[논문]에탄올/가솔린 혼합연료의 물리적 특성에 따른 분무 특성 비교

김웅일; 김영근; 이황복; 이기형

doi:10.15435/jilasskr.2017.22.3.109

Abstract ▼ AI-Helper

The aim of this study is to investigate the effect of physical properties of fuels on spray characteristics in the gasoline direct injection system. Injection rate, spray visualization, and spray pattern experiments were performed to analyze the spray characteristics of ethanol, gasoline, and ethano...

The aim of this study is to investigate the effect of physical properties of fuels on spray characteristics in the gasoline direct injection system. Injection rate, spray visualization, and spray pattern experiments were performed to analyze the spray characteristics of ethanol, gasoline, and ethanol/gasoline blends. We measured injection rate of each fuel via the Bosch method. The spray visualization experiment was also carried out at atmospheric pressure using a high-speed camera. Finally, the average of drop surface area per unit volume was measured using the optical patternator. The experimental results from Bosch method showed that peak injection rate increased when the volume fraction of ethanol increased. In addition, higher viscosity of ethanol than that of gasoline leads to longer injection delay. At the initial injection region before reaching 0.8 ms, the spray tip penetration becomes longer as increasing the volume fraction of ethanol, but reversely shorter after 0.8 ms. It was found that ethanol makes spray angle become larger. The surface area per unit volume of the drop was decreased as the distance from the injection tip or the concentration of the gasoline increased.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

그러나 실린더 내에 직접 분사하는 시스템의 경우, 가솔린과 에탄올의 물리화학적 특성 차이로 인해 혼합연료의 혼합율에 따른 연소차이가 발생하게 되고, 점도 및 기화잠열의 차이가 분무 도달 거리와 연료분사면적에 직접적인 영향을 주게 되어 분무 도달 거리의 증가로 인한 Wall wetting 현상이 발생하여 엔진 연소에 악영향을 미치게 된다. 따라서 본 연구에서는 가솔린과 에탄올의 혼합율에 따른 분사압력 및 분사 패턴 등을 분석하여 연소 최적화에 적합한 분무 특성에 대한 기초 자료를 획득하고자 한다.
본 연구는 GDI 시스템에서 에탄올/가솔린 혼합연료의 분무특성을 실험적으로 규명하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

