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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 디젤연료와 항공연료의 주요 성분이 되는 노말데케인과 최근 대체에너지원으로 관심이 모아지고 있는 에탄올을 혼합하였을 경우 혼합연료의 조성비 변화를 통해 에탄올 연료가 기존 노말데케인 연료의 점화특성에 미치는 영향을 조사하였다. 뿐만 아니라, 높은 EGR율을 모사한 질소희석을 통해서 산소의 농도가 변화하게 됨에 따라 나타나는 반응성 변화가 혼합연료의 점화지연시간에 미치는 영향을 수치적으로 계산하고 고찰하였다.
가설 설정
- concentration=21% and (b) O2 concentration=14.7%, E.R=1.0,P=15 atm and T=750K.
제안 방법
- %로 에탄올 비율을 25 mol.% 단위로 증가시키며 점화지연시간을 계산하였다. 압축온도는 저온 연소 조건인 600-1000 K까지 50 K 간격으로 변화시키면서 점화지연시간을 계산하였다.
- (3) 혼합비율 변화와 산소농도 변화가 점화지연시간에 미치는 영향은 중간화학종의 농도와 온도 계산을 통해 분석하였다. 저온영역에서 에탄올의 비율이 증가함에 따라 에탄올의 높은 옥탄가로 인하여 중간화학종의 농도 증가가 지연되는 것을 계산을 통해 확인하였고, 온도 상승 또한 감소하는 것을 확인하였다.
- 2는 노말데케인/에탄올 혼합연료의 혼합비율 변화에 따른 전체 점화지연시간을 나타낸 그래프이다. 당량비 1.0, 압축압력 15 atm, 산소농도는 21%로 조절하였다. 위 조건에서는 노말데케인을 주 연료로 하고 25, 50, 75, 100 mol.
- 5는 노말데케인/에탄올 혼합연료의 산소농도 변화에 따른 점화지연시간을 계산한 결과이다. 당량비 1.0, 압축압력 15atm, 노말데케인/에탄올의 연료 조성비는 5:5로 조절하였다. 산소농도는 0%, 18.
- 를 사용하였다. 또한 HCCI엔진의 특징인 균일 예혼합 과정을 모사하기 위해서 피스톤이 상사점에 도달했을 때의 압력과 온도를 초기조건으로 하는 Closed homogeneous Module을 적용하였다. 혼합연료에 대한 화학반응모델은 S.
- 마찬가지로 위 화학종들이 연쇄 분지 반응을 일으킴에 따라 발생하는 OH라디칼의 농도를 조사하기 위해 OH화학종의 계산과 점화 시점에서의 온도 변화를 계산하였다. Fig.
- 본 연구는 HCCI엔진을 모사한 연소조건에서 친환경 바이오연료인 에탄올과 디젤연료의 주성분이 되는 노말데케인을 혼합한 혼합연료의 점화지연시간에 대한 계산과 연소과정에서 발생하는 중간화학종 농도, 온도 계산을 수행하였다. 수치 해석 결과 혼합연료의 연소특성 변화에 있어 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 따라서 본 연구에서는 디젤연료와 항공연료의 주요 성분이 되는 노말데케인과 최근 대체에너지원으로 관심이 모아지고 있는 에탄올을 혼합하였을 경우 혼합연료의 조성비 변화를 통해 에탄올 연료가 기존 노말데케인 연료의 점화특성에 미치는 영향을 조사하였다. 뿐만 아니라, 높은 EGR율을 모사한 질소희석을 통해서 산소의 농도가 변화하게 됨에 따라 나타나는 반응성 변화가 혼합연료의 점화지연시간에 미치는 영향을 수치적으로 계산하고 고찰하였다.
- 0, 압축압력 15atm, 노말데케인/에탄올의 연료 조성비는 5:5로 조절하였다. 산소농도는 0%, 18.9%, 16.8%, 14.7%로 변화시키며 점화지연시간을 계산하였다. 압축온도는 600-1000K까지 50K 간격으로 변화시키면서 점화지연시간을 계산하였다.
