[논문]고온 고압 정적 연소실에서 연소과정에 따른 온도 분포 측정

김기현

doi:10.5762/kais.2017.18.1.345

초록
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디젤 엔진의 연비와 배기를 개선하고자 하는 노력으로 다운사이징이 강화되고 있다. 이에 따라 엔진의 사이즈는 작아지고, 엔진 연소실 내 온도와 압력은 상승하는 추세이다. 따라서 높은 온도와 압력 조건에서 연료 분무의 발달과정과 연소과정 연구가 매우 중요하다. 본 연구에서는 디젤 엔진 연소실의 고온 고압 환경을 벤치에서 모사해줄 수 있는 정적 연소실을 개발하였다. 정적 연소실은 예혼합기를 연소시켜 순간적으로 온도와 압력을 급격하게 상승시킨 다음, 주변으로의 열전달에 의해 온도와 압력이 감소할 때 시험 목표조건인 온도와 압력 조건에 다다르면, 연료 분사기에 신호를 인가하여 연료분무를 개시하며 쿼츠 창을 통하여 연료 분무를 가시화 한다. 이 때, 정적 연소실 내에 연료 분무가 이루어지는 영역의 온도를 정확히 측정하여 정확한 시험 조건을 형성해야 한다. 본 연구에서는 고속으로 온도를 측정할 수 있는 열전대를 직접 개발 및 제작하여 연소실 내 시공간적 온도분포를 측정하였다. 측정 결과, 전체 체적 온도보다 연료 분무가 개시되는 중심 공간의 온도가 더 높게 나타났으며, 이는 연소실 벽면으로의 열전달 때문임을 확인하였다. 또한 횡방향으로의 온도 편차는 약 10%이내 수준이었으나, 종방향으로 온도편차가 최대 15%수준으로 나타났고 이는 부력으로 인한 고온의 연소가스의 상승효과 때문으로 판단되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Downsizing is widely applied to diesel engines in order to improve fuel efficiency and reduce exhaust emissions. Engine sizes are becoming smaller but pressure and temperature inside combustion chambers are increasing. Therefore, research for fuel spray under high pressure and temperature conditions...

Downsizing is widely applied to diesel engines in order to improve fuel efficiency and reduce exhaust emissions. Engine sizes are becoming smaller but pressure and temperature inside combustion chambers are increasing. Therefore, research for fuel spray under high pressure and temperature conditions is important. A constant volume chamber which simulates high temperature and pressure likely to be found in diesel engines was developed in this study. Pressure and temperature were increased abruptly because of ignition of the pre-mixture in the constant volume chamber. Then pressure and temperature were gradually decreased due to the heat loss through the chamber wall. Fuel spray occurred when temperature and pressure were reached at the target condition. In this experiment, the temperature condition should be exactly defined to understand the relation between fuel evaporation and ambient temperature. A fast response thermocouple was developed and used to measure the temporal and spatial temperature distribution during the combustion process inside the combustion chamber. In the results, the core temperature was slightly higher than the bulk temperature calculated by the gas equation. Ed-note: do you want to say 'ideal gas equation'? This was attributed to the heat transfer loss through the chamber wall. The vertical temperature deviation was higher than the horizontal temperature deviation by 5% which resulted from the buoyancy effect.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Pickett 등은 실제 디젤 엔진에서 연료가 분사되는 약 50bar 이상 압력, 1000K 근방 온도 조건을 정적 연소실에서 구현한 후, 연료 분무와 연소과정을 쿼츠창을 통하여 가시화 한 바 있다.[3] 본 연구에서는 이와 같이 고온 고압을 모사할 수 있고, 연료 분무와 연소과정을 다양한 각도에서 가시화 할 수 있는 정적 연소실의 개발과정을 소개한다. 특히, 정적 연소실 내에서 발생하는 예혼합 연소과정동안에 연소실 내의 온도분포조건에 대해 집중적으로 연구하였다.
본 연구에서는 예혼합기의 연소를 통해 실제 엔진의 연소실내 고온 고압 환경을 모사할 수 있는 정적 연소실의 개발과정과 연소실 내부의 온도분포특성에 대해 실험적 조사를 수행하였다.
[3] 본 연구에서는 이와 같이 고온 고압을 모사할 수 있고, 연료 분무와 연소과정을 다양한 각도에서 가시화 할 수 있는 정적 연소실의 개발과정을 소개한다. 특히, 정적 연소실 내에서 발생하는 예혼합 연소과정동안에 연소실 내의 온도분포조건에 대해 집중적으로 연구하였다.

제안 방법

7은 열전대 어댑터와 열전대 어댑터가 정적 연소실에서 설치되는 위치와 방향을 나타낸다. 1번에서 5번까지의 각각의 열전대들은 x축 방향 (연료 분무의 진행방향)으로 60mm 돌출되도록 하여 x축 선상에서 정적 연소실의 중앙에 오도록 하였다. 따라서 x축 선상의 연소실 내부 정 중앙부에서 y축 방향 (지면에 수평한 방향, #2, #4 열전대)과 z축 방향 (지면에 수직한 방향, #1, #5 열전대)의 온도 구배를 측정할 수 있다.
2. 연소실 내 시공간적 온도 특성을 분석하기 위해 고속성능(반응시간 1ms 이하)의 열전대를 직접 제작하였으며, 연소가스의 온도 측정을 수행하였다.
4는 정적 연소실 내부의 예혼합기를 점화시켰을 때 발생한 압력 변화를 나타낸다. 동일한 조건에서 시험을 12번 반복하여 압력곡선을 평균하였다. 검은색 실선이 압력의 평균 곡선이며, 빨간색 실선은 12번 실시한 시험의 압력의 표준편차를 나타낸다.
정적연소실의 8개 꼭지점 부분을 모따기 한 후, 홀을 가공하여 스파크 플러그, 열전대, 그리고 흡배기 밸브 등을 설치하였다. 위와 같은 정적 연소실은 가로 세로 800mm, 두께 20mm의 SM45C 판으로부터 200mm 상부에 설치되었으며, 알루미늄 프로파일을 사용하여 전체 시스템의 지지대를 구성하였다.