제안 방법

이와 같은 에탄올/가솔린 혼합연료는 FFV 차량이 많이 사용되고 있는 브라질 시장을 고려하여 무수에탄올과 함수에탄올을 구분하여 혼합하였으며, 자세한 연료 혼합비와 명명은 Table 2에 나타내었다. 브라질 시장의 경우 에탄올 혼합율에 따라 생산되는 에탄올의 종류가 다르기 때문에 이와 같이 실험연료를 구분하여 실험을 진행하였다. 실험연료의 분사를 위해 사용된 인젝터는 6공 GDI (Gasoline Direct Injection) 인젝터를 사용하였다.
본 연구에서는 에탄올/가솔린 혼합연료의 분사율을 측정하기 위해 Fig. 1과 같이 분사율 실험장치를 이용하여 분사율을 측정하였다. 본 실험은 Bosch 장관법(14)을 이용하여 측정하였으며, 관 내부의 압력변화를 압력센서 (Kistler, 4045A)를 이용하여 측정하였으며, 압력 변화와 인젝터 신호를 취득하여 Labview 기반의 프로그램을 이용하여 분석하였다.
본 실험은 Bosch 장관법(14)을 이용하여 측정하였으며, 관 내부의 압력변화를 압력센서 (Kistler, 4045A)를 이용하여 측정하였으며, 압력 변화와 인젝터 신호를 취득하여 Labview 기반의 프로그램을 이용하여 분석하였다. 분사압력은 15 MPa, 통전기간은 1.5 ms로 동일하게 분사하였으며, 관내의 압력은 Relief 밸브로 모든 실험조건에서 1.0 MPa로 유지하여 실험연료의 성분비에 따른 분사율 특성의 차이를 관찰하였다.
2와 같은 분무 가시화 실험장치를 구성하였다. 분사 조건은 이전과 동일하며, 분사된 연료를 LED 램프를 광원으로 하는 고속카메라(Phantom, V7.0)를 이용하여 10,000fps로 촬영하였다. 분위기압력은 모든 연료가 동일하게 대기압조건에서 진행되었으며, 촬영된 영상을 통해 Fig.
실험연료의 분무 단면적 형상과 단위 면적당 분무 표면의 크기를 측정하기 위해 Fig. 4와 같이 발산된 Laser를 이용하여 분무된 입자의 굴절정도를 Array detector로 받아 Laser sheet의 단위 면적당 지나는 입자 표면 크기를 분석하는 원리를 이용하는 분무 패턴 측정 장비(Setscan, OP-600)를 이용하였다. 측정 위치는 인젝터 팁으로부터의 거리를 기준으로 하였으며, 대기압조건에서 동일하게 Fig.
0)를 이용하여 10,000fps로 촬영하였다. 분위기압력은 모든 연료가 동일하게 대기압조건에서 진행되었으며, 촬영된 영상을 통해 Fig. 3과 같은 정의에 의하여 Matlab 프로그램을 이용하여 분무 도달 거리와 분무각을 산출하여 분무특성을 분석하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 실험연료는 에탄올연료와 가솔린연료를 부피기준으로 혼합한 연료이며, 각 연료의 자세한 특성은 Table 1⁽¹²⁾과 같다. 이와 같은 에탄올/가솔린 혼합연료는 FFV 차량이 많이 사용되고 있는 브라질 시장을 고려하여 무수에탄올과 함수에탄올을 구분하여 혼합하였으며, 자세한 연료 혼합비와 명명은 Table 2에 나타내었다.
브라질 시장의 경우 에탄올 혼합율에 따라 생산되는 에탄올의 종류가 다르기 때문에 이와 같이 실험연료를 구분하여 실험을 진행하였다. 실험연료의 분사를 위해 사용된 인젝터는 6공 GDI (Gasoline Direct Injection) 인젝터를 사용하였다. 또한 각 실험별 분사 조건은 SAE J2715 STANDARD TEST CONDITIONS⁽¹³⁾을 기준으로 하여 실험을 진행하였다.
에탄올/가솔린 혼합연료의 분무형상을 비교하기 위해 Fig. 2와 같은 분무 가시화 실험장치를 구성하였다. 분사 조건은 이전과 동일하며, 분사된 연료를 LED 램프를 광원으로 하는 고속카메라(Phantom, V7.
에탄올/가솔린 혼합연료의 분사율을 측정하기 위해 분사량 실험이 선행되었다. 그 결과는 Fig.

이론/모형

실험연료의 분사를 위해 사용된 인젝터는 6공 GDI (Gasoline Direct Injection) 인젝터를 사용하였다. 또한 각 실험별 분사 조건은 SAE J2715 STANDARD TEST CONDITIONS⁽¹³⁾을 기준으로 하여 실험을 진행하였다. Table 3은 본 연구에서의 분사조건을 나타내었다.
1과 같이 분사율 실험장치를 이용하여 분사율을 측정하였다. 본 실험은 Bosch 장관법(14)을 이용하여 측정하였으며, 관 내부의 압력변화를 압력센서 (Kistler, 4045A)를 이용하여 측정하였으며, 압력 변화와 인젝터 신호를 취득하여 Labview 기반의 프로그램을 이용하여 분석하였다. 분사압력은 15 MPa, 통전기간은 1.