- 7%로 변화시키며 점화지연시간을 계산하였다. 압축온도는 600-1000K까지 50K 간격으로 변화시키면서 점화지연시간을 계산하였다.
- % 단위로 증가시키며 점화지연시간을 계산하였다. 압축온도는 저온 연소 조건인 600-1000 K까지 50 K 간격으로 변화시키면서 점화지연시간을 계산하였다. 전체적인 결과는 압축온도가 증가함에 따라 점화지연시간이 감소하는 경향이 나타났고 에탄올을 혼합하여도 노말데케인의 점화특성인 NTC영역과 2단 착화가 발생하였다.
- 5에서 확인할 수 있듯이 혼합연료의 산소 농도가 감소함에 따라 전체 점화지연시간은 증가하였다. 이러한 전체 점화지연시간에 산소농도가 미치는 영향을 세부적으로 분석하기 위해서 저온 연소 반응을 일으키는 노말데케인의 중간화학종에 대한 농도 계산을 수행하였다.
- 그 결과 1차 점화와 주점화에 소요되는 시간 모두 증가하였고, 중간화학종의 분석결과와 일치함을 확인하였다. 이와 같이 산소농도 변화가 저온 영역에서 혼합연료의 반응성에 미치는 영향을 분석하기 위해서 산소농도에 따른 혼합연료의 반응 경로 분석을 수행하였다. Fig.
데이터처리
- 해석용 프로그램으로는 상용 소프트웨어인 CHEMKIN-PRO(8)를 사용하였다. 또한 HCCI엔진의 특징인 균일 예혼합 과정을 모사하기 위해서 피스톤이 상사점에 도달했을 때의 압력과 온도를 초기조건으로 하는 Closed homogeneous Module을 적용하였다.
이론/모형
- 또한 HCCI엔진의 특징인 균일 예혼합 과정을 모사하기 위해서 피스톤이 상사점에 도달했을 때의 압력과 온도를 초기조건으로 하는 Closed homogeneous Module을 적용하였다. 혼합연료에 대한 화학반응모델은 S.Dooley 등이 개발한 1599개의 화학종과 6633개의 화학반응으로 이루어진 모델을 사용하였다. (9) 본 모델은 Jet Stirred reactor를 이용해 분석한 모델로서, 저온 반응 및 고온 반응을 포함한 넓은 온도 영역을 다루고 있다.
성능/효과
- (1) 노말데케인/에탄올 혼합연료 내 에탄올의 비율이 증가함에 따라 에탄올의 화학적 특성으로 인해 점화지연시간이 증가하였고, 압축온도 950K 이상인 일부 영역에서는 반응성이 크게 향상됨에 따라 착화지연시간은 줄어드는 경향이 나타났다.
- (2) 연소실 내의 질소희석을 통해 산소농도를 조절하며, 산소농도의 변화가 혼합연료의 점화지연시간에 미치는 영향을 분석한 결과 산소농도가 낮아짐에 따라서 1차 점화와 전체 점화지연시간은 증가하는 것을 확인하였다.
- 일반적으로 노말데케인의 연소 메커니즘에 따라 1000K 이하는 저온영역, 그 이상은 고온영역으로 나누어진다. (3,4) 저온영역 중에서도 800K 이하는 저온, 그 이상은 중 저온 영역으로 분류되어진다. 고온영역의 연쇄반응은 H + O2 = O + OH을 주 반응으로 하고 전체적인 화학반응은 알킬라디칼이 β-절단(-scission)에 의한 급격한 분해를 하며 진행된다.
- 3에 나타내었다. 650K, 750K, 900K의 저온영역에서는 에탄올의 비율이 증가함에 따라 전체 점화지연시간이 증가하였고, 압축온도가 높아질수록 그 차이는 크게 나타났다. 하지만 Fig.