대상 데이터

정적연소실의 8개 꼭지점 부분을 모따기 한 후, 홀을 가공하여 스파크 플러그, 열전대, 그리고 흡배기 밸브 등을 설치하였다. 위와 같은 정적 연소실은 가로 세로 800mm, 두께 20mm의 SM45C 판으로부터 200mm 상부에 설치되었으며, 알루미늄 프로파일을 사용하여 전체 시스템의 지지대를 구성하였다.
정적 연소실 내 기체의 온도를 직접적으로 측정해야 하므로 열전대 소선을 외부로 노출한 타입을 사용하였고 측정 시간 1ms 이내의 빠른 응답성을 확보하기 위하여 75μm의 굵기의 열전대 소선을 사용하였다.
정적연소실은 정육면체 형태로, 직경 10cm의 구멍을 면의 중심 방향으로 관통하여 총 6개의 방향에서 정적 연소실 내부를 관찰 할 수 있다. 정적 연소실은 표면 경도가 높고 풀림열처리를 통해 충격과 진동에 강하여 기계구조용 강으로 널리 사용되는 SM45C를 사용하여 제작되었다. [4] 최대 압력 150bar, 최대 온도 2000K를 견딜 수 있도록 제작되었다.

성능/효과

1. 정적 연소실 내부의 예혼합기 연소를 통해 연소압력은 초기에 급격하게 증가하나, 주변으로의 열전달로 인해 다시 하강한다.
3. 온도측정 결과, 압력으로부터 계산된 전체온도 대비 연소실 중심온도가 더 높게 나타났다. 이는 연소실 중심에서는 연소실 벽면외부로의 열전달에 덜 영향을 받기 때문이다.
4. 연소실 내부의 공간적 온도 분포 특성을 측정해본 결과, y방향(지면과 수직한 방향)으로는 약 10%이내의 온도편차를 나타냈으나 z방향(지면과 수직한 방향)으로는 부력에 의한 고온의 연소가스 이동으로 인해 최대 15% 수준의 온도편차가 발생하였다.
[5]연소실 상 하단에 설치된 2개의 점화플러그로부터 화염이 개시되며, 화염 전단면의 전파에 따라 연소가 진행되며 부력의 영향으로 인해 고온의 가스가 더 빨리 위쪽으로 상승되는 특성 때문에 화염의 발달이 위쪽방향으로 치우쳐 나타나는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디젤 엔진이 수송기관의 동력기관으로 각광받아온 이유는 무엇인가?	디젤 엔진은 높은 압축비 및 희박 연소로 인해 수송기관의 동력기관으로써 각광받아 왔다.[1] 최근에는 연비와 배기의 지속적 개선을 위해 엔진의 다운사이징이 강화되고 있는 추세이다.
	연료 분무 가시화 시험에서 실제 연료 분무가 이루어지는 영역이 보통 정적 연소실의 중앙쪽 방향을 향하는 이유는 무엇인가?	연료 분무 가시화 시험에서 실제 연료 분무가 이루어지는 영역은 보통 정적 연소실의 중앙쪽 방향을 향한다. 이는 여러 방향에서 분무 가시화를 용이하게 수행하기 위함이다. 즉, 연료 분무가 이루어지는 영역에서의 온도 특성을 확인할 필요가 있다.
	디젤 엔진의 고온 고압 조건에서의 연료 분무 발달 과정에 대한 연구가 중요한 이유는 무엇인가?	엔진의 다운사이징은 엔진의 비체적을 줄이고, 비출력을 증가시키는 방법으로 엔진 연소실내의 온도와 압력 의 증가가 수반되게 된다. 디젤 엔진에서는 연료 분무의 발달 과정에 따라 연소과정, 배기가스 배출물 형성 과정 등이 지배되므로, 이와 같은 고온 고압 조건에서의 연료 분무 발달 과정에 대한 연구의 중요성이 강화되었다.

참고문헌 (6)

J. E. Dec, "Advanced compression-ignition engines- understanding the in-cylinder processes", Proc. Combust Inst 2009, vol. 32, no. 2, pp. 2727-42, 2009.
B. C. Choi , "The State of the Art of Automotive Diesel Engine Technologies", Journal of The Korean Society for Power System Engineering, vol. 6, no. 1, pp. 12-19, 1998.
P. M. Lillo, "Diesel Spray Ignition Detection and Spatial/Temporal Correction", SAE Int. J. Engines vol. 5, no. 3, 2012-01-1239, 2012.
K. S. Koo, 2012, "A Study on the Mechanical Properties of the Friction Welding with Solid Shaft of SM45C", Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers vol. 21 no. 6, pp. 932-937, 2012. DOI: https://doi.org/10.7735/ksmte.2012.21.6.932

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G. S. Settles, "Schlieren and Shadowgraph Techniques", Springer-Verlag, 2001. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-56640-0
Miles, P. C., Gouldin, F. C., "Determination of the time constant of fine-wire thermocouples for compensated temperature measurements in premixed turbulent flames." Combust. Sci. Tech. 83:119, 1992.

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