[논문]미세버블 디젤 연료의 분사율과 미시적 분무특성에 대한 연구

진해론; 이승우; 김기현

doi:10.15435/jilasskr.2020.25.1.15

[국내논문] 미세버블 디젤 연료의 분사율과 미시적 분무특성에 대한 연구
Investigation on Injection Rate and Microscopic Spray Characteristics of Fine Bubble Diesel Fuel 원문보기

한국분무공학회지 = Journal of ilass-korea, v.25 no.1, 2020년, pp.15 - 20

진해론 , 이승우 (신라대학교 융합기계공학부) , 김기현 (신라대학교 융합기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This study aims to investigate injection rate and microscopic spray characteristics of diesel fuel containing fine air bubble (FBD). fine bubble was generated by cavitation theory using bubble generator. Fuel spray was injected into constant volume chamber and visualized by high speed camera. The injection rate data was acquired with bosch tube method. Injection rate of finebubble diesel was very similar with that of diesel. It showed slightly faster injection start by 5 ㎲ attributed to the low viscosity characteristics. In microscopic spray visualization, fine bubble diesel spray showed unsymmetric spray shape compared with diesel spray. It also showed very vigorous spray atomization performance during initial spray development. Improved atomization was also attributed to the low viscosity and surface tension of finebubble diesel fuel.

Keyword

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 The schematic of diesel fuel injection system
그림 Fig. 2 The image of fine bubble generator
그림 Fig. 3 Principle of fine bubble generator⁽⁴⁾
그림 Fig. 4 The schematic of injection rate meter
그림 Fig. 5 The schematic of microscopic spray visualization system
그림 Fig. 6 Sample image of microscopic spray
그림 Fig. 7 injection rate of fine bubble diesel and diesel (Fuel temperature: 40 degC, injection pressure : 40, 80, 160 MPa)
표 Table 1 Experimental conditions
표 Table 2 The properties of fuels
그림 Fig. 8 Microscopic spray images for the spray development (Fuel : Diesel, fine bubble diesel, Fuel temp : 40 degC, injection pressure : 80 MPa)
그림 Fig. 9 Spray penetration of finebubble diesel and diesel (injection pressure : 80, 160 MPa)
그림 Fig. 10 Spray cone angle of finebubble diesel and diesel (injection pressure : 80, 160 MPa)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 미세 버블 디젤을 디젤 분사시스템에 적용하여 일반 디젤에 비해 갖는 물리적 특성과 분사율 특성, 그리고 초기 분무 분열과정에 대해 조사하기 위해 미시적 분무 가시화 기법을 이용한 연구를 수행하였고 결과에 대해 논의하였다.
본 연구에서는 미세버블을 함유한 디젤의 엔진 적용성과 분무 특성에 대해 연구하였다. 디젤엔진에서 발생하는 질소산화물과 입자상 물질을 저감하는 것은 대기오염을 줄이기 위한 중요한 이슈이며, 그 동안 이를 해결하기 위한 많은 연구들이 수행되었다⁽¹⁾.
본 연구에서는 기존의 디젤분시스템을 최대한 활용하고, 미세버블디젤을 생성하기 위하여, 저압펌프단에 미세버블디젤생성기(NBS312, 엔비테크닉스)를 추가하였다.

제안 방법

가시화의 용이성 및 분석의 질을 높이기 위하여 단공인젝터를 사용하였다.
노즐로부터 분무 끝단까지의 분무도달거리, 분무면적, 분무비대칭성 등을 분석하였다.
연료의 물성은 밀도계(DMA501, Anton Paar), 점도계(DV1M, BROOKFIELD), 표면장력 계(Sigma 703D, KSV INS)를 사용하여 측정하였다.
본 연구에서는 디젤에 미세사이즈의 버블을 첨가시킨 미세버블디젤을 디젤엔진의 분사시스템에 적용하여, 미세버블 디젤과 일반디젤의 분사율 특성과 미시적 분무 발달특성을 비교분석하였다.
동일시간대의 분무를 대상으로 비교하면 분무 도달거리 및 발달정도를 비교할 수 있지만, 미세버블디젤 분무의 시작이 분사율 결과에서도 확인한 바와 같이 시작이 조금 더 빠르기 때문에 이미지 비교는 동일한 분무 도달거리에 도착한 시점의 이미지로 비교 분석을 수행하였다.