- 산소농도의 영향으로는 산소농도가 낮아짐에 따라 중간화학종과 OH 라디칼의 농도 증가가 감소하였고, 점화 시점에서 온도상승 또한 낮아지는 것을 확인하였다. 결과적으로 산소농도가 감소함에 따라 1차 점화와 전체 점화지연시간이 증가하였다. 연소실 내에서 질소가 열부하로 작용하고, 질소의 높은 비열로 인해 연소 과정 중 온도상승 감소가 반응성을 저감시켜 점화지연 시간이 증가하는 것으로 판단하였다.
- 위 결과로 인하여 산소농도가 감소함에 따라서 노말데케인의 연쇄분지반응에서 생성되는 중간화학종의 농도는 낮아지게 된다. 결과적으로 점화 시점에서 감소한 OH 라디칼 농도와 온도로 인하여 1차 점화지연, 전체 점화지연 시간은 증가하게 된다. 이러한 결과가 나타나는 원인은 혼합기 내에 포함되어 있는 질소가스가 연소실 내에서 혼합연료의 열부하로 작용하기 때문이다.
- 7%일 때의 조건을 나타낸다. 계산 결과로서 산소농도가 낮아질 때에 1차 점화가 발생하는 시점에서 OH 라디칼의 농도 증가가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 연소 과정 중 온도에 관하여 분석한 결과로 1차 점화 시점에서 산소농도가 21%일 경우에는 159K, 산소농도가 14.
- 7%일 경우에는 115K으로 낮아지는 것으로 나타났다. 그 결과 1차 점화와 주점화에 소요되는 시간 모두 증가하였고, 중간화학종의 분석결과와 일치함을 확인하였다. 이와 같이 산소농도 변화가 저온 영역에서 혼합연료의 반응성에 미치는 영향을 분석하기 위해서 산소농도에 따른 혼합연료의 반응 경로 분석을 수행하였다.
- 온도상승 또한 에탄올의 비율이 증가하면서 1차 점화 시점에서 감소하였다. 그 결과로 에탄올의 비율이 증가함으로 인해 1차 점화지연시간이 증가하고 주 점화 시간도 증가하였다. 이러한 결과는 높은 옥탄가를 가지는 에탄올의 특성에 의해 나타난다.
- 저온영역에서 에탄올의 비율이 증가함에 따라 에탄올의 높은 옥탄가로 인하여 중간화학종의 농도 증가가 지연되는 것을 계산을 통해 확인하였고, 온도 상승 또한 감소하는 것을 확인하였다. 따라서 1차 점화 및 주점화지연시간이 증가함을 확인하였다. 산소농도의 영향으로는 산소농도가 낮아짐에 따라 중간화학종과 OH 라디칼의 농도 증가가 감소하였고, 점화 시점에서 온도상승 또한 낮아지는 것을 확인하였다.
- 선행연구에 따르면(7) 에탄올은 사탕수수, 옥수수, 고구마 등 곡물에서 쉽게 추출이 가능하고, 휘발유 등에 비해 증발잠열이 높아 체적효율 향상을 도모할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 기존의 화석연료와는 달리 자체적으로 산소를 함유하고 있기 때문에 기존의 디젤연료에 비하여 이산화탄소 발생을 약 55%까지 저감할 수 있어 교토의정서와 같은 이산화탄소 규제에 효과적으로 대응할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 에탄올 연료는 자체적으로 높은 옥탄가(octane number)를 가지고 있어 연료의 착화지연을 증가시키므로 HCCI엔진에서 구동 시 연료와 공기의 혼합시간을 충분히 확보할 수 있도록 도움을 줄 수가 있다.