성능/효과

7에 나타내었다. 결과 그림에서 알 수 있는 바와 같이 SOE(Start of Energizing) 이후 약 1.8 ms 지점에서 순간 분사율이 최대값을 가지며, 에탄올의 성분비가 높을수록 분사율 측정값이 높은 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 가솔린에 비해 에탄올의 높은 밀도로 인해 순간 분사량의 증가에 기인한 결과로 여겨진다.
분사 초기에는 에탄올 성분비가 높을수록 분무 도달 거리가 길게 나타나며, ASOI(After Start of Injection) 약 0.5~0.8 ms 이후에서는 가솔린 성분비가 높은 연료의 분무 도달 거리가 길게 나타나는 경향을 보였다.
8 ms 이후에서는 가솔린 성분비가 높은 연료의 분무 도달 거리가 길게 나타나는 경향을 보였다. 이와 같은 결과는 가솔린에 비해 높은 밀도를 가지고 있는 에탄올로 인해 분사 초기에는 에탄올 성분비가 많은 연료의 분무 도달 거리가 길게 나타나는 것으로 보이며, ASOI 0.5~0.8 ms 이후의 구간에서는 분무가 진행되면서 에탄올 연료의 증발로 인하여 분무도달 거리가 감소하는 결과로 판단된다.
분무 패턴 측정 장비를 이용하여 에탄올/가솔린 혼합연료의 분무 단면적에 대한 입경 분포를 관찰한 결과, Fig. 10과 같이 에탄올의 성분비가 높은 연료의 단면적이 대체로 크게 나타나는 경향을 보였다. 결과에서 붉은 색으로 나타날수록 단위 면적당 입자의 크기가 큰 결과를 나타낸 것이다.
(1) 에탄올의 높은 점도로 인해 에탄올 성분비가 높은 연료는 초기 분사가 지연되지만 이후에 에탄올의 높은 밀도로 인해 순간적으로 많은 분사량 특성을 가진다.
(2) 분무 가시화를 통해 분사 초기에 에탄올 성분비가 높은 연료의 분무가 빠르게 진행됨을 알 수 있으며, 이후에 에탄올의 증발로 인해 분무 발달이 지연된 결과를 보인다.
(3) 분무 진행 방향과 수직인 방향으로 에탄올이 확산되어 에탄올 성분비가 높은 연료가 큰 분무각을 가진다.
(4) 큰 분무각을 가지는 에탄올은 분무 단면적을 측정하였을 때 넓은 단면적을 가진다.
(6) 분무의 미립화가 진행됨에 따라 인젝터 팁으로부터 멀어질수록 작은 입자 크기를 가진다.

후속연구

이와 관련하여 좀 더 다양한 조건에서 혼합연료의 성분비에 따른 비교분석이 필요할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에탄올이 연료로 사용될 때 가지는 장점은?	이와 같은 여러 대체 연료 중 에탄올은 기존의 가솔린과 디젤 연료에 비해 화학적 구조가 단순하여 유해 배출물 저감이 가능하다(6). 에탄올은 연료 내에 함유된 산소 원자가 연소에 순기능을 하는 장점이 있으며, 가솔린을 혼합하여 연소할 경우 에탄올 혼합비 증가에 따라 HC(Hydrocarbon)와 CO(Carbon monoxide)가 감소하는 경향이 나타난다(7). 또한 높은 증발 잠열로 인한 흡입 공기의 냉각 효과로 가솔린 대비 약 3~5배의 충전효율이 증가한다(8,9).
	터보 직접분사 FFV의 개발이 필요한 이유는?	또한 FFV의 지속적인 경쟁력 확보를 위해서 기존 간접분사 방식의 차량을 다운사이징 기술을 적용하여 터보 직접분사 FFV으로 대체 하기 위한 기술개발이 필요하다. 직접분사 시스템의 경우 간접분사 방식의 엔진보다 연비와 출력 개선의 효과가 있기 때문에 다운사이징기술과 터보 기술을 같이 이용하면 배기 개선 효과도 함께 볼 수 있다.
	혼합연료를 사용할 때의 문제점은?	해외의 경우 FFV(Flexible Fuel Vehicle) 차량의 생산량이 증가되는 추세이며, 운전자의 운전 패턴에 따른 에탄올/가솔린의 혼합율을 결정하여 주유할 수 있는 인프라가 구축되어 있다. 하지만 혼합연료 사용 시 혼합연료를 주유할 때마다 연료 탱크의 잔여 연료로 인해 비율이 달라지고 연료의 특성이 변하면서 연소 특성이 달라지는 단점이 존재한다.

참고문헌 (14)

A. K. Agarwal, A. Dhar, J. G. Gupta, W. I. Kim, K. B. Choi, C. S. Lee and S. W. Park, "Effect of fuel injection pressure and injection timing of Karanja biodiesel blends on fuel spray, engine performance, emissions and combustion characteristics", Energy Conversion and Management, Vol. 91, 2015, pp. 302-314.