대상 데이터

2013년 일본에서 행해진 연구에서, 직경 1 μm 이하의 나노사이즈 버블을 디젤에 함유시킨뒤 엔진 연소에 적용하였다.
연료분사에 의한 튜브 내 압력 변동 해석을 위하여 압전 방식의 압력 센서 Kitsler 社의 Type 6052A와 전하증폭기 Kitsler 5011을 이용하여 압력 센서에서 측정된 신호를 증폭하여 오실로스코프를 통해PC로 데이터를 취득하였다.
본 실험에 사용된 일반 디젤과 미세버블디젤의 물성 은 Table 2와 같다.

데이터처리

실험 조건 별 128회 분사율을 측정하여 평균한 분사율 데이터를 비교분석을 하였다.

이론/모형

분사율은 Bosch(1996)가 제안한 보쉬튜브법(Bosch tube method)을 이용하여 취득하였다.

성능/효과

미세버블을 함유한 디젤 연료의 물성이 일반 디젤에 비해 밀도가 낮고, 점도와 표면장력이 소폭 감소하는 것으로 나타났다.
그러나 분사율 시험 결과를 분사 시작 시점에 대해 미시적으로 살펴보면 미세버블디젤이 일반디젤 연료보다 분사개시가 약 5 μs 정도 더 빠르게 나타났다.

후속연구

향후 연구에서는 고온, 고압 영역에서 미세버블이 디젤이 디젤에 비하여 갖는 무화, 증발, 연소 특성을 조사할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	미세버블 디젤 분무가 디젤 분무보다 더 활발한 초기 혼합 특성을 나타낸다고 볼 수 있는 이유는?	이렇게 더 활발한 초기 혼합을 일으키는 원인은 첫째, 미세버블의 낮은 연료 점도와 표면장력 특성에 기인한 것으로 보인다. 점도와 표면장력은 주변 공기에 의한 저항으로부터 분무의 형태를 유지하게끔 도움을 주는데, 점도와 표면장력이 낮게 되면 주변 공기의 항력에 의해 분무의 형태를 안정적으로 유지하지 못하고, 쉽게 액주가 분리되고, 액적이 떨어져 나가는 등 활발한 분열 현상이 발생하게 된다(7). 그런 의미에서 미세버블의 낮은 점도와 표면장력은 이와 같은 초기 분열현상에 영향을 주었을 것으로 판단된다. 두 번째 이유는 연료속에 포함되어 있는 미세버블들의 미세 폭발로 인하여 분무 분열이 촉진되었을 수 있다(4). 그러나 이는 실험적으로 추가적인 확인이 필요한 것으로 판단된다.
	미세버블생성기는 어떻게 하면 디젤 저압펌프와 동일한 역할을 수행하는가?	우선 디젤 연료 탱크에서 미세버블생성기를 거쳐 저압으로 가압된 연료는 고압펌프를 통해 고압으로 가압되고 커먼레일로 공급된다. 이때, 미세버블생성기는 저압펌프의 역할을 담당하게 되는데 공기의 유입을 차단하면 일반적인 디젤 저압펌프와 동일한 역할이며, 공기를 유입하여 작동시키면 미세버블 생성기이자 저압펌프의 역할이 되면서 미세버블디젤이 공급된다.

참고문헌 (7)

"미세먼지, 도대체 뭘까?" 환경부 행정간행물 11-1480000-001435-01, 2016.04.
Y. Nakatake, S. Kisu, K. Shigyo, T. Eguchi and T. Watanabe, "Effect of nano air-bubbles mixed into gas oil on common-rail diesel engine", Energy, Vol. 59, 2013, pp. 233-239.

상세보기
Y. Nakatake, T. Watanabe and T. Eguchi, Experimental investigation on diesel engine performance using nano air-bubbles mixed into gas oil. Energy & Power Engineering, 2012.
동목, 박기영, 이성욱. "마이크로 버블 디젤 연료의 증발 특성 연구", 2018년 한국자동차공학회 추계학술대회, 2018.
박기영, 이성욱, Padmanaban Sudakar, 윤성호, "정적연소기에서 미세 기포 혼합 디젤 연료의 분무 특성에 관한 실험적 연구", 2017년 한국자동차공학회 추계학술대회, 2017년.
엔비테크닉스, http://www.nbtechnics.com, 2017.
C. Crua, M. Heika and M. Gold, "Microscopic imaging of the initial stage of diesel spray formation", Fuel, Vol. 157, 2016, pp. 140-150.

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