- 전체적인 결과는 압축온도가 증가함에 따라 점화지연시간이 감소하는 경향이 나타났고 에탄올을 혼합하여도 노말데케인의 점화특성인 NTC영역과 2단 착화가 발생하였다. 또한, 혼합연료에서 에탄올이 차지하는 비율이 증가함에 따라 저온영역에서 전체 점화지연 시간이 증가하는 것을 확인하였다. 전체 해석결과를 세부적으로 분석하기 위해서 대표적인 압축온도에서 에탄올 비율에 따른 점화지연시간을 계산하여 Fig.
- 따라서 1차 점화 및 주점화지연시간이 증가함을 확인하였다. 산소농도의 영향으로는 산소농도가 낮아짐에 따라 중간화학종과 OH 라디칼의 농도 증가가 감소하였고, 점화 시점에서 온도상승 또한 낮아지는 것을 확인하였다. 결과적으로 산소농도가 감소함에 따라 1차 점화와 전체 점화지연시간이 증가하였다.
- 노말데케인/에탄올 혼합연료는 저온 연쇄반응에 의해서 OH라디칼이 발생하게 되는데 이러한 OH라디칼이 일정 수준에 다다르면 1차 점화가 일어나고 주점화로 이어진다. 에탄올이 차지하는 비율이 증가할수록 OH화학종의 생성이 줄어들고 1차 점화가 나타나는 시점까지 도달하는 데 소요되는 시간이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 온도상승 또한 에탄올의 비율이 증가하면서 1차 점화 시점에서 감소하였다.
- 계산 결과로서 산소농도가 낮아질 때에 1차 점화가 발생하는 시점에서 OH 라디칼의 농도 증가가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 연소 과정 중 온도에 관하여 분석한 결과로 1차 점화 시점에서 산소농도가 21%일 경우에는 159K, 산소농도가 14.7%일 경우에는 115K으로 낮아지는 것으로 나타났다. 그 결과 1차 점화와 주점화에 소요되는 시간 모두 증가하였고, 중간화학종의 분석결과와 일치함을 확인하였다.
- 결과적으로 산소농도가 감소함에 따라 1차 점화와 전체 점화지연시간이 증가하였다. 연소실 내에서 질소가 열부하로 작용하고, 질소의 높은 비열로 인해 연소 과정 중 온도상승 감소가 반응성을 저감시켜 점화지연 시간이 증가하는 것으로 판단하였다.
- (3) 혼합비율 변화와 산소농도 변화가 점화지연시간에 미치는 영향은 중간화학종의 농도와 온도 계산을 통해 분석하였다. 저온영역에서 에탄올의 비율이 증가함에 따라 에탄올의 높은 옥탄가로 인하여 중간화학종의 농도 증가가 지연되는 것을 계산을 통해 확인하였고, 온도 상승 또한 감소하는 것을 확인하였다. 따라서 1차 점화 및 주점화지연시간이 증가함을 확인하였다.
- 압축온도는 저온 연소 조건인 600-1000 K까지 50 K 간격으로 변화시키면서 점화지연시간을 계산하였다. 전체적인 결과는 압축온도가 증가함에 따라 점화지연시간이 감소하는 경향이 나타났고 에탄올을 혼합하여도 노말데케인의 점화특성인 NTC영역과 2단 착화가 발생하였다. 또한, 혼합연료에서 에탄올이 차지하는 비율이 증가함에 따라 저온영역에서 전체 점화지연 시간이 증가하는 것을 확인하였다.
- 이러한 질소의 특성 또한 온도상승이 낮아지는 것의 원인으로 판단하였다. 최종적으로 높은 배기가스 재순환을 모사하기 위하여 산소농도를 조절함으로써 노말데케인의 반응경로를 계산한 결과, 산소농도가 낮아짐에 따라 연쇄 분지 반응을 일으키는 중간화학종의 반응성이 낮아졌고, 이로 인하여 Fig. 6, Fig 7에서도 확인 할 수 있듯이 1차 점화지연시간과 전체 점화 지연시간이 증가하는 것을 알 수 있었다.
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