상세보기
W. I. Kim, K. H. Lee and C. S. Lee, "Spray and atomization characteristics of isbutene blended DME fuels", Journal of Natural Gas Science and Engineering, Vol. 22, 2015, pp. 98-106.

상세보기
K. Nakata, S. Nogawa, D. Takahashi, Y. Yoshihara, A. Kumagai and T. Suzuki, "Engine Technologies for Achieving 45% Thermal Efficiency of S.I. Engine", SAE International, SAE 2015-01-1896, 2015.
R. Stone, H. Zhao and L. Zhou, "Analysis of Combustion and Particulate Emissiions when Hydrogen is Aspirated into a Gasoline Direct Injection Engine", SAE International, SAE 2010-01-0580, 2010.
S. Goto, M. oguma and S. Suzuki "Research and Development of a Medium Duty DME Truck", SAE International, SAE 2005-01-2194, 2005.
M. Al-Hasan, "Effect of ethanol-unleaded gasoline blends on engine performance and exhaust emission", Energy Conversion and Management, Vol. 44, 2003, pp. 1547- 1561.

상세보기
N. Marek and J. Evanoff, "Pre-commercialization of E-diesel Fuels in Off-road Applications", Proceeding of A&WMA 2002 Annual Conference, Paper No.42740, 2002.
C. W. Wu, R. H. Chen, J. Y. Pu and T. H. Lin, "The Influence of Air-Fuel Ratio on EnginePerformace and Pollutant Emission of an SI Engine Using Ethanol- Gasoline Blended Fuels", Atmospheric Environment, Vol. 38, 2004, pp. 7093-7100.

상세보기
W. D. Hsieh, R. H. Chen, T. L. Wu and T. H. Lin, "Engine Performance and Pollutant Emission of an SI Engine Using Ethanol-Gasoline Blended Fuel", Atmospheric Environment, Vol. 36, 2002, pp. 403-410.

상세보기
S. H. Yoon, D. S. Kim and C. S. Lee, "Effect of Ethanol- gasoline Blending Ratio on Lean Combustion and Exhaust Emissions Characteristics in a SI Engine Fueled with Bioethanol", Transaction of the KSAE, Vol. 19, Issue 1, 2011, pp. 82-88.
H. C. Oh, W. Hua, C. H. Oh, J. S. Park and C. S. Bae, "Spray and Combustion Characteristics of Ethanol Blended Gasoline for DISI Engine", KSAE 2009 Annual Conference, 2009, pp. 180-185.
U.S. Department of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Alternative Fuels Data Center, http://www.afdc.energy.gov/afdc/fuels/properties.html.
D. L. S. Hung, D. L. Harrington, A. H. Gandhi, L. E. Markle, S. E. Parrish, J. S. Shakal, H. Sayar, S. D. Cummings and Jason L. Kramer, "Gasoline Fuel Injector spray Measurement and Characterization - A New SAE J2715 Recommended Practice", SAE Int. J. Fuels Lubr, Vol. 1, Issue 1, 2008, pp. 534-548.

상세보기
W. Bosch, "The Fuel Rate Indicator: A New Measuring Instrument for Display of the Characteristics of Individual Injection", SAE 660749, 1966.

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

LOADING...

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

[국내논문] 에탄올/가솔린 혼합연료의 물리적 특성에 따른 분무 특성 비교
Comparison of Spray Characteristics according to Physical Properties of Ethanol/Gasoline Blended Fuel 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (14)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

활용도 분석정보

활용도 Top5 논문

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

[국내논문] 에탄올/가솔린 혼합연료의 물리적 특성에 따른 분무 특성 비교 Comparison of Spray Characteristics according to Physical Properties of Ethanol/Gasoline Blended Fuel 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

Keyword

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (14)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김웅일 (3) 이기형 (112)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

활용도 분석정보

활용도 Top5 논문 더보기

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

[국내논문] 에탄올/가솔린 혼합연료의 물리적 특성에 따른 분무 특성 비교
Comparison of Spray Characteristics according to Physical Properties of Ethanol/Gasoline Blended Fuel 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper

활용도 Top5 논문