의 소염에 영향을 끼쳐 L-형 Nozzle의 출구 주변 스파크 위치에서의 점화성을 상당부분 감소시켰다.
- 실험결과 분위기 온도가 높을수록 화염면 위치가 일부 감소하였다. 화염발달 단계인 점화 후 4 ms까지는 화염면의 위치가 대부분 동일하였고, 이후 화염전파 단계인 40 ms까지는 분위기 온도가 낮을 때 화염면의 위치가 스파크방전 위치와 멀리 떨어져있다.
- 실험결과 점화 시의 순간 속도(instantaneous velocity) 값이 점화의 성공을 결정하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 판단되며, 높은 분위기 압력은 분사된 연료의 관통속도를 지연시키고 분위기 압력이 낮을 때는 분무제트 속도가 높아 점화성이 저하되었다. 또한 적절한 점화시기도 점화성에 중요한 요인으로 작용하였다.
- 3 m/s로 변경하였다. 역류공기 속도가 0.3 m/s일 때 화염면 위치가 스파크 방전위치와 가장 멀어지며, 그 화염전파 속도는 화염전파 단계에서 가장 높았다.
- 24는 역류공기 유속이 화염면적 전파에 미치는 영향을 보여준다. 역류공기 유속이 증가하면 최대 화염면적은 감소하며, 최대 화염면적에 도달하는데 소요되는 시간도 짧았다. 역류공기의 유속이 없을 때 최대 화염면적은 커졌다.
- 5 ms, 29 ms였다. 전체적인 화염면의 위치가 스파크방전 위치에서 가장 멀리 떨어진 분위기 압력은 0.23 MPa이며, 분위기 압력 0.25 MPa일 때 분위기 압력과 역류공기의 유속이 분무관통능력을 상쇄시켜 연소 말기인 스파크 방전 후 42 ms 지점부터는 화염면의 위치가 급격히 감소되었다.
- 점화플러그 주변 혼합기의 운동과 조성이 초기 화염의 발달을 상당 부분 좌우하였고, 화염전파 단계에서는 난류 화염면이 원형 형태 대신 불규칙한 형태로 나타났다.
- 12의 실험에서 도출된 평균 화염전파 속도이다. 최대 화염전파 속도는 점화 후 10 ms일 때 8 m/s 로 가장 빨랐으며, 이후 시간이 지날수록 화염전파 속도가 급격히 감소함을 알 수 있다. 화염의 거동은 연소실 내의 유동에 절대적으로 의존하며, 따라서 화염의 거동이 활발할수록 연소실내의 유동도 활발하기 때문에 공기이용률 증가에 기인하였다.
- 분위기 온도가 420K일 때 초기 화염발달 단계에서는 화염전파 속도가 상대적으로 빠르지만 화염전파 단계에서는 화염전파 속도가 상대적으로 감소하였다. 화염전파속도의 곡선이 안정적인 구배를 이루는 분위기 온도는 370K로 나타났다.
후속연구
- 고온 분위기의 연소에서 공기는 LPG-공기 혼합기의 연소속도에 영향을 미칠 것이라는 점에서 중요성을 갖는다고 가정되었으며, 공기의 특성변화는 LPG-공기 혼합기의 연소속도에 영향을 미칠 것이라는 점이 예상되었다. 이는 LPG 연료 시스템의 성능을 평가하는 데에도 중요한 자료로 사용될 것이다.